電化學氣體傳感器在煙氣分析儀中的使用與維護

    煙氣分析儀是對有害氣體如二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳等排放以及氧含量的氣體檢測的儀器。用于燃油、燃氣鍋爐污染排放、煙道氣及污染源附近的環(huán)境監(jiān)測。氣體傳感器是煙氣分析儀檢測氣體的核心，常用氣體傳感器多為電化學傳感器。
　　電化學氣體傳感器性能比較穩(wěn)定，壽命較長，耗電很小，對氣體的響應快，不受濕度的影響，分辨率一般可以達到0．1μmol／mol(隨傳感器不同有所不同)。它的溫度適應性也比較寬(有時可以在-40℃到50℃間工作)。然而，它受讀數溫度變化的影響也比較大。所以很多儀器都有軟硬件的溫度補償處理。同時電化學式傳感器又具有體積小、操作簡單、攜帶方便、可用于現場監(jiān)測及成本低等優(yōu)點，所以，在目前各類氣體檢測設備中，包括煙氣分析儀，電化學氣體傳感器占有很重要的地位。
1 常用電化學傳感器原理及結構
　　按照檢測原理的不同，電化學氣體傳感器主要分為金屬氧化物半導體式傳感器、催化燃燒式傳感器、定電位電解式氣體傳感器、迦伐尼電池式氧氣傳感器、紅外式傳感器、PID光離子化傳感器等等。目前，煙氣分析儀中使用較多的是定電位電解式氣體傳感器和迦伐尼電池式氧氣傳感器。
　　定電位電解式氣體傳感器工作原理是：使電極與電解質溶液的界面保持一定電位進行電解，通過改變其設定電位，有選擇地使氣體進行氧化或還原，從而能定量檢測各種氣體。其結構是：在一個塑料制成的筒狀池體內安裝工作電極、對電極和參比電極，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的連接，在電極之間施加了一定的電位，使傳感器處于工作狀態(tài)。氣體在電解質內的工作電極發(fā)生氧化或還原反應，在對電極發(fā)生還原或氧化反應，電極的平衡電位發(fā)生變化，變化值與氣體濃度成正比。可測量SO2、NO、NO2、CO、H2S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H2S、NO、NO2、SO2、CO，響應時間一般為幾秒至幾十秒，一般小于1min；它們的壽命，短的只有半年，長則2年、3年，而有的CO傳感器長達幾年。
　　伽伐尼電池式氣體傳感器與定電位電解式一樣，通過測量電解電流來檢測氣體濃度。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O2的檢測，檢測缺氧的儀器幾乎都使用這種傳感器。隔膜迦伐尼電池式氧氣傳感器的結構：在塑料容器的一面裝有對氧氣透過性良好的、厚10～30μm的聚四氟乙烯透氣膜，在其容器內側緊粘著貴金屬(鉑、黃金、銀等)陰電極，在容器的另一面內側或容器的空余部分設置陽極(用鉛、鎘等離子化傾向大的金屬)。用KOH、KHCO3作電解液。氧氣在通過電解質時在陰陽極發(fā)生氧化還原反應，使陽極金屬離子化，釋放出電子，電流的大小與氧氣的多少成正比，由于整個反應中陽極金屬有消耗，所以傳感器需要定期更換。
2 如何科學地延長電化學傳感器的使用壽命
　　電化學氣體傳感器大都是以水溶液作為電解質，電解質的蒸發(fā)或污染，常會導致傳感器的信號下降，使用壽命短；由于在空氣中有被測物質存在，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，即使沒用于測量，它的生命也在縮短；電化學型氣體傳感器的壽命期望值為2年，使用不當它的壽命可能更短，而傳感器更換的費用較高。因此如何保證其使用壽命，傳感器的正確維護對煙氣分析儀的使用尤為重要。
　　傳感器長時間暴露在煙氣中會極大影響使用壽命，只有短時間與被測對象接觸，長期處于新鮮的空氣中即可維護其正常使用壽命。因此，儀器開機時，一定要在清潔的空氣中。測量完畢后，不要立即關機，儀器必須在清潔空氣保持運行時間5～10min，待儀器氣體顯示值降至10單位以下，保持儀器內部處于新鮮空氣的環(huán)境，方可關機或停泵，否則，傳感器容易“中毒”并加速傳感器的損耗。
　　對于裝有粉塵過濾裝置的儀器，要及時更換過濾芯，避免粉塵進入傳感器內，污染傳感器。對于便攜式儀器，不論儀器是否經常使用，至少每隔2～3周充電一次，且采樣時電池電量不應低于30％。
　　有些廠商安裝了兩個泵：抽氣泵和內置的清洗泵，在儀器連續(xù)監(jiān)測一段時間后，抽氣泵會關閉，在儀器內部的清洗泵會自動開啟，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，這樣也延長了傳感器的使用壽命。
3 如何保證儀器的準確性
　　為了保證煙氣分析儀的精度和系統的完整性，對儀器還需要進行正常運行性流量檢查及示值標定。
　　煙氣分析儀是通過抽取煙道中氣體到氣體傳感器，對被測量氣體檢測的，為利于煙氣排放，煙道常采用負壓，也就是說在煙道中如果儀器的泵抽力小，即泵的流量小，當負壓超過儀器中泵的吸力時，會導致實際測量數值偏低。因此，使用儀器時，既要根據測試工況的負壓范圍，選擇相應型號的儀器，還要對儀器的流量進行測量，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量的準確性。
　　日常工作中，可以根據本身具備的環(huán)境及條件選擇不同的方法進行示值標定，以保證儀器的正常運轉，但要對外出具公證數據時，則一定要到計量檢定部門按周期檢定，以保證儀器的準確性。
　　其一：選擇潔凈的空氣，對儀器的零點進行標定。此時有害氣體的含量應為“零”，而氧的含量則應為20．9％。
　　其二，選擇純氮，通入氮氣氧傳感器的顯示應迅速下降為0．2mg／m。以下，否則氧傳感器失效，而有害氣體的顯示應為“零”。
　　其三，選擇一定體積質量的被測量標準氣體進行標定，按照儀器使用說明書對每個傳感器進行一一標定，如果發(fā)現示值誤差超過說明書給出的技術指標，可通過校準程序或儀器內部電器指標的調整，對儀器進行調整。如果在使用中監(jiān)測的數據異常偏低，反應非常慢；或在標定過程中發(fā)現傳感器反應非常慢，線性誤差較大，無法調整；或是剛剛調整好，再進行測量數值又發(fā)生了變化，則可以考慮更換傳感器。
　　在更換傳感器之后，也要對傳感器或儀器進行及時反復的標定，調整準確后，才能使用。
　　總之，科學合理的使用、維護，可有效地延長電化學傳感器的壽命，以保證煙氣分析儀的測量準確性。