Senzori Electrochimici

SENZORI ELECTROCHIMCI

ISTORIC

Cei mai vechi senzori electrochimici datează încă din anii 1950 şi au fost utilizaţi pentru monitorizarea oxigenului. Mai recent, din momentul în care OSHA (Occupational Safety and Helath Administration) a început să ceară monitorizarea gazelor toxice şi combustibile în aplicaţiile din spaţii închise, au început să se dezvolte senzori noi mult mai performaţi.

Pe la mijlocul anilor 1980, au apărut o serie de senzori electrochimici miniaturali utilizaţi pentru detectarea multor gaze toxice în gama PEL, cu senzori care prezintă o bună densibilitate şi selectivitate. În prezent, o mare varietate de senzori electrochimici sunt utilizaţi în multe aplicaţii de laborator sau portabile.

Dimensiunea fizică, geometria, selectarea diferitelor componente şi construcţia unui sensor electrochimic deobicei depinde de utilizarea ulterioară. În fapt, aspectul senzorilor electrochimici utilizaţi în determinarea diferitelor gaze poate fi similar dar funcţiile acestora să fie puternic diferite. De exemplu, un sensor pentru determinarea concentraţiilor scăzute de gas cu o sensibilitate foarte mare utilizează o membrană hidrofobică cu porozitate mare şi capilaritate mai puţin restrictivă pentru a permite trecerea unui număr mai mare de molecule pentru a produce un semnal mai puternic pentru o sensibiliate mai bună.Astfel, un sensor electrochimic cu sensibilitate mai mare va avea un timp de viaţă releativ mai scurt datorită pierderii umidităţii prin membrane poroasă. În mod similar, compoziţia electrolitului şi materialul folosit pentru electrod sunt selectate pe baza reactivităţii chimice a gazului de măsurat. Prin selectarea atentă a electrolitului şi/sau a electrodului, se poate obţine o selecţie adecvată pentru gazul de măsurat dar sensibilitatea de măsurare poate fi redusă.

Prin urmare, senzori electrochimici diferiţi pot să fie foarte asemănători dar să fe construiţi din materiale diferite precum electrodul, compoziţia electrolitului şi porozitatea barierelor hidrofobe. În plus, o serie de senzori electrochimici utilizează energie electrică externă pentru ai face să reacţioneze cu gazul de măsurat. Toate componentele senzorului joacă un rol foarte mare în determinarea tuturor caracteristicilor senzorului.

PRINCIPIUL DE FUNCŢIONARE

La baza senzorilor electrochimici stă utilizarea unei membrane poroase (în mod obişnuit PTFE) sau un sistem capilar care permite gazelor să difuzeze într-o celulă care conţine electrolit sub formă de gel sau lichid şi eletrozii. (fig. nr.1). Configurarea exactă variază în funcţie de producător şi de elementul măsurat. Atunci când gazul vine în contact cu electrolitul, se produce o schimbare de potenţial între electrozi. Circuitul electronic asociat va măsura, amplifica şi controla semnalul electronic. Deoarece reacţia este proporţională cu concentraţia gazului present (presiune parţială), semnalul este uşor trades în părţi pe million, procent sau ppm/h şi citit pe display sau stocat în circuitele microprocesorului pentru o citire ulterioară.

Fig. nr.1

Un sensor electrochimic tipic este alcătuit dintr-un electrod de măsurare (working electrod) şi un electrod invers (counter electrod) separate de un strat subţitre de electrolit. Gazul care vine în contact cu senzorul trece mai întâi printr-o mică deschidere de tip capilar şi apoi difuzeză printr-o barieră hidrofobă, şi în cele din urmă atinge suprafaţa electrodului. Această cale este urmată pentru a permite unei cantităţi adecvate de gaz pentru a reacţiona cu electrodul de măsurare pentru a produce un semnal electrectil suficient. Gazul care difuzează prin bariera reacţionează la suprafaţă electrodului de măsurare implicând fie un mecanism de oxidare fie de reducere. Aceste reacţii sunt catalizate de materialele electrodului dezvoltate special pentru gazul de măsurat. Având o rezistenţă conectată de-a lungul electrodului, un curent proporţional cu concentraţia gazului trece între anod şi catod. Curentul este măsurat pentru a determina concetraţia de gaz. Deoarece în acest proces de măsurare este generat un curent, senzorul electrochimic este adesea descris ca un senzor de gaz amperometric sau ca o microcelulă.

Importanţa electrodului de referinţă

Pentru un senzor care necesită o sursă de tensiune externă este important să aibă un potenţial constant şi stabil la electrodul senzorului. În realitate, potenţialul senszorului de măsurare nu rămâne constatant datorită reacţiei electrochimice continue care are loc la suprafaţa electrodului. Aceasta determină deteriorarea performanţei senzorului peste o perioadă de timp. Pentru a îmbunătăţi performanţa senzorului se introduce un electrod de referinţă.

Acest electrod este poziţionat

Componentele principale ale senzorului

Un senzor electrochimic constă din următoarele componente:

A. Membrană permeabilă pentru gaze (membrană hidrofobă)

Aceasta este utilizată pentru a acoperi electrodul de măsurare al senzorului, şi în unele cazuri, pentru a controla cantitatea de molecule de gaz care ajung la suprafaţa electrodului. Aceste bariere sunt făcute din membrane de Teflon subţiri , cu porozitate mică.Astfel de senzori sunt denumiţi senzori cu membrană.

În alte cazuri, electrodul de măsurare este acoperit cu membrană de teflon de mare porozitate iar cantiatea de moleculele de gaz care ating suprafaţa electrodului este controlată printr-un capilar. Astfel de senzori sunt denumiţi senzori tip capilar.

În afară de a oferi o protecţie mecanică senzorului, membrana îndepilneşte o funcţie suplimentară de filtrare a particulelor nedorite. Selectarea atentă a dimensiunii corecte a porilor membranei şi a capilarităţii este necesară pentru a realiza transferul unei cantităţi adecvate de molecule de gaz. Dimensiunea porilor trebuie aleasă astfel încât să permită unei cantităţi suficiente de molecule de gaz să atingă electrodul de măsurare. Dimensiunea porilor trebuie, deasemenea, să prevină scurgerea electrolitului lichid sau uscarea prea rapidă a senzorului.