Электрохимические датчики газа с твердотельным типом электролита

Figaro была первой компанией, которая успешно внедрила в серийное производство датчики углекислого газа (CO2), на основе твердотельного электролита по запатентованной фирмой Figaro технологии (см. рис.5). Эти датчики (TGS4160, TGS4161) имеют компактные размеры, малое электропотребление и имеют меньшую стоимость и дольшее время наработки на отказ, чем датчики созданные по инфракрасной технологии.

Рис. 5 Электрохимический датчик на основе твердотельного электролита

Рис.6 Чувствительность датчика TGS4160 к различным газам

TGS4160 – это датчик (см. рис. 7) имеющий в своем составе гибридную структуру (сенсор) из твердого электролита чувствительную к углекислому газу и термистор, который служит для компенсации температурной зависимости сенсора. Гибридная структура, расположенная между двумя электродами, содержит нагревательный элемент, выполненный в виде платиновой подложки. Носителями заряда в сенсоре являются катионы натрия (Na+). При помещении в среду с углекислым газом на электродах сенсора происходят следующие электрохимические реакции:

Катод: 2Li⁺ + CO₂ + 1/2O₂ + 2e^- = Li₂CO₃

Анод: 2Na⁺ + 1/2O₂ + 2e^- = Na₂O

В целом: Li₂CO₃ + 2Na⁺ = Na₂O + 2Li⁺ + CO₂

В результате электрохимической реакции элемент создает разность потенциалов (ЭДС), являющуюся откликом датчика и выражающуюся по закону Нернста следующим образом:

ЭДС = Ec - (RT/2F)ln(P(CO₂))

где Ec - константа, R - универсальная газовая постоянная, F - постоянная Фарадея, T – абсотютная температура (К), P(CO₂) - парциальное давление углекислого газа.

На рис.6 показаны графики чувствительности датчика TGS4160 к различным газам. Регистрируемым параметром является разность между значением ЭДС при концентрации углекислого газа 350 ppm (ЭДС1) и значением ЭДС при текущем значении концентрации (ЭДС2):

ЭДС = ЭДС1 -ЭДС2.

Как видно из рис. 6, датчик TGS4160 дает хорошую линейную зависимость между ЭДС и концентрацией углекислого газа (в логарифмическом масштабе), тогда как для угарного газа (СО) и этанола (C2H5OH) значение ЭДС с ростом концентрации не изменяется.

Рис.7 Внешний вид датчика TGS4160

Рис.8 Измерительный модуль на основе датчика (CO2) TGS4160

Для того чтобы обеспечить максимальную точность измерений, фирма Figaro предлагает специально разработанный для этих целей измерительный модуль CDM4160 (рис.8), содержащий микропроцессор для цифровой обработки сигнала. Для более компактного датчика углекислого газа - TGS4161, можно приобрести измерительный модуль CDM4161.

Технические параметры датчиков определения концентрации углекислого газа, изготавливаемых на основе твердого электролита, приведены в таблице 3.