Aplicação de sensor eletroquímico em sensor de gás

Aplicação de sensor eletroquímico em sensor de gás

Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, a aplicação de sensores de gás tornou-se cada vez mais abrangente. Impulsionados por aplicações onipresentes, como a Internet das Coisas, o desenvolvimento de sensores de gás tem se direcionado para a miniaturização, integração, modularização e inteligência. Dentre eles, os sensores eletroquímicos são populares na área de detecção de gases devido à sua saída linear, baixo consumo de energia e melhor resolução. Além disso, os sensores eletroquímicos de gás apresentam melhor repetibilidade e precisão de medição do que outros sensores. Após décadas de desenvolvimento tecnológico, os sensores eletroquímicos de gás possuem excelente seletividade para o monitoramento de gases específicos.

Inicialmente, os sensores eletroquímicos eram utilizados para monitorar a concentração de oxigênio. Com a evolução da tecnologia, começaram a surgir sensores eletroquímicos para monitorar e detectar uma variedade de gases tóxicos diferentes na faixa do Limite Inferior de Explosividade (LIE), e esses sensores também demonstraram boa sensibilidade e seletividade em aplicações práticas. Assim, até hoje, os sensores eletroquímicos continuam sendo os principais sensores para monitorar a concentração de gases. Atualmente, os sensores eletroquímicos são amplamente utilizados em diversas aplicações estáticas e móveis, desempenhando um papel fundamental no monitoramento de múltiplos gases. A seguir, o editor apresenta brevemente os conhecimentos relevantes sobre sensores eletroquímicos de gás:

1. Princípios dos sensores eletroquímicos

A maioria dos sensores eletroquímicos de gás opera em modo de difusão. Nesse modo, o gás presente no ambiente circundante entra no sensor através de um pequeno orifício na parte frontal (pelo fluxo natural das moléculas de gás). Alguns dispositivos aspiram amostras de ar/gás para dentro do sensor por meio de uma bomba de sucção. Uma membrana respirável é instalada no orifício de entrada de ar para impedir a entrada de água ou óleo no sensor. A faixa de medição e a sensibilidade do sensor podem ser alteradas ajustando-se o tamanho da entrada de ar durante o projeto. Uma entrada de ar maior pode aumentar a sensibilidade e a resolução do dispositivo, enquanto uma entrada de ar menor reduz a sensibilidade e a resolução, mas pode aumentar a faixa de medição.

Em segundo lugar, a composição do sensor eletroquímico.

1. A membrana respirável (também chamada de membrana hidrofóbica)

A membrana respirável é usada para cobrir o eletrodo sensor (catalítico) e, em alguns casos, para controlar a massa molecular do gás que atinge a superfície do eletrodo. Essas barreiras são geralmente feitas de filmes de Teflon de baixa porosidade. Esse tipo de sensor é chamado de sensor revestido. Alternativamente, ele também pode ser coberto com um filme de Teflon de alta porosidade, e a massa molecular do gás que atinge a superfície do eletrodo pode ser controlada por um capilar. Esse tipo de sensor é chamado de sensor capilar. Além de fornecer proteção mecânica ao sensor, a membrana também tem a função de filtrar partículas indesejadas. Para transmitir a massa molecular positiva do gás, é necessário selecionar o tamanho de poro correto da membrana e do capilar. O tamanho do poro deve permitir que uma quantidade suficiente de moléculas de gás atinja o eletrodo sensor. O tamanho do poro também deve evitar vazamentos ou secagem rápida do eletrólito líquido.

2. Eletrodo

A escolha do material do eletrodo é muito importante. O material do eletrodo deve ser um material catalítico capaz de realizar uma reação semieletrolítica por um longo período. Geralmente, os eletrodos são feitos de metais preciosos, como platina ou ouro, que reagem eficazmente com as moléculas de gás após serem catalisados. Dependendo do projeto do sensor, para que a reação de eletrólise se complete, os três eletrodos podem ser feitos de materiais diferentes.

3. Eletrólito

O eletrólito deve ser capaz de realizar a reação de eletrólise e transferir a carga iônica para o eletrodo de forma eficaz. Ele também deve formar um potencial de referência estável com o eletrodo de referência e ser compatível com os materiais utilizados no sensor. Se o eletrólito evaporar muito rapidamente, o sinal do sensor será enfraquecido.

4. Filtrar

Às vezes, um filtro de purificação é instalado antes do sensor para filtrar gases indesejados. A seleção de filtros é limitada e cada filtro possui um grau de eficiência diferente. O material filtrante mais comum é o carvão ativado. O carvão ativado pode filtrar a maioria das substâncias químicas, mas não o monóxido de carbono. Ao escolher o material filtrante adequado, o sensor eletroquímico pode apresentar maior seletividade para o gás alvo.

3. O método de funcionamento do sensor eletroquímico

O princípio de funcionamento do sensor eletroquímico baseia-se principalmente na reação química com o gás analisado, gerando um sinal elétrico proporcional à concentração do gás. Um sensor eletroquímico típico consiste em um eletrodo sensor e um contraeletrodo, separados por uma fina camada eletrolítica. O gás reage com o sensor através de minúsculas aberturas capilares, atingindo a superfície do eletrodo através da camada hidrofóbica. Esse método permite que uma quantidade adequada de gás reaja com o eletrodo sensor, gerando um sinal elétrico suficiente, ao mesmo tempo que impede o vazamento do eletrólito para fora do sensor.

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