电化学气体传感器原理及在烟气监测中的应用

 1 前言
烟气分析仪是对锅炉烟道有害气体如SO2、CO2、NO2、CO 等以及烟气中氧含量进行检 测的仪器。常用于燃煤锅炉、燃 油锅炉烟道 排 放气 及污染源附近的环境监测。气体传感器是烟气分析仪的核心部 件，常用气体传感 器多为电化学传感 器。电化学气体传感器性能比较稳定，寿命较长，对气体响应快，不受湿度的影响，分辨率一般高达0.1μ mol/mol。其温度 适应性较宽（可以在-40~50℃间工作），很多仪器都有软硬件的温度补偿处理。同时电化学式传感器又具有体积小、操作简单、携带方便、可用于现场监测及成本低等优点。所以，在目前各类气体检测设备中，电化学气体传感器占有很重要的地位。

2 电化学传感器原理及结构
按照检测原理的不同，电化学气体传感 器主要分为催化燃烧式传感器、定电位电解式传感器、迦伐尼电池式氧气传感器、红外式传感器、PI D 光离子传感器等。目前烟气分析仪中使用较多的是定电位电解式传感器、迦伐尼电池式氧气传感器。
   
2.1 定电位电解式传感 器的工作原理
使电解池电解质溶液的界面保持一定电位进行电解，通过调整其设定电位，有选择地使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。
   
2.2 定电位电解式传感 器的结构
在一个塑料制成的筒 状池体以内安装感应电极、计数电极和参比电极，在电极之间充满电解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜在顶部封装。前置放大器与传感器电极连接，在电极之间施加一定的电位，使传感器处于工作状态。气体在电解质内的工作电极发生氧化或还原反应，在对电极发生还原或氧化反应，电极的平衡电位发生变化，变化值与气体浓度成正比。可测量SO 2、NO、NO 2、CO、H 2S 等 气体。但 这 些 气体传感器灵敏度却不相同，灵敏度从高到低的顺序是H 2S、NO、NO2、SO2、CO，响应时间一 般为几秒至几十秒，一般小于1min,其寿命短的只有半年，长则2~3年。
       
2.3 迦伐尼电池式氧气传感 器的工作原理
与定电位电解式一样，通过测量电解电流来检测气体浓度。但由于传感器本身就是电池，所以不需要由外界施加电压。这种传感器主要是用于O 2的检测，检测缺氧的仪器几乎都使用这种传感 器。
     
2.4 隔膜 迦伐尼电池式氧气传感 器的结构
在塑料容器的一面装有对氧气透过性良好，厚10~30μ m的聚四氟乙烯透气膜，在其容器内侧紧 粘着贵金属（铂、黄 金、银）阴电极,在容 器 的另一面内侧或容 器的空余部分设置阳极（用铅、镉等离子化倾向大的金属）。用KOH、KHCO3作电解液。氧气在通过电解质时在阴阳极发 生氧化还 原反 应，使阳极 金属离子化，释放出电子，电流的大小与氧气的多少成正比。由于整个反 应中阳极金属有消耗，所以传感器需要定期更换。

3 科学地延长电化学传感器的使用寿命
电化学传感 器大 都是以水溶液作为电 解质,电 解质的蒸发与污染，常会导致传感器的信号下降，缩短使用寿命；由于在空气中有被测物质存在，传感器中的有效成分被消耗，因此传感器一旦被启封，就视为参加了使用，即使没用于测量，其寿命也在缩短，电化学传感器的寿命期 望值为2 年，若使用不当其寿命可能更短，而传感器更换的费用较高。因此如何保证其使用寿命，传感器的正确维护对烟气分析仪的使用尤为重要。
（1）传感器长时间暴露在烟气中会极大影响使用寿 命，只有短时间与 被 测 对 象 接 触，长期处于新鲜的空气中 才可维 护 其正常使 用寿 命。因 此，仪器 开机时，一定要 在清洁的空气中。测量完毕后不要立即关机，仪器必须在清洁空气运行5~10min，待 仪器气体显示值降至10单位以下，保持仪器内部处于新鲜空气的环境方可关机或停泵。否则，传感器容易“中毒”并加速传感器的损耗。
（2）对于 装有粉尘 过 滤器 装 置的仪器，要及时更换 过 滤 芯，避免粉尘进入传感器内污染传感器。对于便携式仪器，不论仪器是否经常使用，至少 每隔2~3周充电一次，且采样时电池电量不应低于30%。
（3）有些 厂家安装了两个 泵：抽气泵和内置的清洗泵，在仪器连续监测一段时间后，抽气泵会关闭，在仪器内部的清洗泵会自动开启，抽取仪器周围的清洁空气，使仪器 的传感器得到充分的清洗，这样也延长了传感器的使用寿 命。
4 保证仪器的准确性
为了保证 烟 气 分析仪 的精度 和系 统的完 整 性，对仪器还需要进行正常运行性流量检查及示值标定。烟 气 分析 仪 是 通 过 抽 取 烟 道 中气体到 气体传感器。烟 道常采用负 压，也就是说在烟道中如果仪器的泵抽力小，即泵的流量小，当负压超过仪器中泵的吸力时，会导致实际测量数 据偏低。因此，使用仪器时，既要根据测 试工况的负压范 围，选用相应型号的仪器，还 要对仪器 的流 量进行测 量，一 般仪器 的流 量 要保证在0.7L/min以 上，才有可能保证仪器 测量的准确性。日常工作中，可以根据本身具备的环境和条件选用不同的方法进行示值标定，以保证仪器的正常运行，但对外出具公证数据时，则一定要到计量检定部门按周期检定，以保证仪器的准确性。
（1）选 择洁净的空气，对仪器的零点 进行标定。此时有害气体的含量应为“ 零”，而氧的含量则为20.9%。
（2）选择纯氮，通入氮气，氧传感器的显示应迅速下降为0.2mg /m 3以下，否则气体传感 器失效，而有害气体的显示应为“零”。
（3）选择一定浓度的标准气体进行标定，按照仪器使用说明书对每 个传感 器 进行 一 一标定，如果发现示值误 差 超 过说明书给出的技 术指标，可通过校准程序 或仪器内部电位器 的调 整，对仪器进行调整。如果在使 用中监测的数据异常偏低，反应非常慢，或在标定过程中发现传感 器反应非常慢，线性误差较大，无法调整；或 是刚刚整好，再进行测量数值又发生了变化，则可以考虑更换传感 器。在更换传感器之后，也要对传感器或仪器进行及时反复的标定，调整准确后才能使用。

5 结束语
电化学气体传感器原理及在烟气监测中的应用，通过对电化学气体传感器进行科学合理的使用和维护，大大延长了电化学传感器的使用寿命，保证了烟气分析仪的测量准确性。同时，电化学气体传感器稳定运行，也为烟气的监测提供了可靠保障，为企业节能减排，保护环境发挥重要作用。