Senzori electrochimici

  • View
    104

  • Download
    7

Embed Size (px)

Text of Senzori electrochimici

SENZORI ELECTROCHIMCIISTORIC Cei mai vechi senzori electrochimici dateaz nc din anii 1950 i au fost utilizai pentru monitorizarea oxigenului. Mai recent, din momentul n care OSHA (Occupational Safety and Helath Administration) a nceput s cear monitorizarea gazelor toxice i combustibile n aplicaiile din spaii nchise, au nceput s se dezvolte senzori noi mult mai performai. Pe la mijlocul anilor 1980, au aprut o serie de senzori electrochimici miniaturali utilizai pentru detectarea multor gaze toxice n gama PEL, cu senzori care prezint o bun densibilitate i selectivitate. n prezent, o mare varietate de senzori electrochimici sunt utilizai n multe aplicaii de laborator sau portabile. Dimensiunea fizic, geometria, selectarea diferitelor componente i construcia unui sensor electrochimic deobicei depinde de utilizarea ulterioar. n fapt, aspectul senzorilor electrochimici utilizai n determinarea diferitelor gaze poate fi similar dar funciile acestora s fie puternic diferite. De exemplu, un sensor pentru determinarea concentraiilor sczute de gas cu o sensibilitate foarte mare utilizeaz o membran hidrofobic cu porozitate mare i capilaritate mai puin restrictiv pentru a permite trecerea unui numr mai mare de molecule pentru a produce un semnal mai puternic pentru o sensibiliate mai bun.Astfel, un sensor electrochimic cu sensibilitate mai mare va avea un timp de via releativ mai scurt datorit pierderii umiditii prin membrane poroas. n mod similar, compoziia electrolitului i materialul folosit pentru electrod sunt selectate pe baza reactivitii chimice a gazului de msurat. Prin selectarea atent a electrolitului i/sau a electrodului, se poate obine o selecie adecvat pentru gazul de msurat dar sensibilitatea de msurare poate fi redus. Prin urmare, senzori electrochimici diferii pot s fie foarte asemntori dar s fe construii din materiale diferite precum electrodul, compoziia electrolitului i porozitatea barierelor hidrofobe. n plus, o serie de senzori electrochimici utilizeaz energie electric extern pentru ai face s reacioneze cu gazul de msurat. Toate componentele senzorului joac un rol foarte mare n determinarea tuturor caracteristicilor senzorului. PRINCIPIUL DE FUNCIONARE La baza senzorilor electrochimici st utilizarea unei membrane poroase (n mod obinuit PTFE) sau un sistem capilar care permite gazelor s difuzeze ntr-o celul care conine electrolit sub form de gel sau lichid i eletrozii. (fig. nr.1). Configurarea exact variaz n funcie de productor i de elementul msurat. Atunci cnd gazul vine n contact cu electrolitul, se produce o schimbare de potenial ntre electrozi. Circuitul electronic asociat va msura, amplifica i controla semnalul electronic. Deoarece reacia este proporional cu concentraia gazului present (presiune parial), semnalul este uor trades n pri pe million, procent sau ppm/h i citit pe display sau stocat n circuitele microprocesorului pentru o citire ulterioar.

Fig. nr.1 Un sensor electrochimic tipic este alctuit dintr-un electrod de msurare (working electrod) i un electrod invers (counter electrod) separate de un strat subitre de electrolit. Gazul care vine n contact cu senzorul trece mai nti printr-o mic deschidere de tip capilar i apoi difuzez printr-o barier hidrofob, i n cele din urm atinge suprafaa electrodului. Aceast cale este urmat pentru a permite unei cantiti adecvate de gaz pentru a reaciona cu electrodul de msurare pentru a produce un semnal electrectil suficient. Gazul care difuzeaz prin bariera reacioneaz la suprafa electrodului de msurare implicnd fie un mecanism de oxidare fie de reducere. Aceste reacii sunt catalizate de materialele electrodului dezvoltate special pentru gazul de msurat. Avnd o rezisten conectat de-a lungul electrodului, un curent proporional cu concentraia gazului trece ntre anod i catod. Curentul este msurat pentru a determina concetraia de gaz. Deoarece n acest proces de msurare este generat un curent, senzorul electrochimic este adesea descris ca un senzor de gaz amperometric sau ca o microcelul. Importana electrodului de referin Pentru un senzor care necesit o surs de tensiune extern este important s aib un potenial constant i stabil la electrodul senzorului. n realitate, potenialul senszorului de msurare nu rmne constatant datorit reaciei electrochimice continue care are loc la suprafaa electrodului. Aceasta determin deteriorarea performanei senzorului peste o perioad de timp. Pentru a mbunti performana senzorului se introduce un electrod de referin. Acest electrod este poziionat Componentele principale ale senzorului Un senzor electrochimic const din urmtoarele componente: A. Membran permeabil pentru gaze (membran hidrofob) Aceasta este utilizat pentru a acoperi electrodul de msurare al senzorului, i n unele cazuri, pentru a controla cantitatea de molecule de gaz care ajung la suprafaa electrodului. Aceste bariere sunt fcute din membrane de Teflon subiri , cu porozitate mic.Astfel de senzori sunt denumii senzori cu membran. n alte cazuri, electrodul de msurare este acoperit cu membran de teflon de mare porozitate iar cantiatea de moleculele de gaz care ating suprafaa electrodului este controlat printr-un capilar. Astfel de senzori sunt denumii senzori tip capilar. n afar de a oferi o protecie mecanic senzorului, membrana ndepilnete o funcie suplimentar de filtrare a particulelor nedorite. Selectarea atent a dimensiunii corecte a porilor membranei i a capilaritii este necesar pentru a realiza transferul unei cantiti adecvate de molecule de gaz. Dimensiunea porilor trebuie aleas astfel nct s permit unei cantiti

suficiente de molecule de gaz s ating electrodul de msurare. Dimensiunea porilor trebuie, deasemenea, s previn scurgerea electrolitului lichid sau uscarea prea rapid a senzorului. B. Electrodul Alegerea materialului pentru constiuirea electrodului este foarte important. Este un material catalizator, n mod obinuit electrodul este constiuit dintr-un metal nobil precum ar fi platin sau aur i cu rol de catalizator pentru o reacie efectiv cu moleculele de gaz. n funcie de design-ul senzorului toi electrozii pot fi constituii din diferite materiale pentru a completa reac ia celulei. C. Electrolitul Electrolitul are rolul de a nlesni reacia celulei i de a transporta eficient ncrcarea ionic n cadrul electrodului. Deasemenea, trebuie sa formeze un potenial de referin stabil cu electrodul de referin i s fie compatibil cu materialele din care este alctuit senzorul. Dac electrolitul se evapor prea repede semnalul senzorului va fi deteriorat. D. Filtru Uneori, este instalat un filtru scrubber n faa senzorului pentru a filtra gazele nedorite. Exist un numr redus de filtre, fiecare cu grad diferit de eficien. Cel mai des utilizat filtru este crbunele activ, acesta ndeprteaz majoritatea substanelor chimice cu excepia monoxidului de carbon i a hidrogenului gaz. Prin selectarea adecvat a filtrului, senzorul electrochimic senzorul poate avea o selectivitate mare pentru gazul de msurat. Importana oxigenului n msurarea cu senzori Reaciile care au loc la anod pentru o serie de gaze sunt urmtoarele: CO + H2O = CO2 + 2H+ + 2 eH2S + 4 H2O = H2SO4 + 8eNO + 2 H2O = HNO3 + 3H+ + 3 eH2 = 2H+ + 2 e2HCN + Au = HAu(CN)2 +H+ + eSimultan, reaciile la catod necesit oxigen molecurar pentru a completa procesul: O2 + 4H+ + 4 e- = 2 H2O O cantitate insuficient de oxigen asigurat pentru a completa reacia va scurta timpul de via al senzorului, acesta nefuncionnd adecvat. Senzorii care implic reacii de reducere ale gazului de msurat - precum reducerea dioxidului de azot, clorului i ozonului - la catod se formeaz ap ca produs secundar. n acelai timp, la anod apa este oxidat. Astfel de senzori nu necesit prezena oxigenului pentru a funciona adecvat, dup cum arat reaciile de mai jos: NO2 + 2H+ + 2 e- = NO + H2O Cl2 +2H+ + 2 e- = 2HCl O3 + 2H+ + 2 e- = O2 + H2O Caracteristici

Sunt multe moduri n care sunt fabricai senzorii electrochimici, depinznd aatt de gazul care trebuie detectat ct i de productro. Totui caracteristicile principale ale senzorilor sunt foarte asemntoare, precum: 1. n cazul unui senzor cu trei electrozi exist n mod normal un element de fixare care conecteaz electrodul de msurare i pe cel de referin. Dac este ndeprtat n timpul depozitrii, va fi necesar un timp mai lung pentru ca senzorul s se stabilizeze i s fie gata de utilizare. Unii senzori necesit o tensiune de polarizare ntre electrozi, i n astfel de cazuri, senzorii sunt livrai cu un circuit electronic alimentat de o baterie de 9 voli.Sunt necesare 15 minute pna la 24 de ore ca senzorul s se stabilizeze i va continua s se stabilizeze timp de 3 sptmni. La instalarea ntr-un instrument portabil sau staionar, senzorul nu poate fi ndeprtat de la sursa de alimentar pentru o perioad lung de timp. Circuitele instrumentelor portabile asigur un o cantiate mic de curent necesar pentru a menine senzorul n stare gata de utilizare chiar dac instrumentul este orpit. Senzorii cu 2 electrozi nu necesit tensiune de polarizare (ex. : senzorul de oxigen). 2. Cea mai mare parte a senzorilor pentru gaze toxice necesit o mic cantitate de oxigen pentru a funciona adecvat. n acest scop pe partea lateral sau n spatele senzorului exist o gur de ventilare. 3. Electrolitul din celula senzorului este o soluie apoas separat de o barier hidrofob care nu va permite soluiei s se scurg. Totui, vapori de ap pot trece prin aceasta la fel cum pot trece i alte molecule de gaz. n condiii de mare umiditate, expunerea ndelungat poate determina acumularea excesiv de ap i poate crea scurgeri pe cnd atmosfera cu umiditate sczut poate determi na uscarea senzorului.

SENZORI ELECTROCHIMICI PENTRU MONITORIZAREA DE MEDIU Senzorii electrochimici reprezint o subclas important de senzori chimici n care un electrod este utilizat ca element de traducere i sunt foarte indicai n monitorizarea de mediu deoarece ntrunesc cerinele de mrime, cost, putere i spaiu redus cerut de monitorizarea in-situ. Tabelul nr.1 relev aplicaii specifice i detalii cantitative p