電化學(xué)氣體傳感器具有檢測(cè)氣體種類(lèi)多、濃度范圍寬、體積小、價(jià)格低、測(cè)量精度較高、可用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)與安全生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。如何進(jìn)一步提升電化學(xué)傳感器性能，是業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的問(wèn)題。其中，象所有其它原理的氣體傳感器一樣，在測(cè)量混合氣體時(shí)，如何避免交叉干擾，即降低干擾氣體對(duì)目標(biāo)氣體測(cè)量的影響，盡量提高目標(biāo)氣體測(cè)量精度，是近年來(lái)電化學(xué)傳感器研制方面一個(gè)重要的發(fā)展方向。本文僅就這一問(wèn)題做一簡(jiǎn)單介紹。
電化學(xué)氣體傳感器原理
圖一為一常見(jiàn)的三電極電化學(xué)傳感器的原理圖：在筒狀傳感器池體內(nèi)，安裝工作電極（WE）、對(duì)電極（CE，亦稱(chēng)“計(jì)數(shù)電極”）和參比電極（RE），在電極之間充滿(mǎn)電解液，在傳感器頂部封裝有微孔透氣隔膜，氣體通過(guò)隔膜滲透入傳感器內(nèi)部。前置放大器與傳感器電極的連接，在電極之間施加了一定的電位，使傳感器處于工作狀態(tài)。滲透入傳感器內(nèi)部的氣體與電解質(zhì)內(nèi)的工作電極發(fā)生氧化（大多數(shù)氣體）或還原反應(yīng)，在對(duì)電極發(fā)生還原或氧化反應(yīng)，電極的平衡電位發(fā)生變化，變化值與氣體濃度成正比（比如說(shuō)，某一型號(hào)的CO傳感器，對(duì)應(yīng)于1ppm的CO，其額定輸出是0.07uA/ppm），從而直接測(cè)量出氣體的濃度。
圖一
從以上原理我們可以看出，電化學(xué)傳感器是直接響應(yīng)氣體的體積濃度變化，而不是響應(yīng)其壓力的變化。
交叉干擾的概念及危害
交叉干擾（亦稱(chēng)“交叉敏感”）是和傳感器對(duì)目標(biāo)氣體的性及選擇性相關(guān)的一個(gè)概念，指的是傳感器對(duì)非目標(biāo)氣體的干擾氣體也有反應(yīng)，從而導(dǎo)致讀數(shù)誤差（偏高或者偏低）。顯而易見(jiàn)，交叉干擾從根本上直接影響測(cè)量值的準(zhǔn)確度，是一定要重視、解決的問(wèn)題。
交叉干擾，依干擾氣體在傳感器中反應(yīng)的特性而定可分為負(fù)交叉干擾（干擾氣體降低訊號(hào)輸出）或者正交叉干擾（干擾氣體增加訊號(hào)輸出）；正交叉干擾會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)虛高，讓操作人員產(chǎn)生誤判；而從安全的角度考慮，在對(duì)毒害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，負(fù)交叉干擾甚至較之正交叉干擾問(wèn)題更大一些，因?yàn)樗鼘⒔档湍繕?biāo)氣的響應(yīng)訊號(hào)，導(dǎo)致延誤報(bào)警。
一般認(rèn)為傳感器對(duì)干擾氣在其濃度臨界值水平以?xún)?nèi)均呈線性響應(yīng)。
表一為某一型號(hào)CO電化學(xué)傳感器的交叉干擾數(shù)據(jù)：
氣體種類(lèi) | 氣體濃度ppm | 傳感器信號(hào)ppm | 交叉干擾系數(shù)% |
CO | 100 | 100 | 99% |
H2S | 30 | ＜2 | ＜7% |
SO2 | 10 | 0 | 0 |
NO2 | 15 | ＜-4 | ＜-27% |
NO | 30 | 0 | 0 |
H2 | 100 | ＜60 | ＜60% |
表一
如表一示，對(duì)這一型號(hào)的CO傳感器來(lái)講，H2S、NO2、 H2是干擾氣體，其中NO2是較嚴(yán)重的負(fù)交叉干擾，H2是非常嚴(yán)重的正交叉干擾。
需要特別說(shuō)明的是，對(duì)幾乎所有的電化學(xué)CO傳感器來(lái)講，H2都是非常嚴(yán)重的正交叉干擾，所以在測(cè)試可能混有未燃燒殘余H2的煙氣中的CO濃度時(shí)，一定要選用具有“氫氣補(bǔ)償”功能（下文會(huì)具體介紹）的CO傳感器。這一點(diǎn)對(duì)燃?xì)饩咝袠I(yè)的煙氣測(cè)試非常重要，這也是之前行業(yè)內(nèi)某一型號(hào)的國(guó)產(chǎn)煙氣分析儀測(cè)量的CO值經(jīng)常偏高的具體原因。
如何將交叉干擾的影響降到
目前比較成熟通用的措施有四種：
- 選擇特性電極材料及改進(jìn)催化劑：這有利于提高傳感器的選擇性，從根本上降低交叉干擾；同時(shí)在每一電極上的反應(yīng)大多是可以雙向進(jìn)行的，而選定特殊的電極材料、提高貴金屬催化劑的活性也可以進(jìn)一步催化反應(yīng)的某一方向，提高傳感器的靈敏度和縮短響應(yīng)時(shí)間。
- 施加“偏置”電壓：針對(duì)某些氣體（如NO）的測(cè)試，控制工作電極的工作電位、給傳感器施加一“偏置”電壓使得工作電極在較參比電極電位更正的條件下工作，從而使得電化學(xué)反應(yīng)活性較低的氣體也能被氧化或者被還原；實(shí)驗(yàn)表明，在施加“偏置”電壓后，除了改進(jìn)傳感器的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)外，交叉干擾的情況也得到了改善。
- 內(nèi)置化學(xué)過(guò)濾器：針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)合和測(cè)試任務(wù)，特別設(shè)計(jì)的化學(xué)過(guò)濾器可以通過(guò)與干擾氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或?qū)⒅綇亩x擇性的除去干擾氣體，如煙氣測(cè)試用CO傳感器內(nèi)置過(guò)濾器可以除去NO、NO2、H2S、SO2等干擾氣體，煙氣測(cè)試用的NO傳感器內(nèi)置過(guò)濾器可以除去SO2。
圖二即為裝置有化學(xué)過(guò)濾器的某一型號(hào)CO傳感器。
圖二
顯而易見(jiàn)，內(nèi)置過(guò)濾器的的材料壽命是有限的，但一般來(lái)講，過(guò)濾器和傳感器的期望壽命相當(dāng)。這是因?yàn)?，?nèi)置過(guò)濾器被放置在擴(kuò)散柵板的后面，而氣體通過(guò)柵板進(jìn)入的可能性比通過(guò)氣體主通道要小得多，因此小量的化學(xué)物質(zhì)能夠使用很長(zhǎng)的時(shí)間。但在某些惡劣條件下，這可能比較困難，所以一般推薦使用帶有可更換內(nèi)置過(guò)濾器的傳感器。同時(shí)，一些型號(hào)的氣體分析儀，如德圖340型煙氣分析儀，其傳感器所用的內(nèi)置過(guò)濾器，除了性能更外，也更智能化，在主機(jī)菜單中可直接顯示其預(yù)期剩余工作壽命，對(duì)用戶(hù)來(lái)講就更方便了。
- 內(nèi)置交叉干擾系數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償：這是建立在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的一種解決方法，即在傳感器的生產(chǎn)過(guò)程中已經(jīng)用標(biāo)準(zhǔn)氣測(cè)試過(guò)該傳感器針對(duì)某些干擾氣體的交叉干擾系數(shù)，并將該系數(shù)內(nèi)置于傳感器的設(shè)置中，在測(cè)量時(shí)即可進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。
需要注意的是，實(shí)驗(yàn)表明，即使是同一型號(hào)、同一生產(chǎn)批次的傳感器，其針對(duì)某一干擾氣體的交叉干擾系數(shù)彼此之間也是有差異的。的電化學(xué)傳感器生產(chǎn)商City的測(cè)試表明，這一差異甚至有可能達(dá)到50%。同時(shí)，某些通用型號(hào)的的氣體傳感器，即使已內(nèi)置了對(duì)某些干擾氣體的交叉干擾系數(shù)，但它可能會(huì)被裝在各種用途、型號(hào)的氣體分析儀上，用于測(cè)試千差萬(wàn)別的氣氛，就有可能出現(xiàn)覆蓋不到的情形，導(dǎo)致測(cè)試偏差。
因此，一些負(fù)責(zé)任的廠家，都是選用真正適應(yīng)于測(cè)試用途的專(zhuān)用傳感器，并對(duì)每一只傳感器都進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試并內(nèi)置交叉干擾系數(shù)。比如說(shuō)，國(guó)內(nèi)燃?xì)饩咝袠I(yè)用的比較多的德國(guó)德圖的各型號(hào)的煙氣分析儀，都是這樣進(jìn)行處理的。
CO傳感器的氫氣補(bǔ)償問(wèn)題
如上文所述，對(duì)于大多數(shù)電化學(xué)CO傳感器來(lái)講，氫氣是嚴(yán)重干擾氣體，其交叉干擾系數(shù)甚至可以達(dá)到60%！顯然，較之其它干擾氣體，需要采用更的解決辦法。這可以通過(guò)在三極傳感器的基礎(chǔ)上引入第四極“輔助電極”從而進(jìn)行氫氣補(bǔ)償來(lái)得到解決。
具體來(lái)講，當(dāng)含有一氧化碳和氫的混合氣體通入傳感器時(shí)，一氧化碳和氫氣在工作電極發(fā)生反應(yīng)，不過(guò)一氧化碳反應(yīng)而氫氣只部分反應(yīng)，剩余氫氣分流至輔助電極，這樣工作電極上產(chǎn)生的信號(hào)反映的是兩種氣體的濃度，而輔助電極上產(chǎn)生的信號(hào)只反映了氫氣的濃度，這樣將它們相減就可得出一氧化碳濃度。這個(gè)過(guò)程是由一個(gè)模擬電路或一個(gè)微處理軟件來(lái)完成的。
實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)以上氫氣補(bǔ)償處理后，氫氣的交叉干擾系數(shù)可以降低到1%以下，效果是非常顯著的！
補(bǔ)充及其它
近年來(lái)，電化學(xué)氣體傳感器的研制得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在抗干擾方面尤其如此。除了抗干擾氣體交叉干擾外，針對(duì)環(huán)境及被測(cè)氣體的溫度、濕度、壓力等參數(shù)（尤其是極限條件下，或者這些參數(shù)快速變化情形下）帶來(lái)的干擾，業(yè)內(nèi)都多有理論研討或者工藝實(shí)踐。從而，以電化學(xué)氣體傳感器為測(cè)試元件的各種氣體分析儀，也得到了日益廣泛的應(yīng)用。
有趣的是，現(xiàn)在有廠商利用電化學(xué)氣體傳感器交叉干擾這一特性，研制了可同時(shí)測(cè)量雙氣體甚至多氣體的單一傳感器，這也算是“化害為利”了！
抗氣體交叉干擾是各種原理的氣體傳感器普遍面臨的問(wèn)題，優(yōu)質(zhì)的電化學(xué)傳感器在這方面技術(shù)、手段已很成熟、完善，同時(shí)又具有體積小、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，因而以其為基礎(chǔ)的各種氣體分析儀有著廣泛的使用范圍。對(duì)應(yīng)于一般性的測(cè)試任務(wù)，相信這類(lèi)氣體分析儀的應(yīng)用也會(huì)更加普及。
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