Электрохимические датчики предназначены для обнаружения газов путем измерения тока, возникающего в результате химической реакции между газом и датчиком. В данной статье разбирается принцип работы датчика CO на основе протонного проводника с короткозамыкающим типом тока. 

Принцип работы датчика CO на основе протонного проводника с короткозамыкающим типом тока.

Сенсор серии SSN-GEC-CO для окиси угарного газа (CO) является проводником протона углеродного моноксида, который использует короткозамкнутый ток как сигнал датчика. Основными компонентами слоя газового датчика являются рабочий электрод, контр-электрод и мембрана, проводящая протоны между ними.

Когда датчик помещается в чистый воздух без подключения рабочего электрода к контр-электроду внешней проводкой, т.е. при открытой цепи, электрохимическая реакция (1) происходит на рабочем и контр-электродах, соответственно, приводя к равновесному потенциалу (E1) на обоих электродах.

2H+ + 1/2O2 + 2e- ⇄ H2O…(1)

В присутствии СО, смешанного с воздухом при открытой цепи, анодное окисление СО (2) и катодное восстановление кислорода (3) происходят на рабочем электроде одновременно с одинаковой скоростью, формируя локальный элемент.

CO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e-…(2)

2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O…(3)

В результате потенциал рабочего электрода изменяется от E1 до смешанного потенциала (EM), при котором анодный ток i(2) и катодный ток i(3) в стационарном состоянии равны по абсолютной величине (рисунок 1). Объем CO, достигающего рабочего электрода, ограничен системой контроля диффузии, например, нержавеющей пленкой контроля диффузии газов, как используется в сенсорах серии SSN-GEC, обеспечивая диффузионный лимитирующий ток (рисунок 1), который линейно пропорционален концентрации CO. Поскольку на контр-электроде происходит только реакция (1), потенциал контр-электрода остается на уровне E1. Таким образом, чувствительный сигнал этого потенциометрического (тип смешанного потенциала) сенсора может быть определен по формуле EM — E1 и пропорционален логарифму концентрации CO в воздухе.

Когда рабочий электрод подключается внешней проводкой к контр-электроду для создания короткозамкнутой цепи в присутствии CO в воздухе, потенциалы двух электродов смещаются к одному значению (Esc) между E1 и EM, как показано на рисунке 1. Поскольку потенциал рабочего электрода изменяется в направлении замедления реакции (3), на рабочем электроде потребляется меньшее количество протонов. В результате избыточные протоны будут перемещаться с рабочего электрода на контр-электрод через протонопроводящую мембрану. Количество избыточных протонов пропорционально концентрации CO в воздухе. И они потребляются реакцией (3) на контр-электроде. Этот процесс сопровождается потоком эквивалентных электронов от рабочего электрода к контр-электроду через внешнюю проводку в качестве короткозамкнутого тока (тока выхода сенсора), который также линейно пропорционален концентрации CO (рисунок 2).

Когда сенсор возвращается в чистый воздух, на рабочем электроде происходит только реакция (1), и ток не течет через проводку, поскольку разность потенциалов между двумя электродами исчезает. Таким образом, сенсор показывает обратимые амперометрические ответы на CO.

Линейная зависимость между концентрациями СО и током выхода сенсора делает этот короткозамкнутый токовый сенсор CO более точным по сравнению с потенциометрическими сенсорами CO, чувствительность которых пропорциональна логарифму концентрации CO в воздухе. Калибруя ток выхода сенсора с известной концентрацией CO, сенсор может использоваться для количественного измерения концентрации CO.

Рисунок 3. Зависимость тока выхода сенсора от концентрации СО.

Короткозамкнутый ток (ток выхода сенсора), протекающий во внешней цепи, будет пропорционален концентрации газа (см. Уравнение 4 и Рисунок 3).

I = F × (A/σ) × D × C × n …(4)

где:
I: Ток выхода сенсора
F: Константа Фарадея
A: Площадь отверстия диффузионной пленки
σ：Толщина диффузионной пленки
D: Коэффициент диффузии газа
C: Концентрация газа
n: Количество электронов-реагентов