Рис. 10 Электрохимический датчик на основе жидкого электролита

Рис. 11 Электрохимический датчик кислорода на основе жидкого электролита

Рис. 13 Зависимость выходного напряжения датчика от концентрации кислорода

Рис. 14 Электрохимический датчик TGS5042 на основе жидкого электролита

Этот тип сенсоров демонстрирует высокую точность, хорошую линейность и превосходную чувствительность при измерении концентрации газа. Датчики с жидким электролитом не содержат нагревательного элемента (см. рис. 10), как следствие не потребляют электроэнергию и могут, поэтому с успехом использоваться в переносных устройствах с электропитанием от батареек или аккумуляторов.

В отличие от традиционных электрохимических датчиков других производителей, сенсоры Figaro сконструированы с учетом всех требований по экологической безопасности, благодаря использованию специального раствора электролита.

Чувствительным элементом кислородных датчиков является гальваническая ячейка с раствором электролита. Обычно в качестве электролита используется водный раствор щелочи калия (КОН), однако ему присущи ряд недостатков, среди которых малый срок годности и пониженная сопротивляемость к присутствию в газовой смеси углекислого газа. В кислородных датчиках Figaro (см. рис. 11) применяется многокомпонентный электролитический раствор кислоты, созданный по оригинальной технологии, стойкий к воздействию газов (таких как CO2), легко вступающих в реакцию окисления. Срок годности электролита кислотного типа десятикратно превышает срок годности щелочных электролитов.

Величина выходного тока датчика линейно пропорциональна концентрации кислорода (строго говоря, его парциальному давлению) в измеряемой газовой смеси, контактирующей с мембраной, при этом снимаемое напряжение однозначно характеризует эту концентрацию и является выходным параметром датчика (рис.13).

На электродах сенсора с электролитом кислотного типа происходят следующие химические реакции:

Катод: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O

Анод: 2Pb + 2H₂O → 2PbO + 4H⁺ + 4e^-

В целом: O₂ + 2Pb → 2PbO

В результате реакции на аноде образуется оксид свинца, который хорошо растворяется как в кислотной, так и в щелочной среде. Тем не менее, способность электролита растворять оксид свинца ограничена, и если он не растворяется полностью, а остается на электроде, потенциал анода постепенно снижается, что приводит к ухудшению чувствительности датчика и выходу его из строя. Иными словами, срок службы датчика зависит от степени растворимости оксида свинца в электролите конкретного типа. Растворимость в кислотном электролите, созданном по оригинальной технологии, который применяется в датчиках Figaro, в 20 раз превышает растворимость оксида свинца в щелочном электролите.

Если в измеряемой газовой смеси присутствует углекислый газ, через мембрану проникает угольная кислота, которая, в случае щелочного электролита, вступает в реакцию с материалом анода с образованием нерастворимого карбоната свинца (PbCO3), что постепенно приводит к выходу сенсора из строя. В кислотном электролите эта реакция не происходит, и присутствие углекислого газа в измеряемой смеси не влияет на характеристики датчика. Технические характеристики кислородных датчиков представлены в таблице 4.

Таблица 4. Характеристики датчиков KE-25 и KE-50

Новый электрохимический датчик угарного газа (CO) с жидким электролитом под названием TGS5042 (см. рис. 14) выполнен в корпусе от обычной пальчиковой батарейки AA и способен работать в диапазоне температур от -40 до +70°С при концентрациях CO от 0 до 10000 ppm. По сравнению с подобными сенсорами от других производителей, TGS5042 имеет такие преимущества: используется слабощелочной раствор электролита, который удовлетворяет всем требованиям по экологической безопасности; нет риска утечки электролита из корпуса датчика; нет износа электродов и расхода химических материалов датчика в процессе работы; низкая чувствитиельность к интерференционным газам.

Рис. 15. Конструкция датчика TGS5042

На электродах сенсора TGS5042 с электролитом слабощелочного типа (см. рис. 15) происходят следующие химические реакции:

Анод:

CO + 2OH^-= CO2 + H2O + 2e^-
CO + 2HCO3^- = 3CO2 + H2O + 2e^-
CO + CO3^2- = 2CO2 +2e^-

Катод:

1/2O2 + H2O + 2e- = 2OH^-
1/2O2 + 2CO2 + H2O + 2e^- = 2HCO₃^-
1/2O2 + CO2 + 2e^- = CO3^2-

В целом:

CO + 1/2O2 = CO2

Рис. 16 Зависимость выходного напряжения датчика TGS5042 от концентрации

Благодаря долгому времени наработки на отказ, хорошей долговременной стабильностью, линейностью (см. рис. 16) и высокой точностью этот сенсор является идеальным выбором для детекторов CO с цифровой индикацией. На корпусе каждого сенсора напечатан индивидуальный бар-код, параметр чувствительности, по которому заказчику будет проще осуществлять калибровку своей электрической схемы.