電化學(xué)傳感器的原理及其在連續(xù)監(jiān)測中的應(yīng)用

電化學(xué)傳感器的原理及其在連續(xù)監(jiān)測中的應(yīng)用

1 前言 我國是 燃煤為主要燃料的國家，鍋爐煙道中s 排 放是我國的主要污染源，大氣環(huán)境中的二氧化硫有9O％來 自燃煤，盡管鍋爐煙道出口都安裝了脫硫除塵器．但由于其 水平、效果不一，鍋爐煙道氣s 排放所造成的大氣污染仍 是嚴(yán)重問題。連續(xù)監(jiān)測鍋爐SO，排放是監(jiān)測脫硫除塵器脫 硫效果和So z排放量的有利手段。為此在新的國家標(biāo)準(zhǔn)中 規(guī)定各電廠分時段必頑安裝連續(xù)在線監(jiān)測裝置。 目前連續(xù)在線監(jiān)測裝置的測試方法應(yīng)用比較普遍的有 紫外吸收法和非分散紅外法，以國外產(chǎn)品為主．價位較高。 在調(diào)查了解的基礎(chǔ)上，我們分析了國外產(chǎn)品，針對我國國 情，研制出定電位電解傳感器法煙氣S02連續(xù)在線監(jiān)測裝 置，具有低價位高適用性的特點(diǎn)，有較高的哇／價比，不僅可 應(yīng)用于擁有大型鍋爐的企業(yè)，而且也適用于中小型污染源 排放企業(yè)．易于推廣普及。

2 定電位電解傳惑器結(jié)構(gòu)和工作原理

2．1 定電位電解傳感器的結(jié)構(gòu) 定電位電解傳感器基礎(chǔ)技術(shù)是由兩個電板構(gòu)成，隨著 監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測要求的不斷發(fā)展．傳感器的結(jié)構(gòu)也在相應(yīng) 的發(fā)展和改變，現(xiàn)在用于對于氣體的監(jiān)測，基本應(yīng)用三電極 和四電極傳感器。本文介紹常用的三電極傳感器。 現(xiàn)代科學(xué)儀器1999 1—2 定電位電解氣體傳感器是由浸沒存液體電解液中的三 個電極構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)見圖1。 I進(jìn)氣于L；2 0型固 巨1 定電位電解傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 傳感器的i個電極分別稱為工作電極(working dec trode)、參比電極(reference electrode)、對電極(counter dec． trode)，簡稱W、R、C。 傳感器的工作過程為：被測氣體由進(jìn)氣扎擴(kuò)散到工作 電極表面．在工作電極 電解液、對電極之間進(jìn)行氧化還原 反應(yīng)。在工作電極輸出與被測氣體濃度對應(yīng)的電流信號。 2．2 定電位電解傳感器的工作原理 工作電搬是由將具有催化活性金屬的高純度粉末，例 如鉑，愫復(fù)在透氣憎水膜上形成。傳感器在氧化還原反應(yīng) 中．流出或流向工作電極的電流與棱分析氣體的浩度值成 正比。傳感器工作時由外電路在工作電極和參比電極之； 施加一個恒電位差，使之工作電極上保持一個恒定電位，待 測氣體擴(kuò)散通過傳感器的滲透膜，進(jìn)入電解槽，在工作電極 上發(fā)生如下氧化反應(yīng)： s +2 O=s +4H +2e 同時在對電極上q 發(fā)生還原反應(yīng)： 。2+4H 十4e。=2H2O 所以，其總反應(yīng)為： 2SO~． +q 十2 O=2H2：SO4 當(dāng)電極的電勢與催化活性足夠高時，透過擴(kuò)散介質(zhì)進(jìn) 入電極的s 迅速反應(yīng)，所產(chǎn)生的電流由氣體的擴(kuò)散決定， 由菲克斯擴(kuò)散定律可得出極限擴(kuò)散電流與氣體濃度的關(guān)系 為： iL=[(ZFSD)／8]C 其中： i1l_極限擴(kuò)散電流； z：電子轉(zhuǎn)移數(shù)； F：法拉第常數(shù)； S：氣體擴(kuò)散面積； D：氣體擴(kuò)散系數(shù)； 8：氣體擴(kuò)散層厚度； C：被測氣體濃度； 在一定的工作條件下．Z⋯F S D、8均為常數(shù)，則可令 K=(ZFSD)／8 于是有 i】．=KC 即極限擴(kuò)散電流與被測氣體維度之間成正比。測量流 經(jīng)工作電極同對電極間的電流，即可定量被測氣體濃度。水分測定儀| 濁度計| 色度計| 粘度計| 折射計| 滴定儀| 密度計| 熱流計| 濃度計| 折射儀| 采樣儀| 

2．3 定電位電解傳感器的考核指標(biāo) 定電位電解傳感器的基本性能亦即傳感器的基本考核 指標(biāo)，顯示了傳感器的質(zhì)量和性能．但要與前置放大器經(jīng)過 較好的匹配才能體現(xiàn)出來。在儀器中要考核的基本指標(biāo)有 響應(yīng)時間、測量重復(fù)性、傳感器使用壽命等。 傳感器的基本考核指標(biāo)由生產(chǎn)廠家給出，如響應(yīng)時間 ( )為<30秒，測量重復(fù)性為信號的1％，傳感器使用壽命 為2年。 傳感器的使用壽命一般生產(chǎn)廠家給出一個比較保守的 指標(biāo)是2年。圉2是美國SC公司給出的連續(xù)使用壽命實(shí) 驗(yàn)波形。 52 M S㈣ 9 am ∞ I∞d s c lbT ∞ 圖2 定電位電解傳感器連續(xù)使用壽命實(shí)驗(yàn)渡形

3 前置放大器的工作原理

3 1 前置放大器的構(gòu)成 定電位電解傳感器必須與前置放大器匹配使用，才能 實(shí)現(xiàn)對被分析氣體的測試=前置放大器內(nèi)部應(yīng)包括電流／ 電壓轉(zhuǎn)換、恒電位電路等，電流／電壓轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)將傳感器電 流信號變?yōu)殡妷狠敵鲂盘�，恒電位電路�?a href="http://kao25.cn/class35.html">傳感器提供穩(wěn)定 的電極電位。定電位電解傳感器與前置放大器的匹配是使 用的關(guān)鍵，關(guān)系到傳感器能否實(shí)現(xiàn)定量測量．能否使傳感器 的各項(xiàng)參數(shù)正常發(fā)揮以及直接關(guān)系列傳感器的使用壽命 圖3 氣體濃度惻試電路構(gòu)成

3．2 前置放大器的工作原理 當(dāng)被測氣體通過傳感器的非電量／電量變換后．其信號 進(jìn)入前置放大器，前置放大器由恒電位電路、I／v變換電路、 基準(zhǔn)電壓源、電源變換器、線性放大器等組成。傳感器輸出 的信號首先經(jīng)Vv變換電路放大．變換成電壓信號，后進(jìn)入 線性放大器，經(jīng)整形濾波輸出定量電量信號�？驁D中電源 變換器的作用為將單電源變換為雙電源，由恒電位電路向 傳感器提供電極電位．零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)由電路設(shè)計保證，基準(zhǔn)電壓 源為保證定螢輸出而設(shè)計。

4 傳感器與前置放大器的匹配

定電位電解傳感器對于不同的被測氣體有不同的電極 電位．這樣能夠比較好的克服氣體交叉干擾。定電位電解 傳感器無論在測試狀卷還是非測試狀態(tài)，電極電位都應(yīng)是 恒定的，此電極電位由前置放大器供給。傳感器經(jīng)氣／電轉(zhuǎn) 換后，以微電流輸出，必須經(jīng)良好的前置放大器進(jìn)行放大。 因此傳感器與前置放大器應(yīng)考慮電極電位和阻抗的匹配。 我們研究的前置放大器與定電位電解傳感器的匹配達(dá) 到了很好的效果，用so2標(biāo)準(zhǔn)氣實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時計算機(jī)記錄波 形見圖4．?dāng)?shù)據(jù)見下表1。 褻1 SO 標(biāo)準(zhǔn)氣實(shí)驗(yàn)計算機(jī)記 錄傳感器與前置放大器實(shí)驗(yàn)敷據(jù) 累計時問 (s) 累計時問 (分鐘) 前置精出 (mV) 漂移 f％ 1 T帥日寸M (秒) 鞴^ 標(biāo)準(zhǔn)氣 度a85pom；前置放大器對應(yīng)輸m 485mV 量500ml／min

5 在連續(xù)監(jiān)測中的應(yīng)用

5．1 定電位電解傳感器法連續(xù)監(jiān)測儀器的構(gòu)成 圖5 連續(xù)在線監(jiān)測裝置結(jié)掏框圖 針對我國的燃料類型和現(xiàn)場情況，經(jīng)過2年的科研攻 關(guān)，我們研制出適合我國國情的 ZX一95煙道污染源監(jiān)測儀” 連續(xù)在線監(jiān)測裝置。 ZX一95煙遭污染源監(jiān)1壩I儀”由煙塵過濾器、汽水分離 器、空氣過濾器、雙氣路氣體傳送管路、雙傳感器前置放大 系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電磁閥矩陣、一體化電源及單片計算 機(jī)控制的鍵盤、顯示屏和微型打印機(jī)等組成。結(jié)構(gòu)框圖見 圖5。

5．2 連續(xù)監(jiān)測裝置的工作過程

儀器測試前，先用經(jīng)過濾的潔凈空氣對內(nèi)置 傳感器 和前置放大器進(jìn)行標(biāo)度校準(zhǔn)，對s 傳感器進(jìn)行清洗。對 s。2傳感器和前置放大器進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，然后通入標(biāo)準(zhǔn)氣， 標(biāo)準(zhǔn)氣的濃度值經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)度運(yùn) 算，然后存儲標(biāo)定系數(shù)。 針對定電位電解傳感器的特點(diǎn)，我們設(shè)計丁雙氣路雙 傳感器工作系統(tǒng)，使其交替工作，以保證監(jiān)測數(shù)值的穩(wěn)定 性，同時減少丁傳感器在s 中的暴露時間，起到延長傳感 器使用壽命的作用。其工作過程為，采集氣首先通過疊片 式煙塵過濾器逑至氣水分離器，水份被氣水分離器析出，之 后采集氣進(jìn)入流量計。同時清洗氣經(jīng)空氣過濾器也被抽 進(jìn)．根據(jù)計算機(jī)指令，“雙路選擇”的“測試”和“清洗”閥進(jìn)行 進(jìn)通．采集氣和清洗氣進(jìn)入相應(yīng)的傳感器氣室。 “測試 ‘清洗”兩個閥為逆相工作，即如果被測氣進(jìn)入 一個傳感器，那麼清洗氣則進(jìn)入另一個傳感器進(jìn)行自動清 現(xiàn)代科學(xué)儀器1999 1—2 洗傳感器或傳感器自動校零。

5 3 儀器功能和效果 “ZX一95煙遭污染源監(jiān)測儀”通過對s 和O2濃度、環(huán) 境溫度的在線測試及煙氣溫度、流速等參數(shù)的輸入，自動計 算出煙氣流量，實(shí)現(xiàn)煙氣s 濃度及排放量的連續(xù)在線連 續(xù)監(jiān)測，屏幕顯示出監(jiān)測位置、s 、o2、CO 濃度、^、燃燒效 率、環(huán)境溫度、煙氣溫度、煙氣流速、煙氣流量及s 的小時 排放量、日排放量、月排放量。監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行s 、o2定電 位電解傳感器的自動交替標(biāo)定。當(dāng)傳感器靈敏度下降到一 定程度時，系統(tǒng)提示更換傳感器。監(jiān)測系統(tǒng)的打印功能實(shí) 現(xiàn)即時打印和24小時平均值自動打印。 “ZX一95煙遭污染源監(jiān)測儀”在實(shí)驗(yàn)室用標(biāo)準(zhǔn)氣體校驗(yàn)， 其相對誤差小于5％。在北展熱力廠現(xiàn)場連續(xù)運(yùn)行4個月， 累積約3000小時，并與化學(xué)方法一碘量法進(jìn)行了多次現(xiàn)場 比對，其相對誤差小于l0％，滿足測試誤差不大于15％的要 求，效果良好，比對結(jié)果見圖6。 與碘量{擊比對結(jié)果 濃 度

6 結(jié)束語

 壓匭匹二回 圖6 測試比對數(shù)據(jù) 定電位電解傳感器由于其低廉的價格和較好的特性， 在便攜式煙氣測試儀器中已經(jīng)普遍應(yīng)用，在連續(xù)在線自動 監(jiān)測中我們做丁首次嘗試。由定電位電解傳感器構(gòu)成的連 續(xù)在線自動監(jiān)測儀器在滿足監(jiān)測要求的基礎(chǔ)上，與國外紫 外吸收法和非分散紅外法相比，其價位大大低于國外產(chǎn)品， 只是其十分之一，同時具有易于生產(chǎn)、適應(yīng)任何現(xiàn)場條件、 使用方便、維護(hù)便利、運(yùn)行費(fèi)用低廉等優(yōu)勢，非常有利于在 國內(nèi)普及應(yīng)用。定電位電解傳感器法連續(xù)在線自動監(jiān)測儀 器的推出，對控制環(huán)境污染，保護(hù)空氣環(huán)境質(zhì)量有重要的意