El método de muestreo de gas afecta directamente al tiempo de respuesta del sensor. Actualmente, los métodos de muestreo de gas se realizan principalmente mediante simple difusión o inhalación de gas en el detector.
La difusión simple aprovecha la difusión natural de los gases por todas partes. El gas objetivo pasa a través de un sensor en la sonda, produciendo una señal proporcional a la fracción de volumen del gas. Debido a que el proceso de difusión se ralentiza gradualmente, el método de difusión requiere que la sonda se coloque muy cerca del punto de medición. Una ventaja del método de difusión es que la muestra de gas se introduce directamente en el sensor sin transformación física ni química. Las sondas de aspiración se utilizan a menudo para tomar muestras cerca de instrumentos de proceso o conductos de escape. Esta tecnología puede proporcionar un flujo de aire estable y con velocidad controlada al sensor, por lo que se recomienda este método cuando el tamaño y la velocidad del flujo de aire cambian con frecuencia. Es posible que la muestra de gas necesite una distancia desde el punto de medición hasta la sonda de medición. La longitud de la distancia depende principalmente del diseño del sensor, pero una línea de muestreo larga aumentará el tiempo de retardo de la medición. línea de muestreo y el caudal del gas desde el punto de fuga hasta la función del sensor. Para algunos gases y vapores objetivo, como el SiH4 y la mayoría de los disolventes biológicos, el volumen de muestreo de gases y vapores puede reducirse porque se adsorberán o incluso se condensarán en las paredes del tubo de muestreo.
Los sensores de gas son una categoría importante de sensores químicos. Desde los principios de funcionamiento, el análisis de características hasta la tecnología de medición, desde los materiales utilizados hasta la tecnología de fabricación, desde los objetos de detección hasta los campos de aplicación, se pueden formar estándares de clasificación independientes y se pueden derivar varios sistemas de clasificación. Especialmente en lo que respecta a los estándares de clasificación, actualmente no existe. No existe uniformidad y una clasificación estricta es bastante difícil.
Las funciones principales de 1
1.1 Estabilidad
La estabilidad se refiere a la estabilidad de la respuesta básica del sensor durante todo el tiempo de trabajo, la cual depende de la deriva del punto cero y deriva del intervalo. La deriva del punto cero se refiere al cambio en la respuesta de salida del sensor durante el tiempo de trabajo cuando no hay gas objetivo. La deriva del intervalo se refiere al cambio en la respuesta de salida de un sensor colocado continuamente en el gas objetivo, que se manifiesta como una disminución en la señal de salida del sensor durante el tiempo de trabajo. Idealmente, la deriva cero anual del sensor es inferior al 10 % en condiciones de funcionamiento continuo.
1.2 Sensibilidad
La sensibilidad se refiere a la relación entre el cambio de salida del sensor y el cambio de entrada medido, que depende principalmente de la tecnología utilizada en la estructura del sensor. Los principios de diseño de la mayoría de los sensores de gas emplean bioquímica, electroquímica, física y óptica. La primera consideración es elegir una tecnología que sea lo suficientemente sensible como para detectar el gas objetivo como un porcentaje de su TLV (umbral), valor límite anterior o LEL (límite explosivo inferior).
1.3 Selectividad
La selectividad también se llama sensibilidad cruzada. Puede determinarse midiendo la respuesta del sensor producida por una determinada concentración de gas interferente. Esta respuesta es equivalente a la respuesta del sensor producida por una determinada concentración de gas objetivo. Esta propiedad es importante en aplicaciones que rastrean múltiples gases, ya que las sensibilidades cruzadas pueden reducir la repetibilidad y confiabilidad de las mediciones, y un sensor ideal debe tener alta sensibilidad y alta selectividad.
1.4 Resistencia a la corrosión
La resistencia a la corrosión se refiere a la capacidad del sensor de estar expuesto a una fracción de gran volumen del gas objetivo. Cuando se fuga una gran cantidad de gas, la sonda debería poder soportar de 10 a 20 veces la fracción de volumen de gas esperada. Al volver a las condiciones normales de funcionamiento, los valores de deriva del sensor y corrección del punto cero deben ser lo más pequeños posible.
Las características básicas de los sensores de gas, como la sensibilidad, la selectividad y la estabilidad, dependen principalmente de la elección de los materiales. Seleccione materiales apropiados y desarrolle nuevos materiales para optimizar la sensibilidad del sensor de gas.
2 Principios principales y clasificaciones
Generalmente, se pueden clasificar según las características de detección de gas, que se pueden dividir principalmente en: sensores de gas semiconductores, sensores de gas electroquímicos, sensores de gas de electrolito sólido Y sensores de gas de combustión de contacto, sensores de gas fotoquímicos, sensores de gas de polímero, etc.
2.1 Sensor de gas semiconductor
Los sensores de gas semiconductores son componentes hechos de óxido metálico o materiales de óxido metálico semiconductor. Al interactuar con el gas, se produce una adsorción o reacción en la superficie, lo que provoca que el movimiento del portador se caracterice por. cambios en la conductividad o propiedades voltamétricas o potencial superficial. Estos están determinados por las propiedades semiconductoras del material.
Desde la llegada de los sensores de gas cerámicos de óxido metálico semiconductor en 1962, los sensores de gas semiconductores se han convertido en los sensores de gas más utilizados y prácticos. Según su mecanismo de detección de gas, se puede dividir en tipo resistivo y no resistivo.
Los sensores de gas semiconductores resistivos se refieren principalmente a sensores de gas cerámicos de óxido metálico semiconductor, que son dispositivos de impedancia hechos de películas de óxido metálico (como Sn02, ZnO, Fe203, Ti02, etc.). ), su resistencia cambia con el contenido de gas. Las moléculas de olor sufren reacciones de reducción en la superficie de la película, provocando cambios en la conductividad del sensor. Para eliminar las moléculas de olor, también debe ocurrir una reacción de oxidación. Un calentador en el sensor ayuda al proceso de reacción de oxidación. Tiene las ventajas de bajo costo, fabricación sencilla, alta sensibilidad, respuesta rápida, larga vida útil, insensibilidad a la humedad y circuito simple. Las desventajas son que debe funcionar a altas temperaturas, tiene poca selectividad para olores o gases, parámetros de componentes dispersos, estabilidad insatisfactoria y altos requisitos de energía. Cuando se mezcla sulfuro con el gas de detección, es fácil envenenarse. Ahora, además de las tres categorías tradicionales de SnO, SnO2 y Fe203, también se han desarrollado varios materiales nuevos, incluidos materiales de óxido metálico único, materiales de óxido metálico compuestos y materiales de óxido metálico mixto. La investigación y el desarrollo de estos nuevos materiales han mejorado enormemente las características y el rango de aplicación de los sensores de gas. Además, añadiendo metales preciosos como Pt, Pd e Ir a los semiconductores, se puede mejorar eficazmente la sensibilidad y el tiempo de respuesta del componente. Puede reducir la energía de activación de la adsorción química del gas medido, mejorando así su sensibilidad y acelerando la velocidad de reacción. Diferentes catalizadores dan lugar a diferentes muestras adsorbidas y, por tanto, a diferentes selectividades. Por ejemplo, los materiales semiconductores sensibles a los gases a base de Sn02 dopados con varios metales nobles, Pt, Pd y Au aumentan la sensibilidad al CH4, y el Ir disminuye la sensibilidad al CH4 y el oro aumenta la sensibilidad al H2, mientras que el paladio disminuye la sensibilidad al gas; sensibilidad a la sensibilidad H2. Los sensores de gas de óxido metálico fabricados con tecnología de película delgada y tecnología de película delgada de partículas ultrafinas tienen las características de alta sensibilidad (hasta 10-9), buena consistencia, miniaturización y fácil integración.
Los sensores de gas semiconductores no resistivos son sensores de gas semiconductores con diodos MOS, diodos de unión y transistores de efecto de campo (MOSFET). Su corriente o voltaje cambia con el contenido de gas y detecta principalmente gases combustibles como el hidrógeno y el gas de combustión de silicio. Entre ellos, el principio de funcionamiento de los sensores de gas MOSFET es que los compuestos orgánicos volátiles (COV) reaccionan con metales catalíticos (como botones) y los productos de la reacción se difunden hasta la puerta del MOSFET, cambiando el rendimiento del dispositivo. Identifique los COV mediante el análisis de cambios en el rendimiento del equipo. Al cambiar el tipo de metal catalítico y el espesor de la película, se puede optimizar la sensibilidad y la selectividad, y se puede variar la temperatura de funcionamiento. Los sensores de gas MOSFET tienen una alta sensibilidad, pero el proceso de fabricación es complejo y el coste elevado.
2.2 Sensor de gas electroquímico
Los sensores de gas electroquímicos se pueden dividir en cuatro tipos: tipo de celda galvánica, tipo electrolítico de potencial controlable, tipo de cantidad eléctrica y tipo de electrodo de iones. Los sensores de gas galvánicos detectan la fracción de volumen del gas detectando la corriente eléctrica. Casi todos los instrumentos del mercado que detectan hipoxia están equipados con este sensor. En los últimos años se han desarrollado sensores de gas galvánicos para detectar gases ácidos y tóxicos. Los sensores de electrólisis de potencial controlado detectan la fracción de volumen del gas midiendo la corriente que fluye durante la electrólisis. A diferencia del sensor de batería principal, requiere que se aplique un voltaje específico desde el exterior. No solo puede detectar gases como CO, NO, NO2, O2, S02, etc., sino que también detecta la fracción de volumen de oxígeno en el. sangre. El sensor de gas eléctrico detecta la fracción de volumen del gas a través de la corriente generada por la reacción entre el gas medido y el electrolito. Los sensores de gas con electrodos de iones aparecieron antes. Las principales ventajas de los sensores de gas electroquímicos son la detección de gases midiendo la corriente de polarización de iones, con alta sensibilidad y buena selectividad.
2.3 Sensor de gas con electrolito sólido
El sensor de gas con electrolito sólido es una batería química con un conductor iónico como electrolito. Desde la década de 1970, los sensores de gas con electrolitos sólidos se han desarrollado rápidamente debido a su alta conductividad, buena sensibilidad y selectividad.
Ahora casi se utiliza en diversos campos, como la protección del medio ambiente, el ahorro de energía, la minería, la industria automotriz, etc. , gran rendimiento y amplia aplicación, solo superado por los sensores de gas semiconductores de óxido metálico. Recientemente, algunos académicos extranjeros han dividido los sensores de gas con electrolitos sólidos en las siguientes tres categorías:
1) Sensores, como los sensores de oxígeno, en los que los iones obtenidos del gas a detectar son los mismos que los moviéndose en el electrolito.
2) Los iones derivados del gas a medir adsorbidos en el material son diferentes de los iones en movimiento en el electrolito, como por ejemplo un sensor de gas compuesto de electrolito sólido SrF2H y electrodo de Pt, utilizado para medir oxígeno. .
3) Los iones del gas a medir adsorbidos en el material son diferentes de los iones móviles en el electrolito y de los iones fijos en el material. Por ejemplo, el sensor de gas con electrolito sólido de CO2 de alta calidad recientemente desarrollado está compuesto por el electrolito sólido NASICON (Na3Zr2Si2P012) y materiales de electrodo auxiliares Na2CO3-BaC03 o Li2C03-CaC03, Li2C03-BaC03.
La mayoría de los sensores de electrolitos sólidos de alta calidad recientemente desarrollados pertenecen actualmente a la tercera categoría. Otro ejemplo es un sensor de electrolito sólido NaSiCON y electrodo auxiliar NO2-li2c 03 para medir NO2; un sensor de electrolito sólido YST-oro-óxido de tungsteno para medir H2S; un sensor de electrolito sólido NH4-ca2o3 para medir Sensores para medir NH3 ; sensores para medir NO2 fabricados con electrolito sólido Ag0,4Na7,6 y electrodo Ag-Au, etc.
2.4 Sensor de gas de combustión por contacto
El sensor de gas de combustión por contacto se puede dividir en tipo de combustión de contacto directo y tipo de combustión de contacto catalítico. Su principio de funcionamiento es que cuando se energizan materiales sensibles al gas (como cables calefactores de platino, etc.), el gas combustible se oxida y quema bajo la acción del catalizador, y el cable calefactor eléctrico genera calor debido a la combustión, lo que provoca su valor de resistencia al cambio. Este tipo de sensor no es sensible a gases no combustibles. Por ejemplo, un sensor fabricado recubriendo catalizadores activos Rh y Pd en el cable tiene características de amplio espectro y puede detectar varios gases combustibles. Este tipo de sensor a veces se denomina sensor de conductividad térmica y se usa ampliamente para monitorear y alarmar gases combustibles en plantas petroquímicas, astilleros, túneles mineros, baños, cocinas y otros lugares. El sensor es muy estable a temperatura ambiente y puede detectar la mayoría de los gases inflamables en el límite explosivo inferior.
2.5 Sensor óptico de gas
Los sensores ópticos de gas incluyen el tipo de absorción infrarroja, el tipo de absorción espectral, el tipo de fluorescencia, el tipo de material químico de fibra óptica, etc. , principalmente analizador de gases de absorción infrarroja. Dado que diferentes gases tienen diferentes picos de absorción infrarroja, los gases se detectan midiendo y analizando los picos de absorción infrarroja. Actualmente, la última tendencia es desarrollar analizadores infrarrojos en línea con conmutación de fluidos, medición directa de flujo y transformada de Fourier. El sensor es altamente resistente a vibraciones y contaminación. Combinado con una computadora, puede probar y analizar gases continuamente y tiene funciones de operación y corrección automáticas. Los sensores ópticos de gas también incluyen quimioluminiscencia, fluorescencia de fibra óptica y guías de ondas de fibra óptica, cuyas principales ventajas son la alta sensibilidad y la buena confiabilidad.
El cuerpo principal del sensor de gas de fibra óptica es una fibra óptica de vidrio recubierta con sustancias activas en ambos extremos. El principio activo consiste en un tinte fluorescente inmovilizado sobre una matriz polimérica orgánica. Cuando los COV reaccionan con tintes fluorescentes, la polaridad del tinte cambia y su espectro de emisión de fluorescencia cambia. Cuando el sensor se ilumina con un pulso de luz, el tinte fluorescente emite luz de diferentes frecuencias y los COV se pueden identificar detectando la luz emitida por el tinte fluorescente.
2.6 Sensor de gas polimérico
En los últimos años, la investigación y el desarrollo de materiales poliméricos extraños sensibles al gas han logrado grandes avances. Los materiales poliméricos sensibles a los gases desempeñan un papel importante en la detección de gases tóxicos y la frescura de los alimentos debido a su fácil operación, proceso simple, buena selectividad a la temperatura ambiente, bajo precio y fácil combinación con sensores de microestructura y dispositivos de ondas acústicas de superficie. Los sensores de gas de polímero se pueden dividir principalmente en las siguientes categorías según sus propiedades de detección de gas:
l) Sensores de gas de resistencia de polímero
Este tipo de sensor mide la resistencia del gas de polímero- materiales sensibles para medir la fracción volumétrica del gas. En la actualidad, los materiales principales incluyen polímero de cianina, película LB, polipirrol, etc. Sus principales ventajas son el proceso de fabricación sencillo y el bajo coste. Sin embargo, este sensor de gas requiere activación mediante electropolimerización, lo que lleva mucho tiempo y puede provocar diferencias de rendimiento entre lotes.
2) Sensor de gas de batería de concentración
El principio de funcionamiento del sensor de gas de batería de concentración es que el material sensible al gas forma una batería de concentración cuando absorbe la concentración del gas. se puede medir midiendo la fracción de volumen de la fuerza electromotriz. En la actualidad, existen principalmente materiales como el alcohol polivinílico-ácido fosfórico.
3) Sensor de gas de onda acústica de superficie El sensor de gas de onda acústica de superficie está fabricado sobre un sustrato de material piezoeléctrico. La superficie de un extremo sirve como sensor de entrada y el otro extremo sirve como sensor de salida. En la zona entre ellos se deposita una película de polímero capaz de absorber COV. Las moléculas adsorbidas añaden masa al sensor, lo que cambia la velocidad o frecuencia de las ondas sonoras que viajan a través de la superficie del material. La fracción de volumen de gas se puede medir midiendo la velocidad o frecuencia de las ondas sonoras.