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Working principle and application characteristics of electrochemical gas sensor

来源:Drksir 时间:2023-03-23 13:41:13

Earlier electrochemical sensors date back to the 1950s, when they were used for oxygen monitoring. In the mid-1980s, small electrochemical sensors began to be used to detect a variety of different toxic gases in the PEL range, and showed good sensitivity and selectivity. At present, various electrochemical sensors are widely used in static and mobile applications for personal safety.


First, the working principle


An electrochemical sensor works by reacting with the gas under test and producing an electrical signal proportional to the concentration of the gas. A typical electrochemical sensor consists of a sensing electrode (or working electrode) and a reverse electrode, separated by a thin electrolytic layer. The gas first reacts with the sensor through tiny capillary holes, then a hydrophobic barrier, and finally reaches the electrode surface. This method allows the appropriate amount of gas to react with the sensor electrode to form a sufficient electrical signal while preventing electrolyte leakage from the sensor.


The gas diffused through the barrier reacts with the sensing electrode, which may adopt an oxidation or reduction mechanism. These reactions are catalyzed by electrode materials designed for the gas under test. A current proportional to the measured gas concentration flows between the positive and negative electrodes through a resistor connected between the electrodes. The gas concentration can be determined by measuring the current. Because of the current generated in this process, electrochemical sensors are often referred to as current gas sensors or micro-fuel cells.


In practice, due to the continuous electrochemical reaction on the electrode surface, the sensor electrode potential cannot be kept constant, which will lead to the degradation of sensor performance after a long period of time. Reference electrode is introduced to improve the sensor performance. The reference electrode is installed in the electrolyte, adjacent to the sensing electrode. A fixed stable constant potential is applied to the sensing electrode. The reference electrode can maintain this fixed voltage value at the sensing electrode. No current flows between the reference electrodes. The gas molecules react with the sensing electrode, and the reverse electrode is measured at the same time. The measurement results are usually directly related to the gas concentration. The voltage value applied to the sensing electrode enables the sensor to target the gas.


Two, the electrochemical sensor contains the following main components:


A. Breathable membranes (also known as hydrophobic membranes) : Breathable membranes are used to cover sensing (catalytic) electrodes and in some cases to control the molecular weight of gases reaching the electrode surface. Such barriers are usually made of Teflon films with low porosity. Such sensors are called coating sensors. Alternatively, it can be covered with a high-porosity Teflon film, while the capillary controls the molecular weight of the gas reaching the electrode surface. This type of sensor is called capillary sensor. In addition to providing mechanical protection for the sensor, the film also filters out unwanted particles. In order to transfer the correct molecular weight of the gas, it is necessary to select the correct pore size of the film and the capillary. The aperture size should allow sufficient gas molecules to reach the sensing electrode. The aperture size should also prevent liquid electrolyte leakage or rapid dryness.


B. Electrode: The choice of electrode material is very important. The electrode material shall be a catalytic material capable of performing semi-electrolytic reactions over long periods of time. Typically, the electrodes are made of precious metals, such as platinum or gold, which react effectively with gas molecules when catalyzed. Depending on the design of the sensor, the three electrodes can be made of different materials to complete the electrolytic reaction.


C. Electrolyte: The electrolyte must be sufficient to facilitate electrolytic reactions and effectively transfer ionic charges to the electrode. It must also form a stable reference potential with the reference electrode and be compatible with the materials used in the sensor. If the electrolyte evaporates too quickly, the sensor signal will weaken.


D. Filter: Sometimes a wash filter is installed in front of the sensor to remove unwanted gas. The selection of filters is limited, each filter has a different degree of efficiency. Most commonly used filter material is activated carbon, activated carbon can filter out most chemicals, but not carbon monoxide. By selecting the right filter material, the electrochemical sensor can be more selective to its target gas.


Electrochemical sensors can be manufactured in a variety of ways, ultimately depending on the gas to be detected and the manufacturer, however, the main characteristics of the sensors are very similar in nature. Some common characteristics of electrochemical sensors are described as follows:


1. On a three-electrode sensor, a jumper wire is usually used to connect the working electrode to the reference electrode. If it is removed during storage, it takes a long time for the sensor to remain stable and ready for use. Some sensors require bias between the electrodes, and in this case, the sensors are shipped with nine-volt battery-powered electronics. It takes 30 minutes to 24 hours for the sensors to stabilize and up to three weeks for them to remain stable.


2. Most toxic gas sensors require a small amount of oxygen to function properly. The sensor has an air hole on the back for this purpose. It is recommended to perform a recheck with the manufacturer in applications where non-oxygen background gas is used.


3. The electrolyte of the cell in the sensor is a aqueous solvent, which is isolated by a hydrophobic barrier, which prevents the leakage of the aqueous solvent. However, like other gas molecules, water vapor can cross the hydrophobic barrier. Under high humidity conditions, prolonged exposure may cause excess water to build up and lead to leakage. Under low humidity conditions, the sensor may dry out. Sensors designed to monitor high concentrations of gases have a low porosity barrier to limit the molecular weight of the gas passing through, so it is not affected by humidity. Like sensors used to monitor low concentrations of gases, this sensor has a high porosity barrier and allows the free flow of gas molecules.


Three, pressure and temperature


The electrochemical sensor is very little affected by the pressure change. However, because the pressure difference within the sensor can damage the sensor, the same pressure must be maintained throughout the sensor. Electrochemical sensors are also very sensitive to temperature, so internal temperature compensation is usually taken. But it is better to keep the standard temperature as much as possible. In general, the sensor reading is higher when the temperature is above 25°C; Below 25°C, readings are low. The temperature impact is typically 0.5% to 1.0% per degree Celsius, depending on the manufacturer and sensor type.


Iv. Selectivity


Electrochemical sensors are usually highly selective to their target gases. The degree of selectivity depends on the sensor type, the target gas, and the concentration of the gas the sensor is to detect. The best electrochemical sensor is the one that detects oxygen, which has good selectivity, reliability and long life expectancy. Other electrochemical sensors are susceptible to interference from other gases. Interference data are calculated using relatively low gas concentrations. In practical applications, the concentration of interference can be high, resulting in incorrect readings or false alarms.


Life. Expectancy


The life expectancy of an electrochemical sensor depends on several factors, including the gas to be detected and the environmental conditions in which the sensor is used. Generally, the prescribed life expectancy is one to three years. In practice, life expectancy depends mainly on the total amount of gas exposed during sensor use and other environmental conditions such as temperature, pressure and humidity.


Vi. Summary


Electrochemical sensors have very low requirements for working power supply. In fact, of all the sensor types available for gas monitoring, they have the lowest power consumption. Therefore, this sensor is widely used in mobile instruments containing multiple sensors. They are the most used sensors in finite space applications. The life expectancy of the sensor is predicted by its manufacturer based on conditions they consider normal. However, the expected life of a sensor depends heavily on environmental pollution, temperature and the humidity to which it is exposed.


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氢混合气配气系统行业动态与应用前景

氢混合气配气系统行业动态与应用前景

        一、氢混合气配气系统市场现状        氢混合气配气系统主要用于精确配比氢气与其他气体(如氮气、二氧化碳、氧气等),以满足不同工业工艺的需求。近年来,随着氢能在能源、化工和电子领域的广泛应用,氢混合气配气系统的市场需求持续增长。        根据市场调研数据显示,2023年全球氢混合气配气系统市场规模已达到约15亿美元,预计到2030年将以年均8.5%的复合增长率增长。这一增长主要得益于以下几个因素:        1.氢能产业的快速发展        氢能作为清洁替代能源,被广泛应用于燃料电池汽车、工业供热和电力发电等领域。氢混合气配气系统在这些应用中扮演着关键角色,尤其是在燃料电池制氢和氢气储存环节中。        2.化工行业的技术升级        在合成氨、甲醇生产和加氢裂化等化工工艺中,氢气的精确配比是确保产品质量和生产效率的关键所在。随着化工行业对自动化和智能化的追求,氢混合气配气系统的需求正在持续上升。        3.政策支持与投资增加        各国政府纷纷出台氢能发展政策,推动氢能在工业和能源领域的应用。例如,欧盟的“氢能战略”和中国的“十四五”氢能发展规划,都为氢混合气配气系统的市场发展提供了强有力的政策支持。        二、技术进步推动行业升级        氢混合气配气系统的技术发展主要体现在以下几个方面:        1.高精度气体配比技术        随着工业自动化水平的提高,氢混合气配气系统采用了高精度的质量流量控制器(MFC)和智能控制系统,能够实现氢气与其他气体的精准配比,误差范围控制在0.1%以内。        2.智能化与远程监控        现代氢混合气配气系统配备了智能化管理系统,支持远程监控和数据分析。通过物联网技术,用户可以实时监测气体配比参数,优化工艺流程,提高生产效率。        3.安全性与可靠性提升        针对氢气易燃易爆的特点,新型氢混合气配气系统增加了多重安全保护功能,如气体泄漏检测、压力异常报警和紧急切断装置,确保设备运行的安全性。        4.模块化设计        为了适应不同行业的多样化需求,氢混合气配气系统采用了模块化设计,可根据具体工艺需求灵活调整配气方案,提高设备的适用性和灵活性。        三、氢混合气配气系统的应用领域扩展        氢混合气配气系统的应用领域正在不断扩大,除了传统的化工行业,还在以下新兴领域展现了巨大的潜力:        1.燃料电池行业        氢能燃料电池是未来清洁能源的重要方向,而氢混合气配气系统在燃料电池的制氢和供氢环节中发挥着关键作用。通过精确配比氢气与其他气体,可以提高燃料电池的效率和使用寿命。        2.电子工业        在半导体制造过程中,氢混合气配气系统被用于气相沉积(CVD)工艺,以制备高性能半导体材料。精确的气体配比能够提升沉积速率和材料质量。        3.医疗与食品工业        氢混合气配气系统还可以用于医疗领域,如氢氧混合气体治疗,以及食品工业中的保鲜气体配制,有效延长食品保质期。        四、行业面临的挑战与未来趋势        尽管氢混合气配气系统市场前景广阔,但仍面临一些挑战:        1.成本问题        高精度氢混合气配气系统的研发和生产成本较高,限制了其在中小企业中的应用。        2.技术门槛        氢气的易燃易爆特性对设备的安全性和可靠性提出了更高要求,技术门槛较高。        3.标准化问题        目前,氢混合气配气系统的标准尚未完全统一,不同厂商的产品在接口、控制方式等方面存在差异,影响了设备的兼容性和互操作性。        未来,随着技术的进步和市场需求的不断增长,氢混合气配气系统将朝着以下方向发展:        •小型化与便携化:满足新兴领域对灵活配气的需求。        •绿色化与节能化:采用更环保的材料和更节能的控制系统。        •智能化与网络化:进一步融合物联网和人工智能技术,实现智能化管理。
2025.03.23
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