Датчики растворенного углекислого газа преобразуют концентрацию углекислого газа в растворенном состоянии в воде в измеримые сигналы посредством физико - химических процессов, и их основные механизмы можно разделить на две категории: электрохимический и оптический, оба из которых основаны на физико - химических изменениях, вызванных взаимодействием углекислого газа с конкретной средой.

Электрохимический метод: ионная реакция и преобразование сигналов потенциала / тока

Электрохимические датчики основаны на обнаружении изменений концентрации ионов, образующихся в результате реакции CO2 с электролитом. В качестве примера можно привести потенциальный метод, структура которого состоит из pH - чувствительных электродов, эталонных электродов и селективных пленок CO2z. Когда молекула CO2 проникает в селективную мембрану в электролит, происходит реакция:

CO₂+H₂O⇌H₂CO₃⇌H⁺+HCO₃⁻

Концентрация H⁺ в результате реакции логарифмически связана с концентрацией CO2C, а чувствительные к pH электроды выводят потенциальные сигналы, обнаруживая изменения концентрации H⁺ (т.е. изменения pH). эталонный электрод обеспечивает стабильный базовый потенциал для обеспечения точности обнаружения. Встроенные чипы датчиков преобразуют потенциальные сигналы в значения концентрации растворенного CO2C с точностью ±1 ppm для сценариев средней и низкой точности, таких как очистка сточных вод и аквакультура.

Датчики токового метода генерируют электрические сигналы, пропорциональные концентрации, посредством электролитической реакции углекислого газа на поверхности рабочего электрода. Например, CO2 восстанавливается до CO на рабочем электроде:

CO₂+2H CO₂+2e CO₂+H₂O

Интенсивность тока, генерируемого реакцией, напрямую отражает концентрацию CO2b с большей точностью (±0,5 ppm), но требует регулярной замены электролита, в основном для высокоточных сценариев спроса, таких как биомедицина.

Оптический метод: поглощение света и эффект люминесцентного гашения

Оптические датчики используют свойства поглощения или флуоресцентного гашения молекул CO2B на определенной длине волны. Нераспределенные инфракрасные (NDIR) датчики рассчитывают концентрацию путем измерения интенсивности поглощения CO2 на 4,26 мкм инфракрасного света, ослабление силы света и концентрация CO2b линейно связаны с точностью ±0,5 ppm, время отклика около 60 секунд, подходит для продуктов питания, напитков, мониторинга окружающей среды и других сцен.

Датчики флуоресцентной гашения зависят от эффекта гашения CO2B для флуоресцентных веществ. Флуоресцентные реагенты (например, комплексы рутения), покрытые поверхностью флуоресцентного зонда, излучают красный свет под воздействием синего света, молекулы CO2C в сочетании с реагентом сокращают срок службы флуоресценции, а датчики рассчитывают концентрацию, проверяя степень ослабления интенсивности флуоресценции. Этот метод быстро реагирует (< 30 секунд) и не нуждается в обслуживании, но имеет немного более низкую точность (±1 ppm), подвержен сильным световым помехам, подходит для портативного обнаружения, безземельной культивации и других динамических сцен.

Экологические факторы и стратегии оптимизации

Температура, давление и состав воды влияют на производительность датчика. Повышение температуры ускоряет скорость растворения и реакции CO2, и большинство датчиков имеют встроенные модули компенсации температуры для исправления ошибок; Повышенное давление воды повышает растворимость углекислого газа, некоторые модели должны быть оснащены датчиками давления для компенсации; Мутность или загрязнение нефтью могут блокировать оптические сенсорные световые пути или загрязнять электрохимические пленки, и зонд должен регулярно очищаться.

Электрохимический метод и оптический метод имеют свои преимущества: электрохимический метод имеет низкую стоимость, небольшой размер, подходит для недорогих сценариев; Оптический метод имеет высокую стабильность и длительный срок службы и подходит для высокоточного или долгосрочного мониторинга. Практическое применение должно основываться на требованиях сценария (например, точность, стоимость, сложность обслуживания), чтобы выбрать технологию адаптации для достижения точного мониторинга и регулирования растворенного CO2b.