Сенсоры электрохимические

В электрохимических сенсорах чувствительным является электрохимический элемент       (ячейка). Первичные информационные сигналы об исследуемом явлении или объекте, возникают в виде изменения свойств этого элемента: разности потенциалов или электропроводности, электрического тока или вольтамперной характеристики, динамики их изменения. Физическая форма информационного сигнала и положена в основу классификации. В соответствии с этим электрохимические сенсоры разделяют на кондуктометрические, потенциометрические, амперометрические, вольтамперометрические и хроноамперометрические.

      Кондуктометрические электрохимические сенсоры представляют собой устройства, в которых первичные информационные сигналы возникают в виде изменения электропроводности электрохимического элемента; их обобщением являются импедансные сенсоры. В импедансных сенсорах которых изменяются не только электропроводность, но и электрическая емкость элемента;

 

     В потенциометрических электрохимических сенсорахпервичные информационные сигналы возникают в виде изменения электрических потенциалов.

 

      Амперометрические электрохимические сенсоры представляют собой устройства, в которых первичные информационные сигналы возникают в виде изменения электрического тока через электрохимический элемент при заданном значении напряжения; вариантом их являются кулонометрические сенсоры, в которых измеряется не ток, а электрический заряд, прошедший через сенсор в течение заданного промежутка времени.

      Электрохимические сенсоры, в которых информацию получают, измеряя и анализируя вольтамперную характеристику электрохимического элемента и соответственно динамику изменения тока, называют вольтамперометрические и хроноамперометрические электрохимических сенсоры.

       По изменению концентрации ионов электрохимические сенсоры  могут обнаруживать присутствие и определять концентрацию в контролируемой среде также ряда нейтральных молекул. Так, например, "газочувствительные электроды "имеют непроницаемую для электролита, но проницаемую для молекул контролируемых газов мембрану. Молекулы газа, проникая в электролит сквозь мембрану, сдвигают динамическое равновесие, вследствие чего изменяется разность потенциалов между электродами, вызывая возникновение электрического тока в цепи.

В газоанализаторах АО «Оптэк» используются амперометрические сенсоры на основные загрязняющие компоненты воздуха, такие как CO, NO, NO₂, SO₂, H₂S, Cl₂, NH₃.

Простейший газовый электрохимический сенсор состоит из двух электродов – чувствительного электрода и противоэлектрода. Электроды помещены в пластиковый корпус, снабженный выводными контактами и калиброванным капиллярным отверстием для входа анализируемого газа.  В качестве электролита – переносчика ионов между электродами, – часто используется концентрированная серная кислота (в других сенсорах используется органический электролит).

Например, в сенсоре на угарный газ СО протекают следующие электрохимические реакции:

Чувствительный электрод:  CO + H₂O -> CO₂ + 2H⁺ + 2e^-

Противоэлектрод:                ½O₂ + 2H⁺ + 2e^- -> H₂O

Суммарная реакция:            CO + ½O₂ -> CO₂

     Важным элементом газового электрохимического сенсора является калиброванное входное отверстие закрытое мембраной, ограничивающее поток газа внутрь сенсора к чувствительному электроду, играющей роль диффузионного барьера.   Благодаря использованию диффузионного барьера все молекулы измеряемого вещества количественно вступают в электрохимическую реакцию на чувствительном электроде и, таким образом, позволяют использовать прямую линейную зависимость тока от концентрации измеряемого компонента.

     Дальнейшее развитие конструкции электрохимических сенсоров выражается в использовании дополнительных электродов: электрода сравнения и вспомогательного электрода.  Установка стабильного потенциала на электроде сравнения позволяет избежать эффекта поляризации противоэлектрода в зависимости от концентрации ионов. Это достигается благодаря поддержанию  постоянной разности потенциалов между чувствительным электродом и электродом сравнения.  Вспомогательный электрод позволяет избежать влияния мешающих компонентов на результат измерения (например, при измерении угарного газа CO в присутствии водорода H₂).  Сигнал от вспомогательного электрода, чувствительного только к водороду,  вычитается из полезного сигнала.

     Широкое использование электрохимических сенсоров в газоанализаторах обусловлено простотой их обслуживания, ценой и широким спектром измеряемых компонентов.  Однако для некоторых электрохимических сенсоров недостатком является их неполная селективность к измеряемому компоненту, что вынуждает производителей газоанализаторов использовать фильтры на мешающие компоненты, использовать «матрицы» из нескольких сенсоров для учета перекрёстного влияния.