Микропроцессорная система экологического мониторинга вредных газовых выбросов
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
ельного времени;
-Низкое энергопотребление, поскольку нагреватель не используется;
-Маленький и легкий (может использоваться в портативных устройствах);
-Отсутствие механической структуры, значит, устойчив к ударам и вибрациям;
-Невысокая стоимость.
7.2 Физические основы работы потенциометрических датчиков
Суть потенциометрического электрохимического метода состоит в том, что в ячейке, заполненной электрохимическим раствором, электролиз проводится при сохранении определенного потенциала на поверхности электродов и электролитического раствора.
В датчиках на каждый конкретный вид газа устанавливают вполне определенный потенциал, избирательно сдвигающий реакции окисления или восстановления, в результате чего и оказывается возможным производить количественный анализ различных газов. При электролизе какого-либо газа используют измерительный электрод, на котором протекает реакция окисления (или восстановления) и одновременно вспомогательный электрод, на котором протекает реакция восстановления (или окисления).
Для контроля над изменениями потенциала измерительного электрода в процессе электролиза и для поддержания потенциала на определенном уровне, используется ещё один дополнительный электрод внутри датчика. Заданный потенциал для проведения электролиза какого-либо газа выбирается на основе кривых ток-потенциал. Что касается этого потенциала, то определяется собственный окислительно-восстановительный потенциал в отношении газа, и он изменяется в зависимости от различных условий при электролизе.
Для примера приведены значения окислительного потенциала для некоторых газов:
CO + H2O - CO2 + 2H+ + 2е - - 0,12 V (7.1)2+ 2H2O - SO4+ 4H+ + 2е - + 0,17 V (7.2) + 2H2O - NO3 + 4H+ + 3е - + 0,96 V (7.3)
Если в смеси имеется, например, два электролизирующих газа А и В, но потенциал для одного, например В выше, чем для газа А, т.е. Vв > Vа, то установив на электроде потенциал Vе < Vв, мы сможем изменять концентрацию газа А по величине электролитического тока Iа, при этом влияние на этот ток присутствия в смеси газа В будет незначительным.
Зависимость между величиной электролитического тока и концентрацией газа задается формулой (7.1):
, где (7.1)
I - электролитический ток (А);
n - количество электронов, образующихся на 1 моль газа;
F - константа Фарадея;
A - размер площади диффузии газа (см2);
D - коэффициент диффузии (см2/с);
b - толщина диффузионного слоя (см);
C - концентрация газа, который электролизуется в электролитическом растворе.
В одном и том же датчике величины n, F, A, D и b - постоянные. Следовательно, электролитический ток I прямопропорционален концентрации газа С.
Конструктивно датчик (рис.7.1) состоит из геометрической ёмкости из пластика, заполненной электролитическим раствором, и трёх электродов. Измерительный электрод представляет собой тефлоновую пленку малой толщины (0,5 мм или меньше) с отверстиями (40%) и с прикрепленным к пленке катализатором из металла. Для того, чтобы между измерительным и вспомогательным электродами возникла постоянная разность потенциалов, в датчике применяют цепь постоянного напряжения. В зависимости от вида газа, материала катализатора в измерительном электроде, установленный потенциал между электродами нужно менять, определив его по кривым ток - разность потенциалов. Для датчика на СО подходит в качестве катализаторов чёрная платина (Pt), Rh, Ir и Pd .
При использовании потенциометрического электрохимического метода наиболее важным моментом является выбор потенциала и сохранение его на определённом уровне.[11-12].
Рисунок 7.1 - Схема сенсора: 0- электрод сравнения; 1-индикаторный электрод; 2 -вспомогательный электрод
Конструкция электрохимического датчика показана на рисунке 7.2.
Рисунок 7.2 - Внутренняя организация сенсора
Измеренное количество воздуха проникает в датчик через диффузионный барьер (трубку) и проницаемую газовую мембрану, при взаимодействии с зондом, присутствующий токсичный газ подвергается электрохимической реакции. В случае если это угарный газ, то мы получаем реакцию согласно химической формуле (7.1).
Образованный углекислый газ диффундирует в воздух, в то время как положительно заряженные ионы водорода попадают в электролит.
Полученные электроны заряжают электрод, но затем уничтожаются, как небольшое количество электрического тока внешней измерительной схемой.
Реакция окисления сбалансируется путем соответствующей реакции сокращения в противоэлектроде:
2 + 4H+ + 4e- => 2H2O (7.4)
Таким образом, в одном электроде при расходе воды образуются электроны и, наоборот, при расходе электронов образуется вода. При наличии угарного газа ни одна из этих реакций произойти не может. При соединении двух электродов, небольшое количество тока, образованного между ними, измеряется прямо пропорционально концентрации CO в воздухе.
Электрод сравнения контролирует весь процесс. Он полностью погружен в электролит. Если нет наличия газа, то он не позволяет току пройти. Электрод сравнения всегда сохраняет одинаковый электрохимический потенциал (Rest-Air Potential). Зонд связан с электродом сравнения через ток, что не позволяет ему измениться при наличии окислительного газа.[13].
Элементная база для системы, в частности измерители интересующих нас параметров, выбирались с учетом подходящих свойств и требований нашей системы. Данные основны?/p>