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Working principle and application characteristics of electrochemical gas sensor

来源:Drksir 时间:2023-03-23 13:41:13

Earlier electrochemical sensors date back to the 1950s, when they were used for oxygen monitoring. In the mid-1980s, small electrochemical sensors began to be used to detect a variety of different toxic gases in the PEL range, and showed good sensitivity and selectivity. At present, various electrochemical sensors are widely used in static and mobile applications for personal safety.


First, the working principle


An electrochemical sensor works by reacting with the gas under test and producing an electrical signal proportional to the concentration of the gas. A typical electrochemical sensor consists of a sensing electrode (or working electrode) and a reverse electrode, separated by a thin electrolytic layer. The gas first reacts with the sensor through tiny capillary holes, then a hydrophobic barrier, and finally reaches the electrode surface. This method allows the appropriate amount of gas to react with the sensor electrode to form a sufficient electrical signal while preventing electrolyte leakage from the sensor.


The gas diffused through the barrier reacts with the sensing electrode, which may adopt an oxidation or reduction mechanism. These reactions are catalyzed by electrode materials designed for the gas under test. A current proportional to the measured gas concentration flows between the positive and negative electrodes through a resistor connected between the electrodes. The gas concentration can be determined by measuring the current. Because of the current generated in this process, electrochemical sensors are often referred to as current gas sensors or micro-fuel cells.


In practice, due to the continuous electrochemical reaction on the electrode surface, the sensor electrode potential cannot be kept constant, which will lead to the degradation of sensor performance after a long period of time. Reference electrode is introduced to improve the sensor performance. The reference electrode is installed in the electrolyte, adjacent to the sensing electrode. A fixed stable constant potential is applied to the sensing electrode. The reference electrode can maintain this fixed voltage value at the sensing electrode. No current flows between the reference electrodes. The gas molecules react with the sensing electrode, and the reverse electrode is measured at the same time. The measurement results are usually directly related to the gas concentration. The voltage value applied to the sensing electrode enables the sensor to target the gas.


Two, the electrochemical sensor contains the following main components:


A. Breathable membranes (also known as hydrophobic membranes) : Breathable membranes are used to cover sensing (catalytic) electrodes and in some cases to control the molecular weight of gases reaching the electrode surface. Such barriers are usually made of Teflon films with low porosity. Such sensors are called coating sensors. Alternatively, it can be covered with a high-porosity Teflon film, while the capillary controls the molecular weight of the gas reaching the electrode surface. This type of sensor is called capillary sensor. In addition to providing mechanical protection for the sensor, the film also filters out unwanted particles. In order to transfer the correct molecular weight of the gas, it is necessary to select the correct pore size of the film and the capillary. The aperture size should allow sufficient gas molecules to reach the sensing electrode. The aperture size should also prevent liquid electrolyte leakage or rapid dryness.


B. Electrode: The choice of electrode material is very important. The electrode material shall be a catalytic material capable of performing semi-electrolytic reactions over long periods of time. Typically, the electrodes are made of precious metals, such as platinum or gold, which react effectively with gas molecules when catalyzed. Depending on the design of the sensor, the three electrodes can be made of different materials to complete the electrolytic reaction.


C. Electrolyte: The electrolyte must be sufficient to facilitate electrolytic reactions and effectively transfer ionic charges to the electrode. It must also form a stable reference potential with the reference electrode and be compatible with the materials used in the sensor. If the electrolyte evaporates too quickly, the sensor signal will weaken.


D. Filter: Sometimes a wash filter is installed in front of the sensor to remove unwanted gas. The selection of filters is limited, each filter has a different degree of efficiency. Most commonly used filter material is activated carbon, activated carbon can filter out most chemicals, but not carbon monoxide. By selecting the right filter material, the electrochemical sensor can be more selective to its target gas.


Electrochemical sensors can be manufactured in a variety of ways, ultimately depending on the gas to be detected and the manufacturer, however, the main characteristics of the sensors are very similar in nature. Some common characteristics of electrochemical sensors are described as follows:


1. On a three-electrode sensor, a jumper wire is usually used to connect the working electrode to the reference electrode. If it is removed during storage, it takes a long time for the sensor to remain stable and ready for use. Some sensors require bias between the electrodes, and in this case, the sensors are shipped with nine-volt battery-powered electronics. It takes 30 minutes to 24 hours for the sensors to stabilize and up to three weeks for them to remain stable.


2. Most toxic gas sensors require a small amount of oxygen to function properly. The sensor has an air hole on the back for this purpose. It is recommended to perform a recheck with the manufacturer in applications where non-oxygen background gas is used.


3. The electrolyte of the cell in the sensor is a aqueous solvent, which is isolated by a hydrophobic barrier, which prevents the leakage of the aqueous solvent. However, like other gas molecules, water vapor can cross the hydrophobic barrier. Under high humidity conditions, prolonged exposure may cause excess water to build up and lead to leakage. Under low humidity conditions, the sensor may dry out. Sensors designed to monitor high concentrations of gases have a low porosity barrier to limit the molecular weight of the gas passing through, so it is not affected by humidity. Like sensors used to monitor low concentrations of gases, this sensor has a high porosity barrier and allows the free flow of gas molecules.


Three, pressure and temperature


The electrochemical sensor is very little affected by the pressure change. However, because the pressure difference within the sensor can damage the sensor, the same pressure must be maintained throughout the sensor. Electrochemical sensors are also very sensitive to temperature, so internal temperature compensation is usually taken. But it is better to keep the standard temperature as much as possible. In general, the sensor reading is higher when the temperature is above 25°C; Below 25°C, readings are low. The temperature impact is typically 0.5% to 1.0% per degree Celsius, depending on the manufacturer and sensor type.


Iv. Selectivity


Electrochemical sensors are usually highly selective to their target gases. The degree of selectivity depends on the sensor type, the target gas, and the concentration of the gas the sensor is to detect. The best electrochemical sensor is the one that detects oxygen, which has good selectivity, reliability and long life expectancy. Other electrochemical sensors are susceptible to interference from other gases. Interference data are calculated using relatively low gas concentrations. In practical applications, the concentration of interference can be high, resulting in incorrect readings or false alarms.


Life. Expectancy


The life expectancy of an electrochemical sensor depends on several factors, including the gas to be detected and the environmental conditions in which the sensor is used. Generally, the prescribed life expectancy is one to three years. In practice, life expectancy depends mainly on the total amount of gas exposed during sensor use and other environmental conditions such as temperature, pressure and humidity.


Vi. Summary


Electrochemical sensors have very low requirements for working power supply. In fact, of all the sensor types available for gas monitoring, they have the lowest power consumption. Therefore, this sensor is widely used in mobile instruments containing multiple sensors. They are the most used sensors in finite space applications. The life expectancy of the sensor is predicted by its manufacturer based on conditions they consider normal. However, the expected life of a sensor depends heavily on environmental pollution, temperature and the humidity to which it is exposed.


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杭州:以宁静小区建设为抓手,全力推进噪声污染防治

杭州:以宁静小区建设为抓手,全力推进噪声污染防治

        在当代中国城市化进程中,杭州这座历史悠久而又充满活力的城市正经历着前所未有的快速发展。高楼林立、交通网络的密集扩张,无疑极大地促进了经济的繁荣与生活质量的提升,然而,随之而来的环境问题,尤其是噪声污染,逐渐成为了影响市民生活质量的关键因素。为应对这一挑战,杭州市政府积极响应国家生态文明建设号召,将“宁静小区”建设作为城市环境治理的重要抓手,全力推动噪声污染防治,致力于为群众营造和谐宁静的生活环境,进一步提升杭州的人居环境质量。        一、背景与挑战        近年来,杭州城市建设步伐不断加快,给城市环境带来了多重压力,其中噪声污染尤为突出。交通噪声、施工噪声、生活噪声交织在一起,严重干扰了居民的日常生活和身心健康。根据相关研究表明,长期暴露在高分贝噪声环境中,不仅会影响听力,还会导致睡眠障碍、心理压力增加、工作效率下降等一系列健康问题。因此,有效控制噪声污染,保障公众的健康权益,成为了杭州市政府亟需解决的重要议题。        二、宁静小区建设的提出        面对噪声污染的严峻挑战,杭州市政府提出了“宁静小区”建设的创新举措。这一概念的核心在于通过科学规划、严格管理、技术创新等手段,将小区打造成噪声控制的典范,为居民提供一个安静舒适的居住环境。宁静小区的建设,不仅仅是对传统居住区的物理改造,更是对现代城市管理理念和居民生活方式的一次革新。        三、主要措施与实施路径        1.制度与公约建设        首先,杭州在宁静小区建设中重视制度和居民公约的作用,倡导共同遵守的管理规定。通过建立和完善噪声管理制度,明确噪声排放标准,对违规行为设定严格的处罚措施。同时,鼓励小区居民参与制定居民公约,增强自我管理意识,共同维护小区的安静环境。        2.群众知晓率与参与度提升        为了确保宁静小区建设工作的深入民心,杭州市特别设置了“群众知晓率调查及评分方式”。通过各种媒介渠道加大宣传力度,定期举办噪声污染防治知识讲座和宣传活动,提高居民对噪声危害的认识,以及对宁静小区建设重要性的理解。此外,还设计了便于操作的居民反馈平台,让居民可以便捷地反映问题、提出建议,真正实现了从“政府主导”到“全民参与”的转变。        3.科学设置噪声监测点        根据各小区的实际情况,如占地面积、人口密度、周边环境等,科学设置了不同梯度的噪声监测点,确保监测数据的全面性和准确性。通过物联网技术与大数据分析,实时监测小区内外的噪声变化,为精准施策提供数据支持。        4.噪声源头监测与治理        针对主要噪声源,如交通干道、施工现场、商业活动区域等,采取针对性措施进行治理。比如,在临近主干道的小区周边设置隔音屏障,对施工项目实施严格的噪声控制标准,限制夜间施工,推广低噪音施工技术和设备。同时,引导居民文明生活,减少家庭娱乐、宠物等产生的生活噪声。        5.智慧环保技术的应用        杭州还积极探索智慧环保技术在噪声治理中的应用,如推广噪声在线监测系统。该系统通过物联网技术与现场端仪器仪表互联互通,实时采集环境噪声数据,借助数据分析软件进行统计分析,精确计算噪声值,并能远程视频监控、远程广播喊话,有效提升管理效率和响应速度。这些数据不仅可供政府管理部门决策参考,还通过平台账号向居民公开,增强透明度,加强居民的监督和参与。        四、成效与展望        经过一段时间的实践,杭州的宁静小区建设已初显成效。多个试点小区的噪声水平明显下降,居民满意度大幅提升,社区环境更加和谐宁静。更为重要的是,这一举措激发了居民的环保意识,形成了良好的噪声防治社会氛围。        面向未来,杭州市将继续深化宁静小区建设,推广成功经验,扩大覆盖面,同时不断探索创新技术与管理模式,力求在经济发展与环境保护之间找到更佳的平衡点,为建设生态宜居的美丽杭州写下新篇章。        结语        杭州的宁静小区建设,是城市化进程中的一个缩影,体现了地方政府对于环境保护的前瞻思考和积极行动。通过技术创新、科学治理、全民参与等多措并举,杭州正逐步构建起一个更加和谐、宜居的生活环境,为全国乃至全球的城市噪声污染防治提供了宝贵的经验和启示。
2024.10.11
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