电化学气体传感器在烟气分析仪中的使用与维护

    烟气分析仪是对有害气体如二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳等排放以及氧含量的气体检测的仪器。用于燃油、燃气锅炉污染排放、烟道气及污染源附近的环境监测。气体传感器是烟气分析仪检测气体的核心，常用气体传感器多为电化学传感器。
　　电化学气体传感器性能比较稳定，寿命较长，耗电很小，对气体的响应快，不受湿度的影响，分辨率一般可以达到0．1μmol／mol(随传感器不同有所不同)。它的温度适应性也比较宽(有时可以在-40℃到50℃间工作)。然而，它受读数温度变化的影响也比较大。所以很多仪器都有软硬件的温度补偿处理。同时电化学式传感器又具有体积小、操作简单、携带方便、可用于现场监测及成本低等优点，所以，在目前各类气体检测设备中，包括烟气分析仪，电化学气体传感器占有很重要的地位。
1 常用电化学传感器原理及结构
　　按照检测原理的不同，电化学气体传感器主要分为金属氧化物半导体式传感器、催化燃烧式传感器、定电位电解式气体传感器、迦伐尼电池式氧气传感器、红外式传感器、PID光离子化传感器等等。目前，烟气分析仪中使用较多的是定电位电解式气体传感器和迦伐尼电池式氧气传感器。
　　定电位电解式气体传感器工作原理是：使电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择地使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。其结构是：在一个塑料制成的筒状池体内安装工作电极、对电极和参比电极，在电极之间充满电解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在顶部封装。前置放大器与传感器电极的连接，在电极之间施加了一定的电位，使传感器处于工作状态。气体在电解质内的工作电极发生氧化或还原反应，在对电极发生还原或氧化反应，电极的平衡电位发生变化，变化值与气体浓度成正比。可测量SO2、NO、NO2、CO、H2S等气体，但这些气体传感器灵敏度却不相同，灵敏度从高到低的顺序是H2S、NO、NO2、SO2、CO，响应时间一般为几秒至几十秒，一般小于1min；它们的寿命，短的只有半年，长则2年、3年，而有的CO传感器长达几年。
　　伽伐尼电池式气体传感器与定电位电解式一样，通过测量电解电流来检测气体浓度。但由于传感器本身就是电池，所以不需要由外界施加电压。这种传感器主要是用于O2的检测，检测缺氧的仪器几乎都使用这种传感器。隔膜迦伐尼电池式氧气传感器的结构：在塑料容器的一面装有对氧气透过性良好的、厚10～30μm的聚四氟乙烯透气膜，在其容器内侧紧粘着贵金属(铂、黄金、银等)阴电极，在容器的另一面内侧或容器的空余部分设置阳极(用铅、镉等离子化倾向大的金属)。用KOH、KHCO3作电解液。氧气在通过电解质时在阴阳极发生氧化还原反应，使阳极金属离子化，释放出电子，电流的大小与氧气的多少成正比，由于整个反应中阳极金属有消耗，所以传感器需要定期更换。
2 如何科学地延长电化学传感器的使用寿命
　　电化学气体传感器大都是以水溶液作为电解质，电解质的蒸发或污染，常会导致传感器的信号下降，使用寿命短；由于在空气中有被测物质存在，传感器中的有效成分被消耗，因此传感器一旦被启封，就视为参加了使用，即使没用于测量，它的生命也在缩短；电化学型气体传感器的寿命期望值为2年，使用不当它的寿命可能更短，而传感器更换的费用较高。因此如何保证其使用寿命，传感器的正确维护对烟气分析仪的使用尤为重要。
　　传感器长时间暴露在烟气中会极大影响使用寿命，只有短时间与被测对象接触，长期处于新鲜的空气中即可维护其正常使用寿命。因此，仪器开机时，一定要在清洁的空气中。测量完毕后，不要立即关机，仪器必须在清洁空气保持运行时间5～10min，待仪器气体显示值降至10单位以下，保持仪器内部处于新鲜空气的环境，方可关机或停泵，否则，传感器容易“中毒”并加速传感器的损耗。
　　对于装有粉尘过滤装置的仪器，要及时更换过滤芯，避免粉尘进入传感器内，污染传感器。对于便携式仪器，不论仪器是否经常使用，至少每隔2～3周充电一次，且采样时电池电量不应低于30％。
　　有些厂商安装了两个泵：抽气泵和内置的清洗泵，在仪器连续监测一段时间后，抽气泵会关闭，在仪器内部的清洗泵会自动开启，抽取仪器周围的清洁空气，使仪器的传感器得到充分的清洗，这样也延长了传感器的使用寿命。
3 如何保证仪器的准确性
　　为了保证烟气分析仪的精度和系统的完整性，对仪器还需要进行正常运行性流量检查及示值标定。
　　烟气分析仪是通过抽取烟道中气体到气体传感器，对被测量气体检测的，为利于烟气排放，烟道常采用负压，也就是说在烟道中如果仪器的泵抽力小，即泵的流量小，当负压超过仪器中泵的吸力时，会导致实际测量数值偏低。因此，使用仪器时，既要根据测试工况的负压范围，选择相应型号的仪器，还要对仪器的流量进行测量，一般仪器的流量要保证在0．7L／min以上，才有可能保证仪器测量的准确性。
　　日常工作中，可以根据本身具备的环境及条件选择不同的方法进行示值标定，以保证仪器的正常运转，但要对外出具公证数据时，则一定要到计量检定部门按周期检定，以保证仪器的准确性。
　　其一：选择洁净的空气，对仪器的零点进行标定。此时有害气体的含量应为“零”，而氧的含量则应为20．9％。
　　其二，选择纯氮，通入氮气氧传感器的显示应迅速下降为0．2mg／m。以下，否则氧传感器失效，而有害气体的显示应为“零”。
　　其三，选择一定体积质量的被测量标准气体进行标定，按照仪器使用说明书对每个传感器进行一一标定，如果发现示值误差超过说明书给出的技术指标，可通过校准程序或仪器内部电器指标的调整，对仪器进行调整。如果在使用中监测的数据异常偏低，反应非常慢；或在标定过程中发现传感器反应非常慢，线性误差较大，无法调整；或是刚刚调整好，再进行测量数值又发生了变化，则可以考虑更换传感器。
　　在更换传感器之后，也要对传感器或仪器进行及时反复的标定，调整准确后，才能使用。
　　总之，科学合理的使用、维护，可有效地延长电化学传感器的寿命，以保证烟气分析仪的测量准确性。