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电化学气体传感器常见问题

1. “常规”使用年限

普通气体的电化学传感器的使用年限通常为2~3年,如一氧化碳或硫化氢传感器等。而一些特殊气体,如氟化氢气体的传感器的使用年限仅仅只有12~18个月。盛密的无铅氧气传感器的标准使用年限为5年。具体使用视环境会有相应的延长和缩短。 在理想情况下,即温度和湿度分别保持在20℃和60%RH左右,同时没有污染物的侵入时,已知有的电化学传感器工作超过10年!周期性地暴露在目标气体环境中并不会限制传感器的使用年限,优质的传感器通常都装备充足的催化剂和结实耐用的导体,这些材料并不会因为化学反应而轻易消耗殆尽。

传感器也有所谓的“库存期”或者“存贮周期”,这些时间可能会让用户,服务公司和制造商都感到困惑和沮丧。电化学传感器在生产后通常都有六个月的存贮周期(假定存贮条件为理想的20℃)。在超出这一周期后,传感器输出的信号就有可能变得不稳。这个周期中的一小部分时间不可避免地要用于生产和运输环节。所以,对传感器备件的采购进行详细计划就变得至关重要,其目标是尽量缩短备件在仓库中的存贮时间。

2. 影响传感器寿命的因素

极端温度可以影响传感器寿命。通常,制造商所宣称的设备操作温度范围通常在-30℃到+50℃之间变化。然而,高质量的传感器能够在短时间内承受突破此范围的温度。比如,传感器(如H2S或CO)在短时间(1~2小时)暴露于60℃到65℃是没有问题的。但是,如果极端情况重复发生则会造成电解质挥发,也有可能造成零基线读数移动和反应迟缓等情况。 温度过低时,传感器的灵敏度会降低。也许传感器可以在-40℃的低温工作,但是对气体的灵敏度会大幅度下降(灵敏度甚至可能降低高达80%),而且反应时间也会延长许多,另外,当温度降到-35℃以下时,电解质还有结冰的危险。

当气体浓度过高时,也有可能造成传感器性能下降。通常,电化传感器在测试时,极限气体浓度是其设计浓度的十倍。使用高质量催化剂的传感器应该可以承受这样的情况,并不会对其化学特性或长期性能造成损坏。而使用低质量催化剂的传感器则有可能造成损坏。

潮湿是对传感器影响最大的因素。电化传感器的理想工作环境应当是20℃,60%RH(相对湿度)。当环境湿度超过95%RH时,电解质会因为吸收水分而稀释。在极端情况下,电解质体积会增加2~3倍,很有可能造成电解质从传感器设备体通过接口渗漏。而当湿度低于20%RH时,电解质则有可能脱水。随着电解质脱水,设备反应时间也会显著延长。 通过对传感器进行称重,可以迅速简便地判断出电解质的稀释和脱水情况。与出厂重量相比,当传感器重量有±250mg以上的变化时,则说明传感器的性能很有可能受到了影响。通过将传感器置于相反的极端湿度环境中,电解质原来的稀释或脱水情况都是可逆的。在5~25天的时间里,传感器的重量和电解质浓度都可以恢复到初始状态,性能也一并得到恢复。 要提醒大家注意的是,传感器的灵敏度可能会随着周围环境的情况而变化。一个原本反应不灵敏、反应时间长的传感器可能会随着环境湿度的变化而有所改善。这种情况在四季气候变化鲜明的国家则更为突出。氢硫化物传感器的性能尤其与周边环境联系更为紧密。一台固定式探测器中的传感器的灵敏度和反应时间很有可能在按照当地的温度湿度调试稳定后的两三周内发生改变。当传感器在安装前存放在非常干燥的环境中时(比如带空调的办公室),这种情况尤为普遍。

在特殊情况下,干扰气体可能会因为被催化剂吸收或者与催化剂发生反应生成副产品抑制催化剂,进而破坏传感器电极。

强烈的震动和机械冲击也可能会损伤将电极、连接条(铂金丝)和接口连接在一起的焊点,从而损坏传感器。

3.含过滤功能的气体传感器

在有些传感器上安装有化学过滤层,以尽可能消除干扰气体,尤其是硫化物气体带来的影响。这些过滤层的使用年限有限,通常用ppm小时来定义其对干扰气体的耐受水平。因为气体浓度有高低之分,所以ppm小时这个度量单位也许会不太精确。在目标气体暴露时间减半的情况下,一个标称1000ppm小时的过滤器也不一定能把使用时间延长两倍。 当过滤层饱和时,传感器与干扰气体产生交叉反应的程度随之加重(比如带有过滤H2S气体的过滤层的SO2传感器)。当过滤层用尽时,用户当然无法判断他们所使用的传感器到底是在与SO2还是H2S发生化学反应。 有机过滤层(碳基)虽然非常高效,但是不可再生,而且在环境湿度超过50%RH时,过滤层会因为气孔堵塞而饱和。所以,化学过滤层的功效会在高湿度环境下下降。

4.对气体传感器更换工作进行计划

仪器操作人员渴望通过预测传感器使用年限对传感器更换工作进行提前计划,这样服务工程师在现场维修的时候就可以带来新的传感器,避免了设备停机或重复派人的问题。反言之,如果用户能够有把握将例行传感器更换周期延长,那么他们也自然可以降低更换传感器的成本。

实际上,电化学气体传感器使用年限的预测,设备的使用年限、寿命会受到本文中所提及的种种因素影响,每种具体应用中的情况各有不同。在实际操作中,用户要么根据制造商的建议按照固定时间周期对传感器进行更换,或者根据历史数据进行更换(比如每两三年更换一次),抑或是发现传感器对测试气体没有足够反应的时候进行更换。只有在表现出灵敏度明显下降(或者反应时间过分延长)时,传感器才有可能在服务周期之间发生故障并进行更换。

5.如何发现传感器故障?

在过去的几十年里,人们在气体传感器上应用了若干种的专利和技术,虽然这些技术都宣称可以发现电化学传感器发生故障的情况,但是大多数的技术仅仅是推断传感器在某种电极刺激下工作状态。展示传感器处于工作状态的唯一可靠方法就是使用测试气体并测量传感器的反应——即快速测试或者全面校准。

事实上,电化学传感器并不具备自动防故障功能。在干净的空气中,它们输出零信号电流,在它们报废前,即便暴露在目标气体中,仍然输出零电流。所以,我们无法保证一部气体探测仪器对所发生的故障进行自动识别。 但是,气体探测仪器可以对那些有可能影响传感器性能的事件进行报告:智能气体探测器和变送器能够检测周围环境并在温度超出传感器上下阀值的时候发出报警。变送器也能够将需要测量气体的浓度与传感器最大允许值进行比较,一旦超出就发出警告。在这些例子中,用户应当采取的正确措施就是使用测试气体对传感器进行快速测试来验证传感器是否能正确反应。

6.传感器标定的含义

标定是指用一定浓度的标准气对报警器的示值进行校准,一般包括零点标定和量程点标定。 零点标定一般指的是在高纯氮气或清洁空气环境进行的标定。 量程点标定指的是在一定目标气体浓度下对报警器的标定。

7.传感器使用多久需要标定?

初始校准后使用多久需要标定取决于许多因素,如传感器的工作温度/湿度/压力,及其暴露的气体和所暴露的时间长短。 但是,总的来说,盛密电化学传感器随时间推移可提供非常稳定的信号。 标定间隔取决于应用要求,传感器技术,行业要求和法律要求。 好的作法是,在收货时检测标定以及安装后的一个月检查传感器的准确度。 读数稳定后,根据您的应用,校准检查周期可以延长到3、6甚至12个月。

8.首次使用时,传感器需要多长时间稳定? 

首次使用时,不同传感器所需稳定时间不一样。下表列出几个传感器所需稳定时间:

气体类型

新的或长时间没使用的传感器(小时)

短暂没使用的传感器(分钟)

CO

2

10

H2S

2

10

O2-LF

12

240

H2

2

10

ETO

12

12 Hours

SO2

2

10

NO2

2

10

NO

12

12 Hours

NH3

2

10

PH3

2

10

CLO2

2

10

Cl2

2

10

HCl

12

240

HCN

2

10

CH3SH

2

10

THT

12

12 Hours

C2H3CL

12

12 Hours

O3

2

10

HF

2

10

CH2O

2

10

C2H2

2

10

C2H4

12

12 Hours

9.电化学传感器使用前为什么必须老化?

● 对电极上也会有电荷积累,老化可把电荷中和掉。
● 不用时也会有一些其它气体吸附在上面,通过老化可把其反应掉,工作时更稳定。
● 老化时,工作电极相对参比电极控制在所需的偏压范围内,让传感器进入准备工作状态。

10.电化学传感器(零偏压传感器),为什么储存时要把工作电极和参比电极短路?

因为元件在不用时,电极两端会有电荷积累,短路是使电荷释放,即中和掉。

11.如果将传感器暴露在说明书限定的压力范围之外会怎样?

所有传感器都使用类似的密封系统,依靠疏水性的PTFE来防止液体流出传感器,即有气孔允许气体进入。如果传感器入口处的压力突然升高或降低超过了允许的限度,将会导致泄漏发生。 如果压力变化足够缓慢,则可以在更宽的压力范围内使用传感器。

12.传感器的最佳存储条件

被保存在原始包装中的传感器,即使超过了保存期限,通常也不会发生严重变质。将传感器保存在温和条件下,如果是避免非常热和阳光直射的环境,保存期会更长些。 如果将传感器从其原始包装中取出,则必须将其存放在远离各种溶剂气体的清洁区域中。溶剂气体可能会被吸收到电极上,从而导致电极出问题。

13.传感器的功率要求

两个的电极传感器(例如氧气传感器和两个电极的一氧化碳传感器)是自供电的,因此本身没有功耗。 三个和四个电极的传感器必须在特殊的恒电位电路上运行,因此需要电源。 从本质上讲,传感器仍然不需要电源,因为它直接从目标气体的氧化或还原中产生输出电流,但是由于电路中的放大器不够完善,它们会消耗一些电流。 如果需要,通常可以将传感器的功耗降低到非常低的水平。

14.内置过滤层可以使用多长时间?

某些传感器在内部有一个化学过滤层,旨在去除可能会导致干扰信号的气体。 由于过滤层放置在扩散壁垒的后面,因此气体通过过滤层的速度远低于在主要气体通道中通过的速度,因此,少量的活性化学品可以持续很长时间。

通常,我们设计这种过滤层以使传感器在预期的应用中达到预期的使用寿命,但是在某些干扰气体浓度高的环境的应用(例如排放监测)中,这可能很困难。 对于这些应用,我们建议使用3系列设计的传感器,该传感器具有可更长寿命的内置过滤层。

对于某些污染物,过滤层通过吸附而不是化学反应来工作,在这些情况下,高浓度很容易使过滤器超负荷。 有机蒸气通常是这种情况。 盛密的技术支持团队可以提供有关特定案例的更多信息。

15.如果气体浓度超过最大过载会怎样?

最大负载特指传感器是否能在暴露于目标气体超过10分钟的情况下还保持线性反应,并迅速恢复。随着负荷增大,传感器会逐步地表现为非线性反应,并需要更长时间恢复,因为传感电极无法将所有扩散气体消耗掉。 随着负荷增加,气体将在传感器内部聚集,并扩散到内部空间。这样,气体也许会和参比电极反应,改变其电势。如果这样,传感器及时放置在干净的空气里,也可能需要很长时间才能恢复(几天)。

电路的设计有一个重要作用,确保迅速从高浓度恢复,因为非常重要的是,在通入高浓度气体时, 恒电位仪中的运放器不会达到电流或电压饱和。如果运放器确实限制了进入传感器的电流,那么它将会限制工作电极的气体反应,由于以上描述的结果,这将在传感器内部立即造成气体集聚。

最后,选择连接到传感电极的电阻,以确保在可预见的最高气体浓度下,即使电压突然下降,也不会造成多于几mV的变化。将导致传感电极有可能发生相似的变化,在气体被滤除后仍需要一定的时间恢复。

16.传感器需要多少氧气才能正常工作?

通过氧化目标气体而产生输出的传感器,例如一氧化碳传感器,需要向对电极供应氧气以维持在那里发生耗氧反应。 通常最多需要几千ppm的氧浓度,这可以通过样品气体中的氧气含量来提供。 即使样品气体中没有氧气,传感器内部也有足够的氧气来维持一小段时间。 对于大多数传感器,参比电极也需要少量的氧气,因此,如果传感器在无氧环境中连续运行,则最终会导致问题。

17.为什么我的传感器读数低于规格中的数据?

造成这种现象原因有许多,主要有以下原因:
● 被测气体流量速度不同。
● 在传感器前放置了另外的扩散隔层,比如防爆网或PTFE防尘膜,特别在它们和传感器间形成较大的死体积时影响更明显。
● 被测气体是一些黏附性较强的物质,如HCL,CL2,HF,等时,管路及减压阀的吸附都易造成误差。
● 钢瓶标准气的准确度。

18.温度影响传感器的读数吗?

电化学气体传感器对环境温度是敏感的。 灵敏度(表示为nA / ppm)和零电流(表示为等效ppm或nA)都随温度变化。 传感器的技术数据表给出了-20ºC到+50ºC范围内的温度依赖性,因此在设置软件校正时请记住这一点。盛密正在执行一项持续的测试计划,因此,如果产品规格书中没有数据,请与我们联系,或许我们已有数据,只是还未来得及更新规格书。

19.有关交叉干扰数据

盛密的传感器具有很高的选择性,其它反应性气体的干扰很小。 每个传感器的产品规格书中均有对常见气体进行交叉干扰测试的结果。 盛密在运行一项持续的测试计划,因此,如果产品规格书中没有您需要的数据,请与我们联系,或许我们可能已进行了相关的测试。

20.建议的储存期是多少?

盛密传感器建议存储期限为六个月。 在此期间,应将传感器存放在0°C至20°C的干燥区域内。不应存放在含有机溶剂的区域或易燃液体存放处。 在这种条件下,传感器最多可保存六个月,而不会缩短其预期使用寿命。

21.交叉敏感度值不确定性

我们产品规格书中的交叉灵敏度值是基于在少量传感器上进行的测试得出的。 它们旨在指示传感器对目标气体以外的其他气体的响应。在不同环境条件下可能会有不同的数值,不同批次的传感器可能与所列的值有50%的差异。

22.如果被测气体的温度与传感器的温度不同,会怎么样?

传感器的零偏移电流取决于传感器本身的温度,因此被测气体的温度对零偏移信号的影响很小。

传感器的量程信号取决于气体分子通过毛细管孔扩散到传感电极的速率。 通过毛细管孔扩散的气体与传感器内部气体的扩散温度不同,可能会对传感器的灵敏度产生较小的影响。 在完全建立平衡之前,它也可能引起微小的偏移或瞬态电流。

23.哪些物质会损坏传感器?

盛密传感器可在各种环境条件下工作。 但是,在存储,安装到仪器和操作过程中,避免暴露于高浓度的溶剂蒸气是很重要的。

已知甲醛会暂时抑制一氧化氮传感器的运行。 已知一些有机溶剂会产生造成传感器错误的高基线,所以将传感器与印刷电路板(PCB)一起使用时,在安装传感器之前应将PCB清洁干净。 不要直接在传感器上或附近粘贴胶水,因为溶剂可能会导致塑料开裂。

24.如何准备使用盛密电化学传感器?

零偏压传感器 通过金属丝连接参考电极和传感电极终端,在我们发货时已保证传感器处于“可以工作”状态。这同推荐的J-FET运行电路是一样的。(使用辅助电极的盛密产品 ,也有连接辅助电极和参考终端的熔丝)。去掉金属丝后,将传感器放入工作电路,传感器就可以准备好了。

带偏压传感器 带偏压的传感器,不可以用金属丝连接参考电极和传感电极终端,这样会永久损坏传感器。对于氧(O2),环氧乙烷(C2H4O),一氧化氮(NO),氯化氢(HCL),氯乙烯(C2H3CL),四氢噻吩(THT)和乙烯(C2H4)传感器等一些带偏压传感器可以与一种特殊的PCB相连,保持偏压电势。这使得传感器保持在待工作状态。如果传感器不处于偏压状态待工作状态,则需要较长时间使基线稳定。 我们建议,即使仪器处于关闭状态时,也要保持偏压电势。如果不保持偏压电势,当仪器再次开启,时会需要很长的启动时间。

25.传感器使用多久需要更换?

盛密传感器的预期寿命可以在产品数据表中查到。随着时间的推移,传感器的灵敏度会慢慢地下降。灵敏度的降低决定了传感器的使用寿命及更换时间。当仪器中的传感器不能被成功标定时,传感器就需要更换了。这意味着,仪器设计时最好使用高增益。

26.有关干扰气体

传感器应使用其目标气体进行校准,以确保最大的准确性。最好使用接近测试浓度的混合气体进行校准。 请勿使用超出传感器测量范围的气体进行校准,因为这可能导致校准不准确。 在发货之前,盛密传感器针对目标气体进行了详细的测试,以确保其响应在严格的误差范围内。 规格书中交叉敏感度的数据是基于某一批传感器的测试结果,这意味着该数据在不同批次间存在很大的差异。 因此,强烈建议避免使用替代气体进行校准。

27.传感器可以持续长时间接触目标气体吗?

盛密无铅氧气传感器可用于连续监测浓度范围为0-30%的氧气,还有盛密的环境监测级的CO,NO2,SO2和O3传感器可用于连续监测空气环境质量。 盛密的有毒气体传感器的设计用于间歇检测目标气体,通常不适合连续检测应用,尤其是那些涉及高浓度气体或极端湿度和温度的应用。 有时可以通过将两个(甚至三个)传感器循环进出气流来实现连续监控,以使每个传感器仅暴露于气体最多达一半的时间,而允许其一半时间在新鲜空气中恢复。

28.三电极传感器和四电极传感器有什么区别?

盛密四电极传感器主要是用作环境监测 ppb 级别的气体浓度。除有工作电极,参比电极和对电极外,四电极传感器还有第四个辅助电极,这主要是为了校正零点电流的变化。  

29.传感器外壳用什么材料?

传感器外壳选择了许多不同的塑料,它们与内部电解质系统的相容性和在预期应用中的耐用性都经过了严格验证。 通常使用ABS,聚丙烯或聚苯醚。 有关更多详细信息,请参见各个传感器的数据手册。

30.传感器是通过本质安全认证的吗?

虽然未做本质安全认证,但盛密传感器和使用盛密传感器的仪器仍可以轻松达到本质安全要求。 请与盛密联系,以得到有关获得本质安全批准的更多帮助。

31.如何测试电路?

盛密电化学传感器被设计成在一个称为恒电位仪的特殊电路中运行。该电路的目的是可使工作电极的电势相对于参考电极进行控制,同时放大流入或流出参考电极的电流。恒电位仪电路可通过以下方法轻松检查:
1. 拆下传感器。
2. 把参考电极和对电极短路连接。
3. 当参考电极和对电极短路连接时,测量工作电极的电势。对于无偏压传感器,测量值应为零(±1mV);对于需要偏压的传感器,测量值应等于推荐的偏置电压。
4. 在工作电极/参考电极与对电极之间连接一个电流源,并确认电压输出是否符合预期。
在大多数情况下,以上步骤可以确认电路工作正常。现在,可以再次安装传感器并使其稳定下来。测量工作电极和参考电极之间的电压,对于无偏压传感器,电压应再次为零;对于需要偏压的传感器,应等于推荐的偏置电压。

32.使用泵吸式送气,传感器响应时间是否会加快?

使用泵吸式送气不会加快传感器本身的响应速度,但是泵的确能够使被测气体快速有效地通过传感器。 结果是,泵会影响整个仪器的整体响应时间。

33.可以在传感器前放置膜或过滤层吗?

可以在传感器的前端放置膜或过滤层以提供额外的保护,但是需要注意确保不会产生“死角”,以免增加传感器响应时间。

34.设计采样系统时需要考虑哪些因素?

在设计采样系统时,使用防止被测气体吸附材料的非常重要。 最好使用的材料是含氟聚合物,如PTFE,TFE和FEP。 气流中的水分凝结会导致堵塞和溢流,因此,使用合适的集水器将凝结出来的水清除掉非常重要。 可替代地,可以通过使用Nafion管以气相除去水。

对于高温气体,应将样品气流冷却至传感器的温度工作范围内,并应使用适当的过滤器从样品中除去任何颗粒物。 附加的在线化学过滤器也可以集成到任何采样系统设计中,以消除交叉干扰气体的任何影响。

35.传感器产品的追综溯源

盛密科技已通过ISO 9001认证。通过每个传感器的唯一序列号,可以对产品生产批次、日期等的信息追踪溯源。