德圖煙氣排放測量技術(shù)，因其可靠性和準(zhǔn)確性在全球客戶中擁有良好的聲譽。該技術(shù)的典型應(yīng)用為供熱系統(tǒng)的調(diào)整和監(jiān)控，以及在熱電機組、發(fā)動機或渦輪機上進(jìn)行測量。根據(jù)燃料和燃燒器的設(shè)置，在以上應(yīng)用中的氣體基質(zhì)可以被很好地掌握。

　　然而，除此之外，德圖的煙氣分析儀還被用于檢測氣體組分濃度可能會大幅變化的各種過程。本文旨在說明在此過程中可能出現(xiàn)的氣體交叉干擾問題，以及如何處理。

　　

　　圖1：testo340的電化學(xué)氣體傳感器

　　傳感器存在的交叉干擾問題

　　交叉干擾是指傳感器不僅會對目標(biāo)測量氣體做出響應(yīng)，而且還會對其他影響氣體也做出響應(yīng)。換言之，交叉干擾問題會導(dǎo)致傳感器無法做出選擇性響應(yīng)。在理想情況下，即使是在復(fù)雜的氣體組成中（數(shù)百種氣體和水蒸氣（氣態(tài)H2O）），特定氣體的濃度依舊可以被準(zhǔn)確地測量出來。但在實際情況中，幾乎所有測量原理的氣體傳感器在測量時都表現(xiàn)出受到某種或某類氣體的交叉干擾影響。例如，用于測量氧含量的順磁式氧分析儀也會對二氧化氮和氨氣做出反應(yīng)；用于測定氮氧化物的化學(xué)發(fā)光方法中，二氧化碳是干擾氣體。德圖煙氣分析儀中使用的電化學(xué)氣體傳感器也存在交叉干擾問題。
 

　　電化學(xué)氣體傳感器中的交叉干擾與補償策略
       電化學(xué)氣體傳感器的工作原理如圖2所示。

　　被測氣體，例如一氧化碳（CO），必須通過擴散屏障（毛細(xì)管或薄膜），并且對于某些類型的傳感器來說，必須先通過過濾器，然后到達(dá)所謂的工作電極（感應(yīng)電極）。該電極“漂浮”在電解液中，即酸性或堿性水溶液中。氣體分子在工作電極上觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)并形成離子，例如質(zhì)子(H+)，它們將會到達(dá)反電極，并在這里與氧發(fā)生反應(yīng)，成為電解質(zhì)中的溶劑。與此同時，將會產(chǎn)生電流，并被導(dǎo)向外部電路，作為氣體濃度的度量。第三個電極（參比電極）用于穩(wěn)定傳感器信號。

　　

　　為了讓這些化學(xué)反應(yīng)在電極上發(fā)生，它們必須包含貴金屬（例如鉑）來作為催化劑。能被用于電極上的合適的催化劑材料有限，并且它們對于不同氣體的催化作用也不相同。通過混合不同的催化劑，可以提高對特定氣體的選擇性。但是，電化學(xué)氣體傳感器不可避免地會顯示出交叉干擾。例如，具有很高催化活性的鉑電極，在充滿稀硫酸水溶液的CO氣體傳感器中，也顯示出會受到NO、NO?、SO?和H?氣體的交叉干擾影響。

　　圖2：測量CO或其他氣體的電化學(xué)傳感器示意

　　那么，如何才能最大限度降低氣體傳感器和氣體分析儀中這些不希望存在的交叉干擾，以便即使在未知的和復(fù)雜的混合氣體中也能可靠、準(zhǔn)確地測量氣體濃度？有多種策略可以在這方面發(fā)揮作用：
 

　　催化劑材料

　　如前所述，最重要的方法是針對性地為電極選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎┎牧虾突旌衔镆约斑m當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)?？偟膩碚f，盡管市面上出售的電化學(xué)氣體傳感器所使用的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)成熟的水平，但是從細(xì)節(jié)來說，仍有可改進(jìn)之處。
 

　　偏壓

　　為工作電極選擇適當(dāng)?shù)钠秒妷阂部梢蕴岣哌x擇性。例如，這種方法被用于NO傳感器。工作電極使用特殊催化劑材料，以及在參比電極上施加一定的偏置電壓，該偏置電壓集成在傳感器中。該系統(tǒng)內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電勢能反映出NO氣體濃度，但是不會或者很難受到伴隨氣體NO?和CO的干擾，這使得該電化學(xué)氣體傳感器具有相對較高的選擇性。
 

　　過濾器

　　許多電化學(xué)氣體傳感器使用化學(xué)過濾器來防止交叉干擾影響。為了實現(xiàn)過濾功能，過濾材料必須吸收干擾性的伴隨氣體，同時允許目標(biāo)氣體滲透。當(dāng)目標(biāo)氣體與過濾器產(chǎn)生反應(yīng)較慢，并且干擾性伴隨氣體反應(yīng)較快時，可以實現(xiàn)此過濾目的。這里以CO電化學(xué)傳感器為例?；谔囟ǖ倪^濾材料可以吸收和結(jié)合干擾性的伴隨氣體NO、NO?和SO?，同時允許CO以及交叉干擾氣體H?不受阻礙地滲透。在這么做的時候，過濾材料將會耗盡。因此，過濾器組件通常位于擴散屏障之后，擴散屏障用于控制和限制氣體進(jìn)入傳感器。這意味著僅一小部分圍繞傳感器或為測量而被輸送到傳感器的氣體必須被過濾掉。這種吸收過濾器的優(yōu)點是效率高。
 

　　應(yīng)當(dāng)注意的是，其缺點是不僅容量受到限制，使用壽命也會受到限制。

　　當(dāng)目標(biāo)氣體傾向于具有反應(yīng)性，而干擾性伴隨氣體傾向于反應(yīng)較慢時，過濾的難度將會增加。針對這種氣體組合只有少數(shù)幾種有效的過濾介質(zhì)。在這種情況下，可使用與上述的吸收性化學(xué)過濾器不同的過濾機理：交叉干擾氣體被吸附在過濾介質(zhì)上，即沉積在其表面上。這是一種物理過程，并取決于環(huán)境溫度和相對于過濾材料可用表面積的交叉干擾氣體濃度。例如，環(huán)境溫度的突然升高會分解過濾材料的吸附粘性，從而使交叉干擾氣體從過濾器內(nèi)分離出來，并在工作電極上產(chǎn)生干擾信號。這種物理吸附過程好的一方面是，當(dāng)周圍環(huán)境中不再存在交叉干擾氣體時，交叉干擾氣體由于其濃度梯度而緩慢地從過濾器中釋放出來，過濾器的過濾能力可能會再生。因此，與化學(xué)過濾器相比，物理過濾器的容量變化更大。不過，當(dāng)一段時間內(nèi)吸附的交叉氣體過多時，物理過濾器也會耗盡。
 

　　帶H?補償?shù)腃O傳感器

　　電化學(xué)氣體傳感器中存在一種特殊情況，帶H?補償?shù)腃O傳感器：H?無法以化學(xué)或物理方式被過濾器吸收，H?和CO達(dá)到以硫酸水溶液為電解液的鉑電極上，兩種氣體都在此發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但是，我們可以通過安裝一個與工作電具有相同設(shè)計的輔助電極，并將其布置在CO傳感器中的工作電極后方，來利用這種非常小分子的高移動性。由于兩種分子具有不同的移動性，只有相當(dāng)數(shù)量的H?會到達(dá)該電極并觸發(fā)信號，而CO幾乎已轉(zhuǎn)移到工作電極。這兩個電極對兩種氣體不同的敏感性，使得它可以區(qū)分這兩種氣體中哪一種存在，以及具有何種濃度，從而允許在進(jìn)行CO測量時對H?的影響進(jìn)行補償。

　　總之，可以通過各種策略（選擇電極材料、偏置電壓、過濾器、或者使用輔助電極進(jìn)行補償）來避免或最小化交叉干擾。在某些類型的傳感器中會存留殘余的交叉干擾。當(dāng)需要分析組成未知的氣體基質(zhì)時，必須考慮其潛在影響。
 

　　交叉干擾補償

　　可以對交叉干擾進(jìn)行補償，以便在分析儀中正確顯示。這種補償?shù)那疤崾切璺謩e測量干擾氣體的濃度。且為了獲得精確的補償，應(yīng)該知道和使用精確的交叉干擾補償值。

　　例如，典型的NO電化學(xué)傳感器還會對NO?做出反應(yīng)，交叉干擾約為5%。這意味著對NO?做出反應(yīng)的信號只有NO反應(yīng)信號的約5%或二十分之一。例如，如果同時存在100ppmNO和100ppmNO?，則傳感器將會產(chǎn)生與105ppmNO相同的信號。如果單獨在100ppm對NO?進(jìn)行測量，則計算出的5ppm可以從NO讀數(shù)中減去，以便顯示正確的NO值為100ppm。

　　所以，必須要安裝干擾氣體的傳感器作為補償數(shù)據(jù)才可以進(jìn)行交叉干擾補償。作為便攜式煙氣分析儀的專業(yè)制造商，德圖在儀器使用說明書中說明了所安裝的電化學(xué)氣體傳感器針對多種潛在干擾氣體的交叉干擾，以及分析儀中工作的各傳感器類型之間的交叉干擾補償值。

　　這樣，德圖客戶就可以為自己的特殊應(yīng)用預(yù)估是否必須考慮交叉干擾的影響，以及涉及哪些測量參數(shù)。
 

　　德圖煙氣分析儀和氣體傳感器的特殊性

　　德圖煙氣分析儀的特點，就是其中安裝的德圖專用的電化學(xué)氣體傳感器（見圖1）。它們是專門為德圖客戶的應(yīng)用和要求而開發(fā)的。除了其他功能外，德圖傳感器的層析過濾器具有出色的使用壽命，其中一些還可單獨更換。這減少或消除了需更換整個傳感器的風(fēng)險，其中只有層析過濾器會耗盡并需要更換（見圖3）。

　　關(guān)于交叉干擾的補償，德圖投入了大量精力以便在對德圖傳感器進(jìn)行工作調(diào)整過程中可以正確調(diào)整交叉干擾值。除此之外，德圖的EasyEmission軟件可用來讓用戶自己重新調(diào)整交叉干擾值?！?/div>

 　　圖4：SO?傳感器的交叉干擾取決于CO和SO?濃度