Корзина
22 отзыва
E-MAIL: marketing@theseuslab.cz
+375 17 2374211
Проблемы применения электрохимических датчиков диоксида азота при наружном мониторинге воздуха.

Проблемы применения электрохимических датчиков диоксида азота при наружном мониторинге воздуха.

Проблемы применения электрохимических датчиков диоксида азота при наружном мониторинге воздуха.
В настоящей статье приведена полезная информация об электрохимических датчиках и о том, каким образом компании Aeroqual удалось избежать влияния перекрестных помех на датчик NO2 GSE.

27.09.18

Недорогие электрохимические датчики диоксида азота (NO2) обладают широкими возможностями для быстрых и распределенных измерений загрязнения наружного воздуха. Датчики стабильны, долговечны, потребляют мало энергии и позволяют проводить измерения с разрешающей способностью в диапазоне частей на миллиард (ppb). Однако электрохимические датчики NO2 чувствительны к температуре (T), относительной влажности (RH) и другим мешающим газам, которые могут повлиять на результаты измерений.

С ростом интереса к концепции смарт-городов и устройствам на базе технологии IoT, которые стремительно развивались в прошлом году, мы наблюдаем резкое увеличение спроса со стороны клиентов, которые желают приобрести датчики с возможностью интеграции в интеллектуальные сети. Проблема заключается в том, что многие субподрядчики, специализирующиеся на работе с данными датчиками, имеют ограниченное понимание процессов, которые происходят при воздействии на датчики различных мешающих факторов, вследствие чего конечный пользователь может не знать о потенциальной возможности регистрации ложных показаний с помощью устройств такого рода.

В настоящей статье приведена полезная информация об электрохимических датчиках и о том, каким образом компании Aeroqual удалось избежать влияния перекрестных помех на датчик NO2 GSE.

 

Краткая история

Самые старые электрохимические датчики газа относятся к 50-м годам и первоначально были разработаны для мониторинга кислорода. К середине 80-х годов возможности миниатюрных электрохимических датчиков были существенно расширены, и они стали применяться для обнаружения многих токсичных газов. Несмотря на то, что электрохимические датчики в течении десятилетий были основным инструментом мониторинга концентрации опасных газов на рабочем месте, а также их утечек, их использование для наружного мониторинга сопряжено с рядом проблем.

Датчики должны определять низкие концентрации анализируемого соединения, обладать избирательностью в отношении интересующего газа и отображать согласованные показания в течение длительных периодов времени. Однако, развитие технологий производства датчиков и связанных областей привело к формированию условий для наружного применения   электрохимических датчиков.

В настоящее время электрохимические датчики газа доступны практически для любого целевого газа, и широко используются при решении различных задач по стационарному и подвижному мониторингу во всем мире.


Конструкция и принцип действия

В основе принципа измерения концентрации целевого газа с помощью электрохимического датчика газа лежит реакция окисления или восстановления, которая приводит к протеканию положительного или отрицательного тока через внешнюю цепь. Типичный электрохимический датчик состоит из сигнального электрода, интегрирующего электрода и в большинстве случаев контрольного электрода. Эти компоненты устанавливаются внутри корпуса датчика с жидким электролитом. В качестве электролита обычно применяется серная кислота. Газ из среды, в которой расположен датчик, проходит через гидрофобную мембрану и ограничивающее диффузию отверстие и в конечном итоге достигает поверхности сигнального электрода. На поверхности сигнального электрода происходит реакция окисления или восстановления, которая приводит к протеканию тока между сигнальным и интегрирующим электродами. Величина этого тока пропорциональна концентрации газа.

Типовая конструкция электрохимического датчика (фото: Alphasense, «Как работают электрохимические датчики газа»)

Разработка электрохимического датчика газа связана с тщательным выбором материалов электродов, состава электролита, а также оптимальной конструкции газовпускного патрубка. Несмотря на то, что внешний вид датчиков, используемых для обнаружения различных газов, зачастую очень схож, их внутренние структуры могут существенно отличаться и всегда являются компромиссом между различными эксплуатационными характеристиками. Следовательно, датчики различных типов и производителей могут обладать совершенно разными характеристиками с точки зрения чувствительности, избирательности, времени отклика и срока службы.

 

Помехи, обусловленные окружающими условиями

Электрохимические датчики могут быть чувствительны к помехам, вызванным изменением температуры (T), относительной влажности (RH) и давления (P), особенно при работе на пределе чувствительности.

 

Температура

Работа электрохимических датчики напрямую связана с химическими процессами, скорость которых пропорциональна температуре. Поэтому выходной сигнал большинства таких датчиков будет изменяться при изменении температуры. Для обеспечения точных показаний датчика в широком диапазоне окружающих условий рекомендуется использовать один из методов температурной компенсации.

 

Относительная влажность

Электролит внутри ячейки отделен гидрофобной мембраной, которая предотвращает утечку раствора из датчика. Однако данная мембрана может пропускать находящийся в воздухе водяной пар, а также другие молекулы газа. И это является проблемой как при низкой, так и при высокой влажности. В условиях повышенной влажности избыточный водяной пар может накапливаться в датчике и в результате привести к утечке. В условиях низкой влажности датчик может просто пересохнуть. Такие изменения вязкости электролита влияют на выходной сигнал и как следствие на итоговые показания концентрации газа.

 

Давление

Электрохимические датчики практически не подвержены изменениям давления. Важно, чтобы весь датчик находился под одинаковым давлением, поскольку наличие разницы давления внутри датчика может привести к его повреждению.

 

Мешающие газы и кросс-чувствительность

В идеальном мире электрохимический датчик должен реагировать только на газ, для которого он предназначен. Датчик диоксида азота (NO2) будет определять только NO2, а датчик окиси углерода (CO) будет определять только CO и так далее. Несмотря на то, что при разработке электрохимические датчики максимально настраиваются на целевой газ, большинство из них также будет определенным образом реагировать на газы, отличные от целевого. Такой эффект называется «кросс-чувствительностью» и является результатом того, что мешающий газ также реагирует с сигнальным электродом.

В некоторых случаях влияние помехи приводит к завышению показаний, и у пользователя может сложиться впечатление, что концентрация целевого газа выше, чем это есть на самом деле. В других случаях помеха приводит к занижению показаний, и пользователь наблюдает значения концентрации целевого газа, которые ниже фактических. Это может привести к наличию отрицательных показаний в массиве измерительных данных в результате чего пользователь может выполнить неправильную калибровку нуля либо сделать неверное заключение о нарушении работоспособности прибора.

В некоторых ситуациях, при наличии в окружающей среде целевого газа и газа, вызывающего отрицательную кросс-чувствительность, наблюдается эффект взаимной компенсации, что потенциально опасно, если Вы не знаете об этом явлении или используете оборудование в задачах с высоким уровнем риска, например, при мониторинге в закрытых зонах.
Очевидно, что калибровка электрохимического датчика NO2 с помощью газа NO2 известной концентрации не исключает возможность реакции данного датчика с газами отличными от целевого (NO2) при мониторинге его концентрации в воздухе и в первую очередь необходимо решить проблему перекрестной чувствительности.

 

Проблема электрохимического датчика NO2: кросс-чувствительность к озону.

Большинство электрохимических датчиков NO2 являются чрезвычайно (почти 100%) кросс-чувствительными к присутствию окислительных газов, таких как озон (O3) и хлор. Обычно хлор отсутствует в окружающем воздухе, за исключением случаев наличия близлежащих источников. В то время, как озон и NO2 почти всегда присутствуют на открытом воздухе, особенно в летнее время, когда солнечный свет, летучие органические соединения и оксиды азота приводят к образованию O3. Важно иметь возможность точных отдельных измерений значений концентрации O3 и NO2 по нескольким причинам:

  1. Определение источника. NO обычно связан с транспортным потоком и образует NO2 в результате реакции с O3; в то время как околоземный O3 образуется при смешивании летучих органических соединений и оксидов азота в присутствии солнечного света.
  2. Различные уровни регулирования. Как O3 так и NO2 входят в перечень загрязняющих веществ с установленным предельно допустимым содержанием, поскольку они представляют собой серьезный риск для здоровья человека.

 

Возможные решения проблемы перекрестной чувствительности датчиков NO2

Существует два основных способа снижения влияния кросс-чувствительности на электрохимические датчики NO2: применение селективных фильтров (химическая очистка) либо коррекция помех от O3 (например, с помощью селективного датчика озона GSS от Aeroqual, расположенного рядом с датчиком NO2 GSE).

 

Селективные фильтры (химическая очистка)

Некоторые датчики NO2 содержат встроенный фильтр, предназначенный для удаления O3 и других источников окисляющего газа, прежде чем они достигнут чувствительного электрода. Таким образом, датчик не подвергается влиянию присутствующего озона. Несмотря на то, что включение фильтра (например, MnO2) часто приводит к повышению избирательности датчика, данные фильтры имеют ограниченный срок службы и теряют свою эффективность до окончания срока службы датчика. Кроме того, большинство химических фильтров также снижают чувствительность датчика.

 

Плюсы

  • Повышенная избирательность

 

Минусы

  • Химические фильтры не являются селективными
  • Эффективность фильтров снижается с течением времени
  •  Возможное снижение чувствительности

 

Коррекция с применением селективного датчика озона

В данном методе для коррекции помех O3 на электрохимической ячейке NO2 применяется селективный датчик O3 (такой, как датчик озона GSS от Aeroqual). Датчик NO2 измеряет сочетание NO2 и O3 (эффект перекрестной интерференции), в то время как GSS имеет высокую избирательность по отношению к O3. Взвешенная разность между показаниями двух датчиков представляет собой истинное значение концентрации NO2. Обратите внимание, что этот подход работает только в том случае, если датчик O3 является селективным по отношению к O3 и не реагирует на NO2.

Плюсы

  • Не требует применения химических фильтров (отсутствие расходных материалов)
  • Не требует дополнительного питания

Минусы

  • Метод работает только при применении датчика O3 с высокой избирательностью

 

Оценка характеристик электрохимического датчика NO2

Тесты, проведенные признанными испытательными центрами, показали значительные отклонения характеристик коммерчески доступных электрохимических датчиков NO2 при сравнении с оборудованием федерального эталонного метода (FRM).

На своих станциях мониторинга качества воздуха, таких как новая станция AQY Micro, компания Aeroqual использует датчик NO2 GSE и селективный датчик O3 GSS. В ряде полевых испытаний на AQY успешно применялась коррекция с использованием селективного датчика O3 GSS, которая позволила получить очень хорошую корреляцию и высокую точность измерений NO2 (R2>0,80 за 24 часа) в сравнении с анализаторами федерального эталонного метода. Секрет точности AQY – это сочетание электрохимического датчика NO2 с нашим металл-оксидным датчиком озона GSS.
 

Заключение

Электрохимические датчики – это проверенная технология, которая применяется в течение многих лет и будет оставаться фундаментальной основой датчиков обнаружения газа. Удобные, небольшие и надежные датчики всегда найдут свое место в персональных газоанализаторах, а также при наружном мониторинге воздуха. Однако при использовании электрохимических датчиков в Вашем оборудовании для мониторинга всегда следует учитывать установленные для данных датчиков ограничения. Подробную информацию о продуктах Aeroqual Вы можете получить у наших специалистов. Мы всегда рады подобрать для Вас наиболее подходящее решение.

Предыдущие статьи
Контакты
  • Телефон:
    +375 (29) 640-41-26
    +375 (17) 237-42-11 доб. 418,
  • Контактное лицо:
    Дежурный специалист
  • Адрес:
    Pobřežní 249/46, Karlín, 186 00 Praha 8, Praha, Чехия
Карта
social-icon
Loading...