電化學(xué)氣體傳感器在煙氣監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

 1 前言
煙氣分析儀是 對(duì)鍋爐煙道有害氣體如SO2、CO2、NO2、CO 等以及煙氣中氧含 量 進(jìn)行檢 測(cè)的儀器。常用于燃煤鍋爐、燃 油鍋爐煙道 排 放氣 及污染源附近的環(huán)境 監(jiān) 測(cè)。氣體傳感 器 是 煙 氣 分析儀 的 核心部 件，常用氣體傳感 器多為電化學(xué)傳感 器。電 化 學(xué) 氣 體 傳 感 器 性 能 比 較 穩(wěn) 定，壽命較長(zhǎng)，對(duì)氣體響應(yīng)快，不受濕度的影響，分辨率一般高達(dá)0.1μ mol/mol。其溫度 適應(yīng)性較寬（可以在-40~50℃間工作），很多儀器都有軟硬件的溫度補(bǔ)償處理。同時(shí)電化學(xué)式傳感器又具有體積小、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、可用于 現(xiàn) 場(chǎng)監(jiān) 測(cè) 及 成 本低 等 優(yōu) 點(diǎn)。所以，在目前各 類氣體 檢 測(cè) 設(shè)備中，電化學(xué)氣體傳感 器占有很 重要的地位。

2 電化學(xué)傳感器原理及結(jié)構(gòu)
按照檢 測(cè) 原 理 的不同，電化學(xué)氣體傳感 器主要分為催 化燃 燒 式傳感 器、定電位電 解式傳感 器、迦伐尼電池式 氧氣傳感器、紅外式傳感器、PI D 光離子傳感器等。目前煙氣分析儀中使 用較 多的是 定電位電 解式傳感器、迦伐尼電池式氧氣傳感器。
   
2.1 定電位電解式傳感 器的工作原理
使電解池電解質(zhì) 溶液的界面保持 一定電位進(jìn)行電解，通過(guò)調(diào)整其設(shè)定電位，有選 擇 地使氣體進(jìn)行氧化或還原，從而能定量檢測(cè)各種氣體。
   
2.2 定電位電解式傳感 器的結(jié)構(gòu)
在一個(gè)塑料制成的筒 狀池體以內(nèi)安裝感應(yīng)電極、計(jì)數(shù)電 極和 參比電 極，在電 極 之間充 滿電 解 液，由多 孔四氟乙烯做 成的隔膜 在頂部封裝。前置 放 大器 與傳感器電 極 連 接，在電 極 之間 施 加 一定 的電位，使傳感 器處 于工作 狀 態(tài)。氣體 在電 解質(zhì)內(nèi)的工作電 極 發(fā) 生氧化或還 原反 應(yīng)，在 對(duì)電 極 發(fā) 生 還 原 或氧化反 應(yīng)，電 極的平 衡電位 發(fā) 生變 化，變 化值與氣體 濃 度 成 正比。可測(cè)量SO 2、NO、NO 2、CO、H 2S 等 氣體。但 這 些 氣體傳感器靈敏 度卻 不相同，靈敏 度 從高 到 低 的順 序 是H 2S、NO、NO2、SO2、CO，響應(yīng)時(shí)間一 般為幾秒至幾十秒，一 般小于1min，其壽 命短的只有半年，長(zhǎng)則2~3年。
       
2.3 迦伐尼電池式氧氣傳感 器的工作原理
與定電位電解式一樣，通 過(guò) 測(cè) 量電解電流 來(lái)檢測(cè)氣體濃度。但由于傳感 器本身就是電池，所以不需要由外界施加電壓。這種傳感 器主要是 用于O 2的 檢 測(cè)，檢測(cè)缺氧的儀器幾乎都使用這種傳感 器。
     
2.4 隔膜 迦伐尼電池式氧氣傳感 器的結(jié)構(gòu)
在 塑 料 容 器 的 一 面 裝 有 對(duì) 氧氣 透 過(guò) 性 良 好，厚10~30μ m的聚四氟乙烯透氣膜，在其容器內(nèi)側(cè)緊 粘著貴金屬（鉑、黃 金、銀）陰電極,在容 器 的另一面內(nèi)側(cè)或容 器的空余部分設(shè)置陽(yáng)極（用鉛、鎘等離子化傾向大的金屬）。用KOH、KHCO3作電解液。氧氣在通過(guò)電解質(zhì)時(shí)在陰陽(yáng)極發(fā) 生氧化還 原反 應(yīng)，使陽(yáng)極 金屬離子化，釋放出電子，電流的大小與氧氣的多少成正比。由于整個(gè)反 應(yīng)中陽(yáng)極金屬有消耗，所以傳感器需要定期更換。

3 科學(xué)地延長(zhǎng)電化學(xué)傳感器的使用壽命
電化學(xué)傳感 器大 都是以水溶液作為電 解質(zhì),電 解質(zhì)的蒸發(fā)與污染，常會(huì)導(dǎo)致傳感器的信號(hào)下降，縮短使用壽命；由于在空氣中有被測(cè)物質(zhì)存 在，傳感 器 中的有效成分被消 耗，因此傳感 器 一旦被 啟封，就 視 為參加了使用，即使沒(méi)用于測(cè)量，其壽命也在縮短，電化學(xué)傳感器的壽命期 望值為2 年，若 使 用不當(dāng)其壽 命可能更短，而傳感器更換的費(fèi)用較高。因此如何保證其使用壽命，傳感器的正確維護(hù)對(duì)煙氣分析儀的使用尤為重要。
（1）傳感器長(zhǎng)時(shí)間暴露在煙氣中會(huì)極大影響使用壽 命，只有短時(shí)間與 被 測(cè) 對(duì) 象 接 觸，長(zhǎng)期處于新鮮的空氣中 才可維 護(hù) 其正常使 用壽 命。因 此，儀器 開機(jī)時(shí)，一定要 在清潔 的空氣中。測(cè)量完畢后不要立即關(guān)機(jī)，儀器必須在清潔空氣 運(yùn) 行5~10min，待 儀器 氣體顯 示值 降至10 單位以下，保 持 儀器內(nèi)部 處 于 新 鮮空氣的環(huán) 境方可關(guān)機(jī) 或停泵。否則，傳感 器容易“中毒”并加速傳感 器的損耗。
（2）對(duì)于 裝有粉塵 過(guò) 濾器 裝 置的儀器，要及時(shí)更換 過(guò) 濾 芯，避 免 粉 塵 進(jìn) 入傳感 器內(nèi)污染傳感 器。對(duì) 于便 攜式儀器，不論儀器是否經(jīng)常使用，至少 每隔2~3周充電一次，且采樣時(shí)電池電量不應(yīng)低于30%。
（3）有些 廠家安裝了兩個(gè) 泵：抽氣 泵 和內(nèi)置的清洗 泵，在儀器連續(xù)監(jiān)測(cè)一段時(shí)間后，抽氣 泵會(huì)關(guān)閉，在儀器內(nèi)部的 清 洗 泵會(huì)自動(dòng) 開啟，抽取儀器周圍的 清 潔空氣，使儀器 的傳感 器 得到充分 的清洗，這 樣 也延 長(zhǎng)了傳感 器的使用壽 命。
4 保證儀器的準(zhǔn)確性
為了保證 煙 氣 分析儀 的精度 和系 統(tǒng)的完 整 性，對(duì)儀器還需要進(jìn)行正常運(yùn)行性流量檢查及示值標(biāo)定。煙 氣 分析 儀 是 通 過(guò) 抽 取 煙 道 中氣體到 氣體傳感器。煙 道常采用負(fù) 壓，也 就 是說(shuō) 在 煙 道中 如果 儀器 的泵 抽力小，即泵 的 流 量小，當(dāng)負(fù) 壓 超 過(guò)儀器 中泵 的吸力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量數(shù) 據(jù)偏低。因此，使用儀器時(shí)，既 要 根 據(jù) 測(cè) 試 工 況 的負(fù) 壓 范 圍，選 用 相 應(yīng) 型 號(hào) 的 儀器，還 要對(duì)儀器 的流 量進(jìn)行測(cè) 量，一 般儀器 的流 量 要保證在0.7L/min以 上，才有可能保證儀器 測(cè)量的準(zhǔn)確性。日常工作中，可以 根 據(jù)本身具 備 的環(huán) 境 和 條 件選用 不 同 的 方 法 進(jìn) 行 示 值 標(biāo) 定，以保 證 儀 器 的 正常 運(yùn)行，但 對(duì)外出具公 證 數(shù) 據(jù) 時(shí)，則一定要 到 計(jì) 量 檢 定 部門按周期檢定，以保證儀器的準(zhǔn)確性。
（1）選 擇潔凈的空氣，對(duì)儀器的零點(diǎn) 進(jìn)行標(biāo)定。此 時(shí) 有 害 氣 體 的 含 量 應(yīng) 為“ 零”，而 氧 的 含 量 則 為20.9%。
（2）選 擇 純氮，通 入氮?dú)?，氧傳?器的顯 示應(yīng) 迅速 下降為0.2mg /m 3以下，否則氣體傳感 器失 效，而 有害氣體的顯示應(yīng)為“零”。
（3）選 擇 一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行標(biāo)定，按照儀器使用說(shuō)明書對(duì)每 個(gè)傳感 器 進(jìn)行 一 一標(biāo)定，如果發(fā)現(xiàn)示值誤 差 超 過(guò)說(shuō)明書給出的技 術(shù)指標(biāo)，可通 過(guò) 校準(zhǔn)程序 或儀器內(nèi)部電位器 的調(diào) 整，對(duì)儀器 進(jìn) 行 調(diào) 整。如 果在使 用中監(jiān) 測(cè)的數(shù) 據(jù) 異 常偏 低，反 應(yīng)非常 慢，或 在 標(biāo)定過(guò) 程中發(fā)現(xiàn)傳感 器反 應(yīng)非常 慢，線 性 誤 差 較 大，無(wú)法調(diào) 整；或 是 剛剛調(diào) 整 好，再進(jìn)行測(cè) 量 數(shù)值 又 發(fā) 生了變化，則可以考慮更換傳感 器。在更換傳感 器之后，也要對(duì)傳感 器或儀器進(jìn)行及時(shí)反復(fù)的標(biāo)定，調(diào)整準(zhǔn)確后才能使用。

5 結(jié)束語(yǔ)
在實(shí)際應(yīng) 用中，通 過(guò) 對(duì)電化學(xué)氣體傳感器進(jìn)行科學(xué)合 理 的使 用和 維護(hù)，大大延長(zhǎng)了電化學(xué)傳感器的使用壽 命，保證了煙氣分析儀的測(cè)量準(zhǔn)確性。同時(shí)，電化學(xué)氣體傳感 器穩(wěn)定 運(yùn) 行，也為煙氣的監(jiān) 測(cè) 提 供了可靠保障，為企業(yè)節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境發(fā)揮重要作用。