Ф'юзтрик •
Вiкi •
Електрохімічна технологія вимірювання

Вікі

База знань за вашими технологіями

Будь-який процес починається з теоретичних знань.

contact us header particles abstract image

Електрохімічний сенсор - це одна з найстаріших технологій, що використовуються на даний момент на ринку, проте вона є найбільш точною. Так, наприклад виробники заявляють похибку під час вимірювання розчиненого кисню в рідинних фазах <0.1 ppb* і кисню в газовій фазі 0.5 ppmV*.

Опис технології вимірювання

Вимірювання електрохімічного сенсора ґрунтується на методі окислювально-відновних реакцій, що відбуваються на межі розділу вимірювального електрода і цільової речовини, кисню, озону, водню тощо. Принцип роботи можна розділити на 4 основні пункти:

1. Електроди: Електрохімічні датчики кисню зазвичай складаються з двох електродів - анода і катода, занурених в електроліт. Анод зазвичай виготовляється з матеріалу, який легко окислюється, а катод - з матеріалу, який легко відновлюється.

2. Окисно-відновні реакції: Молекули кисню в зразку вступають в окислювально-відновну реакцію на поверхні електродів. На катоді молекули кисню набувають електронів і відновлюються, а на аноді відновлений кисень окислюється до молекул кисню.

3. Потік електронів: оскільки під час цих реакцій витрачається і утворюється кисень, між анодом і катодом протікає електричний струм. Величина цього струму пропорційна концентрації кисню в зразку.

4 Вимірювання: Величина електричного струму вимірюється і використовується для розрахунку концентрації кисню в зразку за допомогою калібрувальних кривих або встановлених рівнянь.

EC Сенсор із мембраною.

Ліланд Кларк розробив перший бульбашковий оксигенатор для використання в кардіохірургії. Однак, коли він прийшов опублікувати свої результати, редактор відхилив його статтю, оскільки неможливо було виміряти концентрацію кисню в крові, що виходить із пристрою. Це спонукало Кларка розробити кисневий електрод.

Механізм дії комірки Кларка

Відсік електродів ізольований від вимірювальної камери тонкою тефлоновою мембраною; мембрана проникна для молекулярного кисню і дозволяє цьому газу досягати катода, де він електролітично відновлюється.

Вищезазначена реакція вимагає постійного потоку електронів на катод, який залежить від швидкості, з якою кисень може досягти поверхні електрода. Збільшення прикладеної напруги (між Pt-електродом і другим Ag-електродом) збільшує швидкість електрокаталізу. Кларк прикріпив мембрану для відбору кисню поверх платинового електрода. Це обмежує швидкість дифузії кисню до Pt електрода.

Вище певної напруги плато струму і подальше збільшення потенціалу не призводять до більш високої швидкості електрокаталізу реакції. На цьому етапі реакція обмежена дифузією і залежить тільки від проникності мембрани і від концентрації газоподібного кисню, яка є вимірюваною величиною.

Наразі в аналітичному обладнанні в більшості випадків використовують сенсори на основі комірки Кларка.

Калібрування на повітрі.

Для проведення калібрування обслужений сенсор під'єднують до перетворювача і запускають відповідний режим.

Як було описано в статті вище вихідною величиною елкетрохімічного сенсора є струм (струм мембрани).

Калібрування ЕС сенсора полягає в розрахунку калібрувального коефіцієнта, який виражає залежність струму мембрани від атмосферного тиску. Таким чином спрощено цю залежність можна представити як:

Де P_atm –це атмосферний тиск

I_mcal – Струм мембрани в момент калібрування

O_2AIR – загальноприйнята концентрацію О2 у повітрі - 20,946%.

Таким чином вимірюючи струм мембрани сенсор визначає парціальний тиск вимірюваного газу.

Калібрування за відомою концентрацією.

Проведення цього типу калібрування може використовуватися на рівні з калібруванням за повітрям, однак має особливість: потрібна вимірювана рідина або газ з відомою концентрацією.

Проведення цього типу калібрування може застосовуватися в таких випадках:

- Немає можливості провести калібрування по повітрю

- Потрібно більш точне калібрування в певному діапазоні

Алгоритм проведення калібрування повністю ідентичний за винятком того, що за концентрацію кисню в повітрі застосовують введену з приладу відому концентрацію.

Приведення до газових одиниць [% (ppmV)].

Подальший перерахунок у газові одиниці (% - ppm) заснований на методі калібрування. Виходячи з наведеної вище формули:

Де

C_Coef–Калібрувальний коефіцієнт

I_meas – Струм мембрани в момент вимірювання

P_Proc – Тиск процесу

Приведення до рідинних одиниць [ppm (ppb)]

Перерахунок концентрації розчиненого газу ведеться згідно із законом Генрі:

Де,

k_Hen – Коефіцієнт розчинності Генрі

P_par – Парціальний тиск газу

C_Coef – Калібрувальний коефіцієнт

I_meas – Струм мембрани в момент вимірювання

Для перетворення концентрації газу з моль/літр у міліграм/літр необхідно знати молекулярну масу (молярну масу) цього газу. Молекулярна маса вимірюється в г/моль (грам на моль).

Використовуємо формулу для перетворення концентрації з моль/літр у міліграм/літр:

Для переведення в ppm і ppb приймається рівність що mg/l ≅ ppb

Цей тип сенсорів довів свою ефективність за багато років використання і вважається надійним і простим у використанні рішенням. Він широко застосовується в критично важливих галузях, таких як:

- Визначення вмісту кисню в контурах охолодження електростанцій, включно з атомними електростанціями (АЕС).

- Вимірювання кисню у вуглекислоті (особливо актуально в харчовій промисловості).

- Визначення концентрації розчиненого озону у воді на установках з озонування (озон, будучи потужним окислювачем, застосовується для знезараження питної води).

А також безліч інших застосувань, де потрібне прецизійне вимірювання кисню, озону і водню.