電化學(xué)氣體傳感器工作原理及電路圖

1、電化學(xué)傳感器工作指南及電路圖引言本公司有毒氣體檢測傳感器的開發(fā)始于1981年，以一氧化碳傳感器的研制為開端。之后對各式各樣新 傳感器都進行了開發(fā)“直至最進開發(fā)的臭氧和氧化乙烯傳感器，形成了系列的傳感器產(chǎn)品，并以其可靠、 穩(wěn)定和耐用等特點斐聲海內(nèi)外。此類傳感器系一微型燃料電池，設(shè)計成為免維護型并且能長時間穩(wěn)定工作的產(chǎn)品。所采用的技術(shù)立足 于己于人本公司早期氧傳感器的工作基礎(chǔ)，系直接響應(yīng)氣體的體積濃度變化，而不是響應(yīng)其壓力的變化。該類傳感器設(shè)計的最大特點是采用了氣體的擴散勢壘，該勢壘能限制氣體流向敏感電極的流星，敏感電 極能與到達電極的電化學(xué)活性仍有余裕。這一高的電化學(xué)活性保證了傳感器的長壽命和很

2、好的溫度穩(wěn)定性, 兩電極系統(tǒng)基于電化學(xué)原理工作的傳感器其最簡單的一種型式就是兩電極系統(tǒng)。其工作電極和對電極由一薄層電解 液隔開并經(jīng)由一個很小的電阻聯(lián)通外電路。當(dāng)氣體擴散進入傳感器后，在敏感電極表面進行氧化或還原反 應(yīng)，產(chǎn)生電流并通過外電路流經(jīng)兩個電極。該電流的大小比例于氣體的濃度，可通過外電路的負荷電阻予 以測量。為了讓反應(yīng)能夠發(fā)生，敏感電極的電位必須保持在一個特定的范圍內(nèi)。但氣體的濃度增加時，反應(yīng)電流 也增加，千是導(dǎo)致對電極 電位改變（極化）由于兩電極是通過一個簡單的負荷電阻連接起來的.雖然敏 感電極的電位也會隨著對電極的電位一起變化，如果氣體的濃度不斷地升高，敏感電極的電位最終有可能 移岀

3、其允許范圍一至此傳感器將不成線性，因此兩電極氣體傳感器檢測的上限濃度受到一定限制。三電極系統(tǒng)對電極的極化所受的限制可以用引進第三電極，參考電極，和利用一外部的恒電位工作電路來予以避免。 在這樣一種裝置中.敏感電極曲線相對于參考電極保持一固定值在參考電極中無電流流過，因此這兩個 電極均維持在一恒定的電位。對電極則仍然可以進行極化，但對傳感器而言已不產(chǎn)生任何限制作用。因此 三電極傳感器所能檢測濃度范圍要比兩電極大得多.大部分有毒氣體傳感器（3/4/7系列）均屬三電極系統(tǒng).由于控制了敏感電極的電位，恒電位電路還能 提高傳感器的選擇性和改進其響應(yīng)性能。這一電路同時也用來測屋流過敏感電極和對電極之間的電

4、流。電 路可以作成體積很小的低功耗裝置.本章后部將提供一些與此有關(guān)的電路。四電極系統(tǒng)圖1三電極系統(tǒng)進一步發(fā)展導(dǎo)致了四電極系統(tǒng)傳感器的產(chǎn)生（A3/A7系列）°這一類型的傳感器增加了另 一個工作電極，稱之為輔助電極輔助電極的訊號可以用來抵消溫度變化的影響或者用來提高傳感器的選 擇性"用了第四電極可以使傳感器的訊號更穩(wěn)定，對被測量氣體有著特性的響應(yīng).溫度影響即使不存在反應(yīng)氣體，傳感器的敏感電極也會顯示一個很小的訊號電流稱之為“基線電流”。雖然在 校準時可以調(diào)零調(diào)去，但極限電流隨溫度的變化呈指數(shù)變化。因此校準后大的溫度改變將導(dǎo)致儀器的零點 產(chǎn)生些許漂移.在大多數(shù)情況下，盡管溫度在較

5、寬的范圍內(nèi)變化，儀器零點漂移仍是很小可以忽略不計。然而如果需 要儀器有很高的分辨率，特別是檢測氣體濃度非常低的情況下，零點的漂移與可能嚴重影響測最值。在這 種情況下采用四電極系統(tǒng)可以補償任何基線的漂移，四電極系統(tǒng)中，敏感電極和輔助電極的基線極為接近。由于環(huán)境狀況對于兩個電極都是一樣的.敏感 電極由于溫度變化產(chǎn)生的基線漂移在輔助電極上也產(chǎn)生同樣大小的漂移。當(dāng)敏感電極暴需在目標氣體中時，將會產(chǎn)生一個增加的訊號，其大小與氣體濃度成正比。所有目標氣 體都在敏感電極上反應(yīng)，因而輔助電極上信號保持不變（即處于其基線水平）。這樣盡管基線與校準時的 水平相比有所漂移.只要從訊號中減去這一基線信號值就可以得到補

6、償了基線的輸岀值，它完全是由暴露 的氣體產(chǎn)生的.選擇性當(dāng)一 A3EF氧化碳傳感器萱于一氧化碳和氫的混合氣體中時，二者均在敏感電極上發(fā)生反應(yīng)。一氧 化碳全部反應(yīng)，而氫則只有部分反應(yīng)，未反應(yīng)的氫擴散到達輔助電極一這樣一來敏感電極的訊號為這兩種 氣體濃度的函數(shù).而輔助電極的輸出則主要是由氫產(chǎn)生的。和上述補償基線漂移的道理一樣，輔助電極的 訊號可以用來補償氫在敏感電極上的反應(yīng)。反應(yīng)機理氣體擴散進入傳感器就在敏感電極上發(fā)生反應(yīng)，或則為氧化反應(yīng)（大多數(shù)氣體）.或則為還原反應(yīng)（二氧 化氮、氯和臭氧）每一反應(yīng)均可用標準化學(xué)方程式的形式表示“例如，一氧化碳在敏感電極上的氧化可 用方程式表示如下：CO4-H2O-

7、>CO2+2lT+2e根據(jù)目標氣體在敏感電極上反應(yīng)的不同，對于其它氣體也可以導(dǎo)出類似的方程式：硫化（H2S） :H2S+4H2O->H2SO4+8ir+8e-二氧化硫（S02） : SO2+2H2OTH2SO4+2IT+2e氧化氮（NO） ： NO+2H2OTHNO3+3IT+3e二気化氮（NO2） : NO2+2H*+2eTNOH2O氫（H2） :H2T2H+2e-氯（CL2） :CL2+2H*+2e 2HCLS化氫（HCN） ：2HCN+Au->HAu（CN）:+H*+e-氯化氫（HCL） ：HCLzCLz+H'+e'氧化乙烯（C2HO） : C:H4O+

8、2H:O->C2H4O3+4H*+4e-臭氧（O3）：O3+2H*+2e°>O?+H：O氨（NHj） :12NH3+L2+6H2O2LO3+12NH/+1 Oe"磷化氫（PHj） : PH3+4H2O->H3PO4+8H4e在對電極上發(fā)生的反應(yīng)則正好與敏感電極上的反應(yīng)平衡。例如敏感電極上發(fā)生氧化反應(yīng)，對電極上就會 與氧被還原并生成水。反之，如果敏感電極上發(fā)生還原反應(yīng)，對電極上的反應(yīng)則與之相反（即水被氧化）。 這樣這一反應(yīng)的標準方程式可以寫成：i/O+2H+2eoH、0 兩個電極的反應(yīng)方程式可以結(jié)合起來并簡化成總的電池反應(yīng)“例如在一氧化碳的情況下，總個電池反

9、 應(yīng)可寫成：2CO+O2->2CO:這一總方程式說明供應(yīng)給傳感器的氣體是反應(yīng)的燃料，逸出的氣體則是反應(yīng)的產(chǎn)品。換言之，傳感器僅 僅是反應(yīng)的催化劑，它的任何一部分都沒有消耗（氨和氤化氫除外，見后）。注：氨和氟化氫使用了一種新型電解液。其反應(yīng)機理不象通常的那些傳感器那樣直接的氧化或者還原。 這對傳感器的性能有重要的影響，特別是對其輸出漂移和使用壽命，這類傳感器適宜于檢漏，而不適宜于 高濃度和連續(xù)檢測在第一部分所列該類傳感器的特中援引了毎月總的目標氣接受最不宜超過的特定水平 值。選擇性本公司傳感器的設(shè)計保證了對被測氣體有很高的特效性.交叉干擾的影響降低到了最小。這是由下列 技術(shù)的結(jié)合達到的1）

10、選擇特性電極催化劑電極材料的選擇對于傳感器中的反應(yīng)有很強的影響。每一電極反應(yīng)大多是可以雙向進行的，可以利用特 殊選定的電極材料催化反應(yīng)的某一方向。2）控制敏感電極的工作電位三電極系統(tǒng)的最大好處在于能給傳感器施加一 “偏潼”電壓使得電化學(xué)反映活性較低的氣體也能被氧化或 者被還原。這樣一種施加有偏壓的器件能促進那些在通常條件下在參考電極電位下不能發(fā)生的反應(yīng)。3）利用化學(xué)過濾器選擇性地除去干擾氣體有些傳感器裝有內(nèi)潼過濾器可以除去那些也能字敏感電極處發(fā)生反應(yīng)的氣體，這類內(nèi)置過濾器組成各 不相同，尺寸也各不一樣，依傳感器的使用條件血異一本章后血將詳細論述.英國山 徳 國美 國氣體STEL(10 min)

11、TWA(8hr)STEL TWA(81u)STEL(15nun)TWA(8hr)Carbon monoxide3005060(30)3020035Hydrogen sulphide151020(10)101510Sulphur dioxide524(5)252Nitric oxide352525Nitrogen dioxide5310513Chlorine10.51(5)0.510.5Chlorine dioxide0.30.10.2(5)0.1030.1Hydrogen ,5> Hvdrogen cyanide10 20(30)104.7 Hvdiogen chloied5 M 10(

12、5)55Anuiionea3525100(5)503525Ozone0.30.10-2(5)0.10.1Etlivlene oxide551Phosphine030.2(5)0.1103注：STEL為短期暴露限值，TWA為長期暴露（8hi ）限值.（1）資料來源：Health aiid Safety Executive（HSE）-EH40 95（2）資料來源：Deutsche Forschungsgemeinschaft（DFG）-1993（3）資料來源：Occupational Safety and Health Adnuiusiation（OSHA）-Code If Federal Reg

13、ulations 29 CFR1910.1200.July 1993（4）括號中的分鐘數(shù)值表示在該濃度水平下最長允許暴露時間。（5）氫為可燃性窒息氣體，其最低爆炸限的數(shù)值為4%。4）采用四電極系統(tǒng)在A7ET 一氧化碳傳感器中采用了四電極系統(tǒng)，用以消除氫對傳感器輸出的影響，前面已經(jīng)論及過 To安全監(jiān)測為了個人人身安全，需要與一種儀器，當(dāng)有毒氣體的濃度達到短時間暴露允許限值（STEL）和長 時間暴露允許限值（TWA）時能予以報警”下表所列為經(jīng)常監(jiān)測的幾種主要氣體的允許暴露限值，該 表僅僅作為一種指導(dǎo)。其具體數(shù)值在使用前必須予以核對.在安全監(jiān)測方面為了監(jiān)測儀的小型化需要有較小的元件，傳統(tǒng)的3型系列傳

14、感器由于其體積小結(jié) 構(gòu)緊湊最為合用。它結(jié)合了 3、4型系列的小體積和7型系列結(jié)構(gòu)緊湊兩方面的特點。這些傳感器的代 碼中用數(shù)字字頭來區(qū)分，例如7E 4CO就是用7和4來區(qū)分的。安全檢測用傳感器至少每六個月應(yīng)該效一次.對于那些安全極為重要的場合，工作的傳感器實施 效準應(yīng)更勤一些（例如兩周），關(guān)于效準細節(jié)見后。安全檢測儀通?？梢苑譃閮煞N類型便攜式監(jiān)測儀和定點監(jiān)測儀"下表所列為安全檢測中推存使 用的傳感器類型。對于適合于便攜式監(jiān)測儀器的傳感器以P，而適宜于己于人定點檢測儀器的傳感器則 標以F。P6氣體型號便攜式或定點式最小范圍分辨率額定輸出Carbon monoxide4COp0-20ppm

15、lppm0.07uAzppm4CFp0-20ppmlppm0.07uAppm7EPZF0-20ppm0.5ppm0. luA/ppm7E/FPF0-20ppm0.5ppmO.luAppmHydrogen sulphide4Hp0-20ppmO.lppm0.37uAppm4HSp0-20ppmO.lppm0.37uAzppm7HP/F0-20ppm0.25ppm0.37uAzppm7HHP/F0-5ppmO.lppm1.25uAppmSulphur dioxide4SP0-10ppmO.lppm05uA/ppm7ST/FPZF0-10ppm0.5ppm0.37uA.ppm7SHP/F0-3ppm

16、O.lppm1 25uA "ppmNitric oxide4NTp0-10ppm0.5ppm04uA/ppm7NTPF0-10ppmO.SppmO.55uAzppmNitrogen dioxide4NDP0-3ppmO.lppm1 .Ou A-ppm7NDHP/F03ppmO.lppm1 4uA/ppmChlormr4CLP0-3ppmO.lppm0.9uAppm7CLHPF0-3ppmO.lppm1 .Ou A ppmHydrogen7HYTPZF0-50ppm2ppm003uA'ppmHydrogen cyarnde7HCNP/F0-10ppm0.5ppmO.luA/pp

17、mHydrogen chloride7HLPT0-5ppm0.5ppm0.75uAzppmAmmoniaA7AMP/F0-10ppm0.5ppm0.12uAzppm7 AMP/F0-10ppm0.5ppm0.12uA/ppmOzone7OZPF0-2ppm20ppb6.0uAppmEthylefe oxide7ETOPT0-3ppm0. lppm275uA/ppm氣體型號便攜式或定點式最小范圍分辨率額定輸出Carbon monoxide4COp0-20ppmlppm0.07uA ppm4CFp0-20ppmlppm0.07uAppm7EPT0-20ppm0.5ppmO.luA/ppm7E/FP

18、T0-20ppm0.5ppmO.luAppmHydrogen sulphide4Hp0-20ppmO.lppm0.37uA ppm4HSp0-20ppmO.lppm0.37uAppm7HP/F0-20ppm0.25ppm0.37uA'ppm7HHPT0-5ppmO.lppm1.25uAppmSulphur dioxide4SP0-10ppmO.lppm05uA/ppm7ST.TP/F0-10ppm0.5ppm0.37uA.ppm7SHP/F0-3ppmO.lppm1.25uAppmNitric oxide4NTP0-10ppm0.5ppm04uA/ppm7NTP/F0-10ppmO.S

19、ppmO.55uAppmNitrogen dioxide4NDP03ppmO.lppm1 .OuA-ppm7NDHPT0-3ppmO.lppm1 4uA/ppmChlorinr4CLP0-3ppmO.lppm0.9uAppm7CLHP/F0-3ppmO.lppm1 .OuAppmHydrogen7HYTPT0-50ppm2ppm003uA/ppmHydrogen cyanide7HCNPT0-10ppm05ppmO.luAppmHydrogen clilonde7HLP/F0-5ppm0.5ppm0.75uAppmAmmoniaA7AMP/F0-10ppm0.5ppm0.12u A'p

20、pm7 AMP/F0-10ppm0.5ppm012uA/ppmOzone7OZP/F0-2ppm20ppb6.0uAppmEthylefe oxide7ETOP/F0-3ppmO.lppm2.75uA'ppm_線路a）兩電極有毒氣體傳感器2E/F傳感器是一個兩電極低濃度一氧化碳氣體傳感器"與三電極系統(tǒng)相比其性能受到一定限 制，然而其工作電路卻是簡單得多傳感器實際上是一只電流發(fā)生器傳感器兩電極的輸出可以簡單地用一只低值負荷電阻（例 如330）串接于傳感器兩端然后測量電阻兩端的壓降，不需要任何外電源，另外傳感器也可以采 用電流跟隨器型式工作，即用一運標放大器將電流輸岀轉(zhuǎn)換成電壓輸

21、出。在這一情況下采用低值 負荷電阻（例如10Q）可以縮短響應(yīng)時間。圖2是該原理的簡圖。圖中負荷電阻用兔血表示。運 標放大器斷路時傳感器兩端用一結(jié)型場效應(yīng)管（J-FET）短接。圖2兩電極傳感器工作電路ICI-該放大器用作電流電壓轉(zhuǎn)換器，對其失調(diào)性能要求不嚴格。OP-77或其類似放大器均可用。b）三電極系統(tǒng)1）標準操作（無偏壓）圖3為推存用于任一個三電極傳感器的電路圖，可用于檢測下列氣體：一氧化碳（CO）、硫化氫（H?S）、二氧化硫（SOJ、二氧化氮（NOJ、氯（CL：）、氫（比）、氛化氫（HCN）和臭氧（O3）。對于那些在敏感電極上氧化的氣體線路的輸岀為正-CO、 H2S、S02、H2和HCN,

22、而對那些在敏感電極上還原的氣體則輸出為負N02、CL2和03 . 對于需要偏壓操作的其它所有傳感器這一標準電路要予適當(dāng)修改（見后）。對電極的作用只是完成一個電化學(xué)電路.其電位值相對于工作電極和參考電極而言是不固 定的"在靜態(tài)條件下，電解液只有微小電流流過，因此對電極電位接近其靜止電位。而在氣體檢測時，電流升高，這時對電極相對于參考電極而言便極化了對CO、H2S、S02、 H2 和 HCN 為負，N02、 CL2 和 03 為正。圖3三電極系統(tǒng)標準工作電路fttccavmevM Op«rWioAalfor (Metroic amMtMarvufxlurwfIMCM&2

23、 ANaaonjf SwoondudorTm id憐 M «inwiu< wtraiAfvfMinmMAX O7"O0Mwti are rvcommmM io be iMd m Hearanr circuib ofEL7K0SHam«瀘 dMBCtiofi. Tho M is not mnOad to 90 anc?j?ltaan Wtf rumfeebail only 11 828Linear UchnoloyU 7I«linaAr hcfwtoloAD 125Analog DvwcmICI這一放大器失調(diào)電壓必須該很低或者將其凋零.PMI-OP7

24、7和OP-90, Intesil或Teledyne 7650 和 Linear Technology LT1078 均可用 °ICI這一放大器用作電流電壓轉(zhuǎn)換器，其失調(diào)性能要求不嚴格，OP-77或類似放大器均可用.Riad的選值見前第1部分。*線路接通時ICI只能有很小的失調(diào)電壓（例如100uV）這點很重要，否則運標放大器將使傳 感器的工作電位嚴重偏置，致使其由短路狀態(tài)達到穩(wěn)定需要相當(dāng)長的時間。電解池的電流穩(wěn)定很快，而對電極的極化卻很慢“因此盡管傳感器的訊號已經(jīng)穩(wěn)定，對電極的 電位可能仍在繼續(xù)漂移，這是很正常的。在實際測呈中最大的對電極極化對參考電極而言有可能達 到300400mV。

25、這在實際中童味著電路接的電位要比之高出很多（例如IV）,所以ICI的輸岀為 負。在所有情況下在RLgd兩端產(chǎn)生的壓降應(yīng)該限制在10mV以下，不然傳感器的性能受到損害。保 持Rl屈低值還能保證響應(yīng)更為快速.雖然在這一線路中甚至可以將其降低至零，但選擇一個很小的限值還是比較可取.這樣可以在線路噪聲和響應(yīng)時間之間達到較好的平衡。在某些情況下還能減少 濕度的瞬時影響“為了保持儀器在斷路期間處于“預(yù)備工作”狀態(tài)，參考電極和敏感電極之間應(yīng)予短接“既可以 將參考惦記用一場效應(yīng)管短接到線路的公共端（見圖3）,也可以采用聯(lián)動開關(guān)短接。但短路傳感 器應(yīng)避免其接觸活性氣體或者溶劑的蒸汽。2）拼壓操作在測量一氧化氮（

26、NO）、氯化氫（HCL）、氧化乙晞（C2H4O）和氨（NH3）時，傳感器的 設(shè)計使得敏感電極在較參考電極電位更正的條件下工作。這就是所謂的“偏壓”操作。其工作電路 如下。圖4三電極偏壓型工作電路IC1和IC2同前面一樣，Vr是一精確的帶隙電壓參考 建議采用Teledyne Tc04系列元件.Rgd的取值原則見前。請注意：有些傳感器在包裝運輸過程中.附帶有偏置電路板，因此傳感器處于隨時可以使用狀態(tài)，請 參看訂貨資料說明部分。偏壓工作電路基本上和圖3是一樣的，所不同之處只是所需電位低于線路公共端時IC1的輸入 為正.這樣就提供了偏壓。所有需要偏壓工作的傳感器，凡是屬于氣體在敏感電極上氧化者，電路的

27、 輸出對公共端而言總是正值 經(jīng)由IC1提供偏壓是因為不能令參考電極通過任何電流.因此，也不能 直接將化學(xué)電池連接在參考電極和敏感電極之間。建議不讓任何時候，甚至儀器在斷路的時候，這一 偏壓都始終保持看“如果不這樣.當(dāng)儀器通電時啟動時間會需要很長。對于各個不同傳感器所建議的偏壓數(shù)值在第一部分相應(yīng)的說明中都已經(jīng)給出。在每一中情況先所 建議的偏壓數(shù)值都是使得操作中傳感器的性能達到最佳的平衡正的偏壓值是指敏感電極地電位較參 考電極為正。注意：需要偏壓工作的傳感器其參考電極和敏感電極不時處于同一電位，因此在運輸過程中不需 要通常那樣的短路聯(lián)結(jié).對于短路會永久損害傳感器的情況，儲存時不得短接因此在無偏壓操

28、作中 短接的場效應(yīng)管此處省去不用。c）四電極系統(tǒng)1）電路的輸出計算和三電極情況一樣，四電極的A7系列傳感器既可以偏壓工作也可以無偏壓工作完全依所測氣體 的情況而定。但不管是按那種方式工作，氣體的濃度都一樣是由兩個訊號的差值決定的。計算樣品中氣體濃度時，將兩個訊號值直接相減即可：Igas= B式中：Iga：已經(jīng)補償了基線的氣體訊號Is 敏感電極訊號輔助電極訊號兀一=無檢測氣體在時給零輸出的-個增益值。*由干敏感電極和輔助電極的極限電流非常接近，X心大多數(shù)情況下接近于1?，F(xiàn)就A7EZF熨一氧化碗傳感器的情況進行討論. '"冷冇一氧化篠和徒的混合氣體通入傳感器 時，敏感電極產(chǎn)生一個

29、與良種氣體濃度成比例的訊號，而輔助電極產(chǎn)生的訊號則上耍11TM的存 在。這種四電極的設(shè)訃，加上內(nèi)置過濾器可以除去NO、NO、H2S和SO2的干擾，即使冇一兩 種干擾氣存在，也可以得到非常準確的測量結(jié)果。A7ET傳感器的輸出可以表示如下：I：敏感電極訊號：Ia輔助電極訊號：CO=CO在混合氣中的濃度：H2J-H2在混合氣中的濃度;如果有：I：=j(CO)+b(H2)(1)IA-c(CO)+d(H2)(2)由(1)和(2)式屮消去(H2)得出：(CO) = (I3d-IAb) / (ad-bc) (3)如果用一氧化碳和氫氣標氣進行冑準,則系數(shù)a、b、c可以由(1)和(2)式計算得出,T- 是山(3

30、)式就可以得到氧化碳在該兩種氣體的混介氣中的實際濃度值。在傳感器的設(shè)計參數(shù)中很重要的一點是使adbc之值盡可健大.當(dāng)前的傳感舉設(shè)計中c值大概 為3值的1%至10%。比值大概在】/?至認之間。通常系數(shù)j、b、c和d也是溫度的函數(shù)，因此(1)和(2)式更為準確的表示應(yīng)該是：Is-a(T)CO+b(T)H2(4)IA=c(T)CO+d(T)H2(5)為解這一對方程式，必須在不同溫度下對一氧化碳和置進行效準，并采用曲線擬介技術(shù)或者利用 某種檢査表來進行。通常用微處理器來解決最為理想.A7E F傳感器可以偏壓下工作也可以無偏壓工作。般的環(huán)境監(jiān)測或者間歇収樣檢測無盂偏壓 操作.在這種怙況下如來敏泄電極和輔

31、助電極在儀器斷路時將其9參占電極短接，則“1儀器通電 時傳感器便可立即匸作。短接可川兩個結(jié)式場效應(yīng)管，參見圖5。Importan NoteThe recommended operating circuits for biased and unbiased four electrode are show below.In both cases the circuit acts in the same way as those recommended for three electrode except there is an additional Auxiliary electrode outp

32、ut. However the same considerations apply as when operating three electrode sensors,so it is important when considermg these circuits to read the precedmg section that deals witli these.2）標準非偏壓操作圖5四電極標準工作電路IC1.該放大器失調(diào)電壓必須很小，或調(diào)寥調(diào)去。PMI OP-77和OP-90. Intersil或Teledyne 7650和 Linear Techndogy LT 1078 使川。IC

33、2, IC3-該放人器作為電流電爪轉(zhuǎn)換器，失訓(xùn)性能不址要求嚴格OP-77或類似放人器均可川。Rg建議伉見第1部分。3）偏壓型操作圖6四電極偏爪型操作電路IC1、IC2、IC3苴內(nèi)容同圖5Vh為 帶隙電壓參考。Teledyne TC04適用。Rlt選值見第1部分.四電極系統(tǒng)既可非偏壓操作也可偏壓吃操作。偏壓別操作電路見圖6偏壓操作可降低氫響應(yīng) 的系數(shù)（賞識計算中的b和d）,傳感器的性能通常也冇核很大改進。只是傳感器的電源電路和 提供偏壓不許長期維持，以避免啟動時間過長。理生為了止確操作傳悠器，參考電極和對電極必須有一個很小的氧源供應(yīng)。通常樣品氣流中有 足夠的氧供應(yīng)，空氣由傳感器的止購或者側(cè)面擴散

34、進入傳感器的氧已經(jīng)夠用（兒千ppm）。長時 間娠霍任絕氧的樣氣中盡管心心有氧通路也活死傳感器I作不止常。因此傳感器不宜用樹脂類材 料完全封裝或者整個沉沒在絕氧氣氛中。員動 1）標準操作為了維持傳感器總處于“預(yù)備工作”狀態(tài)，大部分傳感器（兩電極傳感器除外）任不丁作時 敏感電極和參考電極兩端總足短路連接。這在儲存時一定要安裝好，只冇在即將使用時方可収去。 儀器斷電品兩電極應(yīng)重新短路，否則下次再用，傳感器會需耍很長啟動時間?？捎媒Y(jié)型場效應(yīng) 管連接兩電極，可保證電路斷路時兩電極保持短路2）偏壓操作一氧化碳，氯化包、氨和氧化乙烯傳感器沒有這種短路連接。由于這吐傳感器I作電 考電極電位不同而需要偏斥空操作

35、。由于短路會永久損害這些傳感器，因此其儲存時不得短接。當(dāng)將偏進電位施加于噺傳感器時，立即產(chǎn)生一個大的假彖電流，但迅速減小，幾小時 湖便達穩(wěn)定（氨、氧化乙烯和一氧化碳傳感器均需22小時，氯化氫傳悠器需要24小時或者更 長），茶線在以后的三周內(nèi)將緩慢地繼續(xù)進-步穩(wěn)定，之后才達到完全穩(wěn)定不變。需耍再三強調(diào)的是偏壓必耍在所仃時間內(nèi)祁保持著。否則儀器通電湖需寢很長的啟動時間。統(tǒng)在設(shè)訃取樣系統(tǒng)時最盂注迂的是氣流中的活性氣體成分不耍吸附丁系統(tǒng)所用材料的農(nóng)面上。這樣 就會使得氣體成分損欠，濃度降低.直至系統(tǒng)材料吸附飽和為止。象CO、H2和NO這樣一些氣 體不會存在任何吸附的問題，而其它些氣體其吸附問題按下列順

36、序增加：SO2<H2S<NO2<CL2<NH2<HCL<C2H4O<O3降低這一影響的辦法可以是凡與氣樣接觸的表面都用低吸附牲的材料，同時加大氣體流速和 縮短氣路的長度。氛化髙聚物如聚卩4氟乙烯（PTFE）、聚三氟氯乙烯（TFE）、和聚氟乙烯丙烯 氣體吸附性很低可用作氣路材料。316不銹鋼和硅橡膠也可用來代替上述訥料高聚物，但它們?nèi)?能吸附CL2和H2S。聚醋材料除N02外英它氣體都不吸附。-旦發(fā)生了氣體的吸附，當(dāng)用于凈氣體淸洗管路時,它們將會脫附并進入氣流中,這時傳 感器就會檢測到該氣體，比至所仃農(nóng)面陀附完畢為止。所有傳感器都W有合適的過濾器保護，以

37、除去高腐蝕成分和微粒物質(zhì)。本公司人部分傳感 器都在傳感器進氣孔卜.裝有保護膜，著就需要特別小心以以防尚體粒子或者液體進入傳感器。同 時要注意進氣孔不要被遮蔽,以保ill傳感器的止確宵準。最簡單的保護辦法是將一多孔PTFE膜 用“O“形圈結(jié)構(gòu)將其封裝在傳感器前端。還町將一聚內(nèi)烯細網(wǎng)加在PTFE膜1:卩以増強。傳感器上結(jié)肅的情況應(yīng)盡量避免。如果傳感器兩安市出屈露影響的訊號，用-軟紙擦之使 干就可以恢復(fù)正常丁作，但決不可將傳感器ti- 40°C以上進行干燥。注1：采用聚肉烯的傳感器設(shè)訃皿然對氣體的吸附并不嚴重，也確能延長傳感器的使川琲 命。但對NO2、CL2、HCL、03等傳感器讓不建議使

38、用，因其彩響傳感器的性能。注2：過去提供的過濾器用過不銹鋼増強網(wǎng)。這對H2S、S02、N02、CL2、HCL、NH3、 03和C2H4O傳感器足不介適的因為這些氣體會吸附在網(wǎng)上因而彩響傳感器性能.斂隹為了保證最髙的準確度，傳感器效準時所用效準氣的濃度應(yīng)該與傳感器經(jīng)常檢測的濃度范 用相適應(yīng)。如果作到這點有不便，那就選傳感器檢測范1節(jié)|的匕端濃度。超過傳感器檢測濃度范用 的效準氣也不宜用來效準傳感器，因為其不能止確效準。下表列出了傳感器效準時最合適的氣體 濃度和流速，在該條件下傳感器的性能做好，而氣體可能產(chǎn)生的毒害最小。效準時通常只足將傳感器面對看效粧氣很短的時間，因此效準氣中不-定非冇氧不可。

39、從周用空氣中，或咅任冇限時間內(nèi)通過側(cè)而通路能提供足夠的氧雖:。任大多數(shù)悄況下，5分鐘通 氣時間足以死效準訊號達到穩(wěn)宦，但依所川設(shè)備而定，H2S、HCL、CL2、NO2、NH3、O3和C2H4O 由于表而吸附需要較長的通氣時間。氣體氣體濃度皿小流速Carbon monoxide-All sensor types200pm150mls minHydrogen sulphide-4H.4HS,3H.7H20ppm250mls imn3HH.7HH20ppm400mls minSulphur dioxide4S.3STF7STF20ppm400mls min3SH,7SH2ppmlOOOmls/nun

40、Nine oxide4NT20ppir250mls min3NT.7NT20ppm400mls minNitrogen dioxide-4NDlOppm400mls min3NDH,7NDHlOppirlOOOmls/mmChlorine-All sensor typeslOppmlOOOmls/mmHydrogen-3HYT,7HYTlOOppm150inls imn3HYE5000ppm150mls minHydrogen cyanide-All sensor typeslOppm400mls minHydrogen clilonde一All sensor types20ppmlOOOml

41、s/nunAmmoniaAll sensor types25ppm250mls minEthylene oxideAll sensor types20ppmlOOOmls/minOzone®All sinsor types2ppmlOOOmls/min注1： A7E/F島耍個盤零7。在環(huán)境檢測屮以好用200ppmH2/200ppmCO標氣作效準。注2：臭緘效準時用超過所要求的流速還能提高準確度但當(dāng)流速超過L/mm時應(yīng)特別小心，勿 使傳感器受到氣體壓力影響導(dǎo)致標定不準。交珥眈魏在第一部分列出丁一個農(nóng)，其屮列自除標氣以外的其它氣體的交義干擾悄況。農(nóng)屮數(shù)據(jù)是 被試氣體在所給濃度下傳感器的典

42、型響應(yīng)數(shù)據(jù)。被試氣體的濃度通常選擇在其臨界值附近（TLV 水平）。所有數(shù)值都是本公司實驗測定的。依每種氣體在傳感器中反映的特性而定這種影響既可能是降低訊號（負交叉干擾），也可 能増加訊號（止的交叉干擾從安全角度考慮，負的交叉干擾較之止干擾問題要大一些，因為 它將降低冃標氣的響應(yīng)訊號，導(dǎo)致延誤報警。在這種借況下需要同時監(jiān)測兩種氣體.卅使川裝仃內(nèi)巻過濾器的傳感器時，切記過濾材料的對命是冇限的。為環(huán)境檢測設(shè)訃的傳 感器這點非常重耍，不能期望過濾器能除盡濃度超過lOOppm的干擾氣，過濾器也不應(yīng)連續(xù)址露 在這樣的濃度水平下。然而在人部分環(huán)境檢測中這樣高濃度的干擾氣通常很少遇到。當(dāng)傳感器對某一特定的氣體

43、西安“J百交義干擾，但這是否一定影響到測定的準確度，婆看 對準確度的婆求有多臥以干擾'（與H標氣相比氏相對濃度右參人.比如說準確度的嬰求為±10%, 任何共存的氣體如果其濃度高過于產(chǎn)生10%的影響訊號，那么它就應(yīng)該分開來監(jiān)測。舉例如F：一個7SH傳感器用來測定二氣化硫，準確度要求為±10%.這同一個傳感器也會對很小濃度 的1） H2S： 2） NO2產(chǎn)生影響.1）H2S的濃度lppmH2S的交叉干擾山第部分所列衣中可以看到，7SH傳感器對15ppmH2S的響應(yīng)相當(dāng)于20ppm SO2。a） lppm H2S% 1.33ppm SO2這樣、*1 SO2濃度小于13pp

44、m時，H2S的存在將會威脅到SO2檢測的準確度。2） NO2濃度2ppmNO2的交叉干擾從第-部分的衣中査到7SH對5ppmNO2的響應(yīng)相'l J' 6ppm SO2b) 2ppm NO2®-2.4ppm SO2因此當(dāng)S02濃度奇于25ppm時N02不會嚴重影響S02檢測的準確度。雖然該表提供了大致的干擾情況，但對任何一個特定的傳感器而言悄況可能是有差別的， 傳感器性能隨環(huán)境條件的變化也可能是不一樣的。任何批次之間的差別也常常觀察到.注：冇關(guān)交叉干擾的數(shù)據(jù)冇-完整的列表見附錄6該數(shù)據(jù)表示為lOOppm n標氣在傳感器 中的反應(yīng)以及與之相當(dāng)?shù)母蓴_氣的ppm數(shù)，這樣就提供

45、了一個干擾氣的百分靈敏度。除3AM和7AM以外，所仃其它傳感器均對NH3、CH4或CO2無響應(yīng)。在所有干擾數(shù)據(jù)中一般人為干擾氣濃度其臨界值水平以內(nèi)均呈線性響應(yīng)。內(nèi)崖過慮彊某吐傳感器的設(shè)計中,加了一個內(nèi)置的化學(xué)過濾器，用以消除氣樣中存在的一些其它氣體的交叉 干擾。每一個過濾器祁設(shè)訃使樣氣中的某些氣體在其到達敏感電極Z詢將其除去，這樣一來就消 除了某些特定氣體的交叉干擾。由于這些內(nèi)置過濾器裝進了傳感器內(nèi)部，I大I此裝有內(nèi)置過濾器的傳感器并不改變其外形尺 寸。A3E/F有不一樣，該傳感器増加了過濾容就，一次環(huán)境毛細管有一隆起的區(qū)域。下列側(cè)戶裝冇內(nèi)置過濾器：1、CO一-4CF 型，7ET, 2E.T

46、和 3ET, A7EF 型。過濾材料能除去CO以外的其它微就環(huán)境氣體.2、COA3EF 型過濾材料能除去高濃度的酸性氣體，如SO2、NO和NO2。3、SO24S 型、7ST/F 和 3ST/F 性過濾材料能除去臨界值（8小時時間加權(quán)平均值）水平的H2S的交叉干擾。4、H2一-7HYT 型和 3HYT 型過濾材料能除去微量CO的交叉干擾。過濾材料的殍命是仃限的，但采川足夠的過濾材料在止常采樣操作屮可以支持傳感器至其 壽命終了。例如：在3ST/F和7ST/F傳感器中，所用過濾材料是設(shè)計供羌去濃度在臨界值附近的干擾氣的。在該傳 悠器中，過濾器券命將超過傳感器的I作春命。但如果將過濾器連續(xù)缺露在高濃度

47、OlOOppm） 的交叉干擾氣氛里，過濾材料還是橫容易耗盡的。壓力影響傳感器在進行氣體檢測時如果遇到一個突然的斥力變化，將產(chǎn)牛一個瞬間的響應(yīng)。所產(chǎn)生的 峰值訊號只要兒秒鐘就恢復(fù)原值。在有取樣泵的悄況卜這町能會成為一個特殊的問題，因為取樣 泵常常會使氣流產(chǎn)生床力波動。這種壓力波動可以避免，只要傳感器在氣路中裝置任接近大氣的-端。在3性系列傳感器中 特別設(shè)計了一個吸氣固定裝置，H的也任于此?；蛘咴趥鞲衅鞯纳嫌闻弦粴饬飨拗醚b置也能消 除這一壓力波動影響。另i方面?zhèn)鞲衅鞑酚蔚姆磯何鹗蛊浣咏麱零，以死氣流不受限制地排放至周陽人氣中。但是 必須注意防止周岀人氣屮相反擴散，以免稀釋了樣氣流導(dǎo)致所測氣體的濃

48、度降低。相反擴散町接 上根4mm內(nèi)往8mm長的排氣省;來防止。溫竝呃跨度訊號和基線（零z（電流）都受溫度的影響。a）跨度傳感器的輸出會因溫度的改變而有輕微的變化.所列緯度系數(shù)圖表示傳感器的輸出是如何隨 溫度的逐漸變化而改變的。該圖取一合適的檢測氣體以20°C時的效準柞作為100%,并西安市跨 度輸出隨溫度的典世變化關(guān)系。在大多數(shù)情況下,該曲線取口 16和傳感器樣品。根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律,大部分該類型傳感器的行 為都落任+3倍和3倍林準偏亞的范IH內(nèi)。圖8 典型的溫度數(shù)據(jù)曲線注：溫度的快速改變會出現(xiàn)一瞬間的響應(yīng)，2030秒內(nèi)即行消失，然后就在曲線數(shù)據(jù)標木的新的 水平上達到穩(wěn)定.b）基線基線訊號隨溫度的變化呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。大體上溫度毎増加10&#