Úvod
Na základě své spolehlivosti a přesnosti zobrazovaných hodnot se měřicí technika pro emise od firmy Testo těší u zákazníků ve světě velmi dobré pověsti. Typickými aplikacemi jsou seřízení a sledování otopných zařízení a měření u tepláren a elektráren, na motorech nebo turbínách. V závislosti na palivu a nastavení zařízení je hlavní složka plynu u těchto aplikací velmi dobře známá.
Kromě toho se přístroje pro měření emisí Testo používají také pro sledování nejrůznějších procesů, u nichž se složení plynu značně mění. S tématikou možných křížových vlivů plynů a jak s tímto jevem zacházet, se zabývá tento Whitepaper.
Křížové citlivosti u senzorů
Pojem křížová citlivost popisuje skutečnost, že senzor nereaguje výlučně na cílovou měřenou veličinu, ale také na další ovlivňující veličiny. Jinak řečeno: senzor s křížovou citlivostí nemá perfektní selektivitu. Pro senzory je tento požadavek obzvláště vysoký, poněvadž měření specifické koncentrace plynu musí být možné ideálně v jakékoliv komplexní hlavní složce plynu – se stovkami plynů a par coby potenciálními rušiteli selektivity. Není tedy zvláštní, že téměř všechny principy měření používané u senzorů disponují křížovou citlivostí vůči doprovodnému plynu. Například paramagnetické měřicí přístroje pro kyslík dobře reagují také na oxid dusičitý a u chemiluminiscentní metody pro určování oxidů dusíku působí jako rušivé veličiny čpavek a oxid uhličitý. Také elektrochemické senzory, které jsou preferovány u měřicích přístrojů Testo, nejsou nedotčeny jevem křížových citlivostí.
Obr. 1: Elektrochemické senzory v přístroji testo 340
Křížové citlivosti u elektrochemických senzorů a strategie pro kompenzaci
Princip působení elektrochemického senzoru je třeba nejprve objasnit pomocí schématu na obrázku 2. Měřený plyn, například kysličník uhelnatý (CO), musí projít difuzní bariérou (kapilárou nebo membránou) a u některých typů senzorů chemickým filtrem, a dostane se pak k tak zvané pracovní elektrodě. Ta ‚plave‘ v elektrolytu, tzn. ve vodním, kysele nebo alkalicky působícím roztoku. Molekula plynu spustí na pracovní elektrodě chemickou reakci, vytvoří se ionty, například protony (H+), které se dostanou k protější elektrodě, kde reagují s kyslíkem, který se nachází v elektrolytu v rozpuštěné formě. Přitom současně vzniká elektrický proud, který se odvádí do vnějšího elektrického obvodu a slouží jako měřítko zjištěné koncentrace plynu. Třetí elektroda (referenční elektroda) slouží ke stabilizaci signálu senzoru.
Aby se mohly tyto chemické reakce na elektrodách uskutečňovat, musí tyto obsahovat ušlechtilý kov (např. platinu) jako katalyzátor. Výběr vhodných materiálů katalyzátoru pro elektrody je omezený a odpovídající materiály projevují svůj katalytický účinek u různých plynů. Mísením různých katalyzátorů lze selektivitu proti specifickému plynu zvýšit. Přesto je nevyhnutelné, aby elektrochemické senzory vykazovaly křížové citlivosti. Například když má platinová elektroda vysokou katalytickou aktivitu a je v senzoru pro CO naplněném vodním roztokem zředěné kyseliny sírové, objevují se i rušivé plyny NO, NO2, SO2 a H2.
Obr. 2: Elektrochemický senzor pro CO a ostatní plyny (schematické znázornění)
Jak tedy lze tyto nežádoucí křížové citlivosti v senzorech, příp. v měřicích přístrojích minimalizovat, aby se dosáhlo přesného údaje o koncentraci? Zde připadají v úvahu různé strategie.
Materiály katalyzátoru
Nejdůležitějším začátkem je, jak již bylo zmíněno, cílený výběr materiálu katalyzátoru, příp. směsi katalyzátorů pro elektrodu a k němu vhodného elektrolytu. Obecně bylo u komerčně disponibilních elektrochemických senzorů dosaženo vyspělého stavu techniky. Avšak v detailech může být docíleno ještě dalších pokroků. Jako příklad je popsán na straně 5 nový senzor SO2 odolný vůči CO.
Předpětí
Volbou vhodného předpětí pro pracovní elektrodu lze rovněž selektivitu zlepšit. Tato metoda se používá například u senzorů NO. Pracovní elektroda používá jako materiál pro katalyzátor grafit a dodatečné předpětí 300 mV vůči referenční elektrodě, která je rovněž v senzoru zabudována. Jako elektrolyt se zde používá také vodní roztok kyseliny sírové. Elektrochemický potenciál tohoto systému sice umožňuje měřit NO, avšak nikoliv nebo téměř nikoliv časté doprovodné plyny NO2 a CO, což elektrochemickým senzorům NO v porovnání propůjčuje vysokou selektivitu.
Filtry
Mnoho elektrochemických senzorů používá chemické filtry proti křížovým vlivům. Aby bylo možné funkci filtru uskutečňovat, musí materiál filtru zadržovat rušivé doprovodné plyny, avšak cílový plyn ponechat volný.
To byla pouze malá ukázka. Chcete se dozvědět více?
Čekají na Vás další informace:
Senzor CO s kompenzací H2
Výpočet křížových citlivostí
Zvláštnosti u měřicích přístrojů a senzorů Testo
Limity u kompenzace křížových citlivostí
Úspěch u inovace senzoru SO2
Závěr
