FuseTrick •
Вики •
Электрохимическая технология измерения

Вики

База знаний по вашим технологиям

Любой процесс начинается с теоретических знаний.

contact us header particles abstract image

Электрохимический сенсор это одна из наиболее старых технологий, которые используются на данный момент на рынке, однако она является наиболее точной. Так, например производителями заявляется погрешность при измерении растворенного кислорода в жидкостных фазах <0.1 ppb* и кислорода в газовой фазе 0.5 ppmV*.

Описание технологии измерения

Измерение электрохимического сенсор основано на методе окислительно-восстановительных реакциях, происходящих на границе раздела измерительного электрода и целевого вещества, кислорода, озона, водорода и т.д. Принцип работы можно разделить на 4 основные пункта:

1. Электроды: Электрохимические датчики кислорода обычно состоят из двух электродов - анода и катода, погруженных в электролит. Анод обычно изготавливается из материала, который легко окисляется, а катод - из материала, который легко восстанавливается.

2. Окислительно-восстановительные реакции: Молекулы кислорода в образце вступают в окислительно-восстановительную реакцию на поверхности электродов. На катоде молекулы кислорода приобретают электроны и восстанавливаются, а на аноде восстановленный кислород окисляется до молекул кислорода.

3. Поток электронов: поскольку в ходе этих реакций расходуется и образуется кислород, между анодом и катодом протекает электрический ток. Величина этого тока пропорциональна концентрации кислорода в образце.

4. Измерения: Величина электрического тока измеряется и используется для расчета концентрации кислорода в образце с помощью калибровочных кривых или установленных уравнений.

EC Сенсор с мембраной

Лиланд Кларк разработал первый пузырьковый оксигенатор для использования в кардиохирургии. Однако, когда он пришел опубликовать свои результаты, редактор отклонил его статью, поскольку невозможно было измерить концентрацию кислорода в крови, выходящей из устройства. Это побудило Кларка разработать кислородный электрод.

Механизм действия ячейки Кларка

Отсек электродов изолирован от измерительной камеры тонкой тефлоновой мембраной; мембрана проницаема для молекулярного кислорода и позволяет этому газу достигать катода, где он электролитически восстанавливается.

Вышеупомянутая реакция требует постоянного потока электронов на катод, который зависит от скорости, с которой кислород может достичь поверхности электрода. Увеличение приложенного напряжения (между Pt-электродом и вторым Ag-электродом) увеличивает скорость электрокатализа. Кларк прикрепил мембрану для отбора кислорода поверх платинового электрода. Это ограничивает скорость диффузии кислорода к Pt электроду.

Выше определенного напряжения плато тока и дальнейшее увеличение потенциала не приводят к более высокой скорости электрокатализа реакции. На этом этапе реакция ограничена диффузией и зависит только от проницаемости мембраны и от концентрации газообразного кислорода, которая является измеряемой величиной.

На данный момент в аналитическом оборудовании в большинстве случаев используются сенсоры на основе ячейки Кларка.

Калибровка на воздухе

Для проведения калибровки обслуженный сенсор подключается к преобразователю и запускается соответсвующий режим.

Как было описано в статье выше выходной величиной элкетрохимического сенсора является ток (ток мембраны).

Калибровка ЕС сенсора заключается в расчете калибровочного коэффициента, который выражает зависимость тока мембраны от атмосферного давления. Таким образом упрощенно данную зависимость можно представить как:

Где P_atm – это атмосферное давление

I_mcal – Ток мембраны в момент калибровки

O_2AIR – общепринятая концентрацию О₂ в воздухе– 20,946%

Таким образом измеряя ток мембраны сенсор определяет парциальное давление измеримого газа.

Калибровка по известной концентрации

Проведение данного типа калибровки может использоваться на ровне с калибровкой по воздуху, однако имеет особенность: требуется измеряемая жидкость или газ с известной концентрацией.

Проведение данного типа калибровки может применяться в таких случаях:

- Нет возможности провести калибровку по воздуху

- Требуется более точная калибровка в определённом диапазоне

Алгоритм проведения калибровки полностью идентичен за исключением того, что за концентрацию кислорода в воздухе применятся введённая с прибора известная концентрация.

Приведение к газовым единицам [% (ppmV)]

Дальнейший пересчет в газовые единицы (% - ppm) основан на методе калибровки. Исходя из приведенной выше формулы:

Где

C_Coef– Калибровочный коэффициент

I_meas – Ток мембраны в момент измерения

P_Proc – Давление процесса

Приведение к жидкостным единицам [ppm (ppb)]

Пересчет концентрации растворенного газа ведется согласно закону Генри:

Где

k_Hen – Коэффициент растворимости Генри

P_par – Парциальное давление газа

C_Coef – Калибровочный коэффициент

I_meas – Ток мембраны в момент измерения

Для преобразования концентрации газа из моль/литр в миллиграмм/литр необходимо знать молекулярную массу (молярную массу) данного газа. Молекулярная масса измеряется в г/моль (грамм на моль).

Используем формулу для преобразования концентрации из моль/литр в миллиграмм/литр:

Для перевода в ppm и ppb принимается равенство что mg/l ≅ ppb

Этот тип сенсоров доказал свою эффективность за многие годы использования и считается надежным и простым в использовании решением. Он широко применяется в критически важных областях, таких как:

- Определение содержания кислорода в контурах охлаждения электростанций, включая атомные электростанции (АЭС).

- Измерение кислорода в углекислоте (особенно актуально в пищевой промышленности).

- Определение концентрации растворенного озона в воде на установках по озонированию (озон, будучи мощным окислителем, применяется для обеззараживания питьевой воды).

А также множество других применений, где требуется прецизионное измерение кислорода, озона и водорода.