elektrokemiske sensorer

Elektrokemiske sensorer bruges til at måle forskellige gasser som kvælstofdioxid (NO₂), ozon (O₃), svovldioxid (SO₂) og kulilte (CO). Elektrokemiske sensorer fungerer ved at måle ændringer ved en elektrode, når den udsættes for luft. Der er tre hovedtyper: amperometriske, potentiometriske og konduktometriske. Disse tre hovedtyper beskrives i det følgende.

• Potentiometriske sensorer: Disse måler forskellen i elektrisk potentiale (som spænding) mellem to elektroder for at finde ud af, hvad luften består af.
• Amperometriske sensorer: De måler ved hjælp af kemiske reaktioner (oxidation eller reduktion), der skaber en elektrisk strøm, som er proportional med mængden af gas.
• Konduktometriske sensorer: Disse måler, hvor godt en prøve kan lede elektrisk strøm ved forskellige frekvenser, hvilket også giver information om, hvilken gas luften består af.

Den mest almindeligt anvendte elektrokemiske sensor inden for luftforurening er den amperometriske, derfor gås i dybden med den i det følgende afsnit.

En amperometrisk elektrokemisk sensor består af en celle fyldt med en elektrolyt, som er forseglet bag en membran, der tillader gasser at trænge igennem. Inde i cellen er der tre elektroder: en arbejdselektrode, en mod-elektrode og en reference-elektrode. Disse elektroder er adskilt af et tyndt filterlag, og hver elektrode er forbundet til en sensorstift, der måler deres output. Arbejdselektroden er tættest på overfladen og kommer i kontakt med gasser fra luften. Gasserne trænger gennem membranen og kan reagere på arbejdselektrodens overflade. Hvilke gasser sensoren kan måle, afhænger af arbejdselektrodens sammensætning.

Reference- og mod-elektroderne ligner arbejdselektroden, men de er placeret, så de ikke kommer i kontakt med gassen. Når der sker reaktioner ved arbejdselektroden, ændres dens elektrokemiske potentiale, og dette holdes konstant i forhold til reference-elektroden. Dette sker ved at balancere reaktionerne ved mod-elektroden. Strømmen mellem mod-elektroden og arbejdselektroden omdannes til en spænding, som derefter kan kalibreres til en gaskoncentration.

Nogle elektrokemiske celler har en fjerde elektrode kaldet hjælpeelektroden. Selvom den fungerer som arbejdselektroden, er hjælpeelektroden isoleret fra luften. Den hjælper med at korrigere baggrundsstrømme, især ved lave koncentrationer af gassen. Baggrundsstrømme kan skyldes oxidation eller reduktion ved arbejdselektroden, forurening af elektrolytten eller iltreduktion i luften. Hjælpeelektroden kan også kompensere for eksterne faktorer som temperatur- og fugtighedsændringer.

Elektrokemiske sensorer er ikke naturligt selektive for én bestemt gas, og det betyder at flere gasser end den ønskede kan give en strøm i sensoren. Ved at tilpasse arbejdselektrodens materiale og filtre kan man imidlertid målrette sensoren mod specifikke forurenende stoffer og mindske krydsfølsomhed, selvom nogle gasser stadig kan påvirke hinanden. Vindhastighed kan også påvirke sensorens respons, da det ændrer den kemiske balance ved sensorens overflade.

For at opretholde stabiliteten skal elektrokemiske sensorer konstant udsættes for ilt og fugtighed i omgivende luft. Dog har elektrokemiske sensorer en levetid på nogle år. Det er vigtigt at bemærke, at elektrokemiske sensorer kan have betydelige datakvalitetsproblemer, især under hurtige temperaturændringer. Dette kan påvirke sensorens præcision og pålidelighed. De har typisk lavt strømforbrug, da deres signal er en svag elektrisk strøm, og det meste af energien bruges til signalforstærkning. På trods af elektrokemiske sensorers udfordringer er de blevet anvendt i mange studier, og de kan give brugbare resultater, så længe de anvendes inden for de specificerede arbejdsbetingelser.

• luftforurening
• måling af luftforurening
• billige målemetoder (low-cost sensorer)
• introduktion til gasser som luftforurening
• personlig udsættelse (eksponering)