Вопрос 41

Амперометрические сенсоры и датчики. Кислородомер.

Ответ:

Амперометрический датчик состоит из химического селективного слоя, дающего отклик на присутствие определяемого компонента и изменение его содержания, и физического преобразователя (трансдьюсера). Последний преобразует энергию, возникающую в ходе реакции селективного слоя с определяемым компонентом, в электрический сигнал, который затем измеряется с помощью электронного устройства. Этот сигнал и является аналитическим, поскольку дает прямую информацию о составе среды (раствора).

Если к электродам электрохимического элемента приложить внешнее напряжение, превышающее величину их электродного потенциала, то динамическое равновесие между прямыми и обратными химическими реакциями возле электродов нарушается, и через элемент начинает течь электрический ток. Это явление лежит в основе амперометрического сенсора.

Это обусловлено тем, что ионы, которые находятся вблизи электрода, сразу вступают в химическую реакцию, их концентрация здесь быстро уменьшается и становится значительно ниже, чем в основном объеме электролита. Из-за уменьшения концентрации ионов возле электрода уменьшаются скорость реакции и обусловленный ею электрический ток (поток электрических зарядов).

Возникающий вследствие обеднения прикатодной области градиент концентрации ионов в электролите и стимулирует диффузию ионов из объема к электроду. К этому добавляется также дрейф ионов под действием слабого электрического поля, возникающего в электролите. И со временем устанавливается новое динамическое равновесие, когда количество ионов, вступающих за единицу времени в химические реакции возле электродов, сравнивается с количеством ионов, которые подходят к электродам из объема электролита посредством диффузии и дрейфа. Электрический ток перестает изменяться. Этот стационарный электрический ток пропорционален концентрации ионов в электролите. И измеряя его, после соответствующей калибровки сенсора, можно достаточно точно определять концентрацию ионов в исследуемом растворе.

Кислородомер является разновидностью амперометрического сенсора и имеет следующую конструкцию. В пластмассовом цилиндрическом корпусе сделаны сквозные отверстия для проводников, в которых размещены индикаторный (рабочий) электрод из платины и электрод сравнения из серебряных проволок, концы которых покрыты пастой из хлорида серебра. Нижний конец корпуса обтягивают газопроницаемой полимерной мембраной из полипропилена (полиэтилена, фторопласта, целлофана и т.п.), которую механически фиксируют на корпусе с помощью резинового кольца. В пространство между электродами и мембраной залит водный раствор хлорида кальция. Извне мембрана контактирует с контролируемой средой. Это может быть как жидкость, так и газ.

Если в контролируемой среде кислорода нет, то при подаче напряжения между электродом сравнения (анод) и рабочим электродом установившийся стационарный ток очень слаб. При наличии в контролируемой среде кислорода его молекулы диффундируют сквозь мембрану и через раствор. Когда они достигают индикаторного электрода, то благодаря каталитическим свойствам платины здесь происходит реакция восстановления, вследствие которой ток через электрохимический элемент значительно возрастает.

Стационарный ток линейно зависит от концентрации кислорода в контролируемой среде. Этим данный сенсор существенно отличается от потенциометрических газовых сенсоров, у которых разность электродных потенциалов зависит от концентрации газа логарифмически. Соответственно в амперометрических газовых сенсорах диапазон измеряемых концентраций более узок, чувствительность ниже, но точность определения концентрации в рабочем диапазоне выше. Рабочий диапазон измеряемых концентраций, кроме конструктивных факторов, можно регулировать также, изменяя величину приложенного напряжения.