电化学气体传感器在烟气监测中的应用
1 前言
烟气分析仪是 对锅炉烟道有害气体如SO2、CO2、NO2、CO 等以及烟气中氧含 量 进行检 测的仪器。常用于燃煤锅炉、燃 油锅炉烟道 排 放气 及污染源附近的环境 监 测。气体传感 器 是 烟 气 分析仪 的 核心部 件，常用气体传感 器多为电化学传感 器。电 化 学 气 体 传 感 器 性 能 比 较 稳 定，寿命较长，对气体响应快，不受湿度的影响，分辨率一般高达0.1μ mol/mol。其温度 适应性较宽（可以在-40~50℃间工作），很多仪器都有软硬件的温度补偿处理。同时电化学式传感器又具有体积小、操作简单、携带方便、可用于 现 场监 测 及 成 本低 等 优 点。所以，在目前各 类气体 检 测 设备中，电化学气体传感 器占有很 重要的地位。
2 电化学传感器原理及结构
按照检 测 原 理 的不同，电化学气体传感 器主要分为催 化燃 烧 式传感 器、定电位电 解式传感 器、迦伐尼电池式 氧气传感器、红外式传感器、PI D 光离子传感器等。目前烟气分析仪中使 用较 多的是 定电位电 解式传感器、迦伐尼电池式氧气传感器。
2.1 定电位电解式传感 器的工作原理
使电解池电解质 溶液的界面保持 一定电位进行电解，通过调整其设定电位，有选 择 地使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。
2.2 定电位电解式传感 器的结构
在一个塑料制成的筒 状池体以内安装感应电极、计数电 极和 参比电 极，在电 极 之间充 满电 解 液，由多 孔四氟乙烯做 成的隔膜 在顶部封装。前置 放 大器 与传感器电 极 连 接，在电 极 之间 施 加 一定 的电位，使传感 器处 于工作 状 态。气体 在电 解质内的工作电 极 发 生氧化或还 原反 应，在 对电 极 发 生 还 原 或氧化反 应，电 极的平 衡电位 发 生变 化，变 化值与气体 浓 度 成 正比。可测量SO 2、NO、NO 2、CO、H 2S 等 气体。但 这 些 气体传感器灵敏 度却 不相同，灵敏 度 从高 到 低 的顺 序 是H 2S、NO、NO2、SO2、CO，响应时间一 般为几秒至几十秒，一 般小于1min，其寿 命短的只有半年，长则2~3年。
2.3 迦伐尼电池式氧气传感 器的工作原理
与定电位电解式一样，通 过 测 量电解电流 来检测气体浓度。但由于传感 器本身就是电池，所以不需要由外界施加电压。这种传感 器主要是 用于O 2的 检 测，检测缺氧的仪器几乎都使用这种传感 器。
2.4 隔膜 迦伐尼电池式氧气传感 器的结构
在 塑 料 容 器 的 一 面 装 有 对 氧气 透 过 性 良 好，厚10~30μ m的聚四氟乙烯透气膜，在其容器内侧紧 粘着贵金属（铂、黄 金、银）阴电极,在容 器 的另一面内侧或容 器的空余部分设置阳极（用铅、镉等离子化倾向大的金属）。用KOH、KHCO3作电解液。氧气在通过电解质时在阴阳极发 生氧化还 原反 应，使阳极 金属离子化，释放出电子，电流的大小与氧气的多少成正比。由于整个反 应中阳极金属有消耗，所以传感器需要定期更换。
3 科学地延长电化学传感器的使用寿命
电化学传感 器大 都是以水溶液作为电 解质,电 解质的蒸发与污染，常会导致传感器的信号下降，缩短使用寿命；由于在空气中有被测物质存 在，传感 器 中的有效成分被消 耗，因此传感 器 一旦被 启封，就 视 为参加了使用，即使没用于测量，其寿命也在缩短，电化学传感器的寿命期 望值为2 年，若 使 用不当其寿 命可能更短，而传感器更换的费用较高。因此如何保证其使用寿命，传感器的正确维护对烟气分析仪的使用尤为重要。
（1）传感器长时间暴露在烟气中会极大影响使用寿 命，只有短时间与 被 测 对 象 接 触，长期处于新鲜的空气中 才可维 护 其正常使 用寿 命。因 此，仪器 开机时，一定要 在清洁 的空气中。测量完毕后不要立即关机，仪器必须在清洁空气 运 行5~10min，待 仪器 气体显 示值 降至10 单位以下，保 持 仪器内部 处 于 新 鲜空气的环 境方可关机 或停泵。否则，传感 器容易“中毒”并加速传感 器的损耗。
（2）对于 装有粉尘 过 滤器 装 置的仪器，要及时更换 过 滤 芯，避 免 粉 尘 进 入传感 器内污染传感 器。对 于便 携式仪器，不论仪器是否经常使用，至少 每隔2~3周充电一次，且采样时电池电量不应低于30%。
（3）有些 厂家安装了两个 泵：抽气 泵 和内置的清洗 泵，在仪器连续监测一段时间后，抽气 泵会关闭，在仪器内部的 清 洗 泵会自动 开启，抽取仪器周围的 清 洁空气，使仪器 的传感 器 得到充分 的清洗，这 样 也延 长了传感 器的使用寿 命。
4 保证仪器的准确性
为了保证 烟 气 分析仪 的精度 和系 统的完 整 性，对仪器还需要进行正常运行性流量检查及示值标定。烟 气 分析 仪 是 通 过 抽 取 烟 道 中气体到 气体传感器。烟 道常采用负 压，也 就 是说 在 烟 道中 如果 仪器 的泵 抽力小，即泵 的 流 量小，当负 压 超 过仪器 中泵 的吸力时，会导致实际测量数 据偏低。因此，使用仪器时，既 要 根 据 测 试 工 况 的负 压 范 围，选 用 相 应 型 号 的 仪器，还 要对仪器 的流 量进行测 量，一 般仪器 的流 量 要保证在0.7L/min以 上，才有可能保证仪器 测量的准确性。日常工作中，可以 根 据本身具 备 的环 境 和 条 件选用 不 同 的 方 法 进 行 示 值 标 定，以保 证 仪 器 的 正常 运行，但 对外出具公 证 数 据 时，则一定要 到 计 量 检 定 部门按周期检定，以保证仪器的准确性。
（1）选 择洁净的空气，对仪器的零点 进行标定。此 时 有 害 气 体 的 含 量 应 为“ 零”，而 氧 的 含 量 则 为20.9%。
（2）选 择 纯氮，通 入氮气，氧传感 器的显 示应 迅速 下降为0.2mg /m 3以下，否则气体传感 器失 效，而 有害气体的显示应为“零”。
（3）选 择 一定浓度的标准气体进行标定，按照仪器使用说明书对每 个传感 器 进行 一 一标定，如果发现示值误 差 超 过说明书给出的技 术指标，可通 过 校准程序 或仪器内部电位器 的调 整，对仪器 进 行 调 整。如 果在使 用中监 测的数 据 异 常偏 低，反 应非常 慢，或 在 标定过 程中发现传感 器反 应非常 慢，线 性 误 差 较 大，无法调 整；或 是 刚刚调 整 好，再进行测 量 数值 又 发 生了变化，则可以考虑更换传感 器。在更换传感 器之后，也要对传感 器或仪器进行及时反复的标定，调整准确后才能使用。
5 结束语
在实际应 用中，通 过 对电化学气体传感器进行科学合 理 的使 用和 维护，大大延长了电化学传感器的使用寿 命，保证了烟气分析仪的测量准确性。同时，电化学气体传感 器稳定 运 行，也为烟气的监 测 提 供了可靠保障，为企业节能减排，保护环境发挥重要作用。