Kaasujen amperometrinen mittaus: Happi- ja ammoniakkimittaelementtien vertailu

Abstract

Kaasujen pitoisuuksia seurataan viranomaismääräysten vuoksi, mutta myös kasvavissa määrin henkilöturvallisuuden ja ympäristönseurannan tarkoituksiin. Erilaisia mittaustekniikoita kehitetään jatkuvasti. Tässä työssä selvitettiin, mihin amperometristen kaasujen mittaelementtien toiminta perustuu. Mittaelementti on se kaasunilmaisimen komponentti, joka reagoi kaasuun ja tuottaa tämän pitoisuudesta riippuvan signaalin. Mittaelementti koostuu tyypillisesti kahdesta tai kolmesta elektrodista, jotka ovat elektrolyyttiliuoksessa. Mittaus perustuu kohdekaasun tai siitä muodostuneen reaktiotuotteen hapetus- tai pelkistysreaktioon työelektrodin pinnalla. Kohdekaasu kulkeutuu reaktiopinnalle eri diffuusiovaiheiden kautta. Mitattava virtasignaali riippuu lineaarisesti kohdekaasun pitoisuudesta, jos mittaelementissä tapahtuvat reaktiot ovat diffuusiorajoitteisia.

Toimintaperiaatteeltaan erilaisia ja kehittyneempiä laitteita tulee markkinoille, kun tutkimus- ja kehitystyö on edennyt riittävän pitkälle. Työssä selvitettiin, mihin amperometrisen kaasujen mittaukseen soveltuvien mittaelementtien tutkimus painottuu, ja millaisia mittaelementtejä on markkinoilla. Erityisesti haluttiin selvittää, onko mittaelementtien tutkimus ja kehitys siinä vaiheessa, että kaupallisesti on saatavilla perinteisiä mittaelementtejä pidempi-ikäisempiä ja materiaalivalintojen kautta ympäristökuormitukseltaan pienempiä vaihtoehtoja. Tärkein ympäristönäkökulmaan liittyvä tutkimustulos oli, että hapen mittaelementtien aiheuttamaa ympäristökuormitusta voidaan vähentää käyttämällä lyijyttömiä ja pidempi-ikäisiä mittaelementtejä. Perinteisessä mittaelementissä on lyijyä, joka on myrkyllinen raskasmetalli. Eri valmistajilta löydettiin lyijyttömiä mittaelementtejä, ja myös niiden käyttöikä on pidempi kuin perinteisten.

Työn kokeelliseen osuuteen valittiin neljä erilaista amperometrista mittaelementtiä – kaksi ammoniakin mittaukseen ja kaksi hapen mittaukseen. Toinen happikennoista oli perinteinen galvaaninen hapen mittaelementti, jossa vastaelektrodi oli lyijyä. Uudentyyppisessä happikennossa ei ollut lyijyä. Perinteinen ammoniakkikenno oli tyyppiä, jonka käyttöikä lyhenee ammoniakin määrän lisääntyessä. Toisen ammoniakkikennon käyttöikään taas ei vaikuttanut ammoniakin pitoisuus. Mittausten avulla tutkittiin, miten eri mittaelementit soveltuvat eri käyttöolosuhteisiin, etenkin eri lämpötiloihin.

Mittaelementtien signaalin suuruutta, toistettavuutta sekä vaste- ja palautumisaikoja eri lämpötiloissa tutkittiin ja mittaustuloksia vertailtiin. Mittausten perusteella uudentyyppisen happikennon vaste- ja palautumisajat eri lämpötiloissa olivat parempia kuin perinteisen. Esimerkiksi −27 °C:ssa uuden mittakennon vasteaika oli noin 40 s lyhyempi. Happikennojen kattava vertailu vaatisi kuitenkin toistettavuuden osalta laajempaa otantaa ja useampia toistoja. Happikennojen osalta tutkittiin myös niiden käyttäytymistä sähkökatkotilanteessa. Sähkökatkon jälkeen uudentyyppinen mittaelementti aiheutti virtapiikin, mutta perinteinen ei. Ammoniakkikennojen mittaukset eri lämpötiloissa osoittivat, että uudentyyppisen mittaelementin toistettavuus sekä vaste- ja palautumisajat olivat parempia. Esimerkiksi +28 ° C:ssa uuden kennotyypin vasteaika oli noin 40 s lyhyempi kuin perinteisen.

Mittaustulosten lisäksi myös mittaelementtien ympäristövaikutuksia, hintaa sekä soveltuvuutta kaasunilmaisimien kokoonpanoon arvioitiin vertailemalla. Tärkein havainto oli, että kaikkien mittaelementtien lämpötilakompensointia tulisi kehittää lähes kaikissa lämpötiloissa. Vertailun tarkoituksena oli selvittää, kumpi mittaelementtivaihtoehto on parempi. Mittaustulosten perusteella valintaa happikennojen välillä ei voitu tehdä. Uudentyyppiset ammoniakkimittaelementit olivat kuitenkin perinteisiä parempia. Hinnan perusteella kumpikin perinteisistä oli parempi vaihtoehto. Ympäristövaikutukset olivat uudella happikennolla pienemmät, mutta eri ammoniakkikennojen välillä ei nähty selvää eroa. Parhaan mahdollisen mittaelementin valinta riippuu siitä, paljonko vertailussa huomioituja eri näkökulmia painotetaan.