Вольтамперометрические и хроноамперометрические сенсоры. Примеры интеллектуальных электрохимических сенсоров
17.3. Примеры интеллектуальных электрохимических сенсоров
В заключение из имеющегося большого разнообразия приведем лишь ряд примеров типичных современных интеллектуальных электрохимических сенсоров, предназначенных для различных целей. Начнем с традиционных, работающих с использованием внешнего персонального компьютера, а потом опишем ряд портативных.
17.3.1. Электрохимические анализаторы ИВА-5 и ТА-07
Вольтамперометрический анализатор "ИВА-5" российского Научно-производственного внедренческого предприятия "ИВА" предназначен для определения концентрации ионов меди, свинца, кадмия, железа, кобальта, хрома, цинка, никеля, молибдена, марганца, мышьяка, олова, ртути в природных, питьевых и сточных водах, в пищевых продуктах и в продовольственном сырье, в биологических жидкостях (фракции крови, моча) и т.д. Его внешний вид показан на рис. 17.3.
В его состав входят электронный блок размерами 250x175x75 мм, магнитная мешалка, комплект трехэлектродных электрохимических ячеек. Рабочий электрод здесь – графитовый, модифицированный так, чтобы уменьшить влияние на анализ органической составляющей анализируемого раствора. Электрод сравнения – хлорсеребряный (Ag /AgCl / KCl, 3M), вспомогательный электрод – стеклоуглеродный. Анализатор ИВА-5 работает в комплексе с персональным компьютером. Диапазон определяемых концентраций при анализе воды 0,1-10000 мкг/л, по ртути 0,01 – 500 мкг/л; при анализе пищевых продуктов – от 0,02 до 500 мкг/л. Расход пробы 1-10 мл на один анализ.
"Базовый анализатор ТА-07", показанный на рис. 17.4, является более компактным. Он тоже работает с внешним персональным компьютером. В нем можно реализовать широкий набор методов электрохимического анализа: вольтамперометрию (прямую, инверсионную, циклическую), хроноамперометрию, кулонометрию. Возможны почти все варианты вольтамперометрии: на постоянном токе, ступенчатая, на переменном токе синусоидальная с фазовым разделением активной и ёмкостной составляющих, квадратно-волновая, импульсная нормальная и дифференциальная.
Используются автоматический подъем электродов с поворотом для удобной смены стаканчиков и электродов, вибрационное перемешивание, стаканчики из чистого плавленого кварца, УФ облучатель для деактивации органических веществ и кислорода. Анализатор позволяет определять концентрации широкого набора примесей (Zn, Cd, Pb, Cu, Hg, As, Fe, Se, Sb, Sn, Сr, Bi, Mn, Co, Ni, Au, Ag, иод, анилин, витамины В1, В2, С и др.) в диапазоне от 0,05 до 10000 мкг/л.
17.3.2. Полярографы
Промышленно выпускаются и продаются интеллектуальные полярографы с использованием персональных компьютеров. Здесь можно назвать, например, дифференциальный импульсный полярограф фирмы IBM Model EC225, а также полярограф АВС-1.1 и потенциостат PS-7 российской фирмы "НПП ЭКОНИКС".
Полярограф АВС-1.1 является "…универсальным компьютерным комплексом нового поколения для вольтамперометрического анализа на присутствие тяжелых металлов в питьевой воде, в естественных и сточных водах, в продуктах питания и в продовольственном сырье, в биологических и других материалах. Соединяет в себе современные достижения в области вольтамперометрической техники измерений с сервисными возможностями компьютерного управления анализом, обработки и протоколирования данных" [
[
265
]
]. Полярограф, в частности, реализует методики инверсионной и циклической вольтамперометрии. Госстандарт Российской Федерации рекомендует его для измерений содержания токсических элементов (меди, свинца, кадмия, цинка) в пищевых продуктах (ГОСТ Р 51301-99).
Чувствительность обнаружения составляет: 0,1 мкг/л для 
; 0,15 мкг/л – для 
; 0,5 мкг/л – для 
; 10 мкг/л – для 
. Время одного анализа (без приготовления пробы) не превышает 10 мин. Благодаря высокой чувствительности, низкой стоимости и экспрессности анализов, полярограф является экономичной альтернативой дорогим спектроскопическим приборам и успешно конкурирует с ними в практике анализа тяжелых металлов. Программное обеспечение и система встроенных меню позволяют программировать гибкое управление измерениями и обработкой результатов, предоставляют удобный интерфейс для обмена оперативной информацией.
Основные области применения полярографов: научно-исследовательские учреждения; лаборатории гальванических производств; контроль питьевой, морской, родниковой воды, стоков; анализ состава крови и плазмы крови; контроль пищевых продуктов, их составляющих, фармацевтических препаратов и сырья для них; контроль технологии изготовления особо чистых материалов, в том числе для высокотехнологической электроники и т.д.
17.3.3. Тестер алкогольного опьянения и анализатор воды
На рис. 17.5 слева показан электрохимический сенсор Alcotest 7410 Plus фирмы Drager, предназначенный для обнаружения и определения степени алкогольного опьянения человека.
Масса сенсора – около 0,5 кг, размеры 230x70x34 мм. Сенсор измеряет концентрацию алкоголя в воздухе, который выдыхает человек, в диапазоне от 0 до 10 промилле с точностью 
0,05 промилле. Отбор пробы осуществляется через накладной мундштук. Очень малое аэродинамическое сопротивление выдоха позволяет проводить измерения даже в режиме "пассивного" дыхания, когда пациент не желает делать интенсивный выдох. Но совсем не дышать он ведь тоже не может.
Встроенные электронные часы точно хронометрируют дату и время измерения. Сенсор автоматически составляет по узаконенной форме протокол измерения, который тут же может быть выдан на принтер. Память данных сенсора позволяет хранить до 9700 протоколов измерения, а потом передавать их во внешний компьютер. Сенсор нуждается в поверке и калибровке лишь один раз в полгода. Процесс калибровки автоматизирован. Перекрестная чувствительность к другим газам, например к ацетону или бензину, – отсутствует.
На
рис.
17.5 справа показан интеллектуальный электрохимический сенсор WATER TEST компании Hanna Instruments. Этот портативный прибор позволяет быстро и точно измерить четыре важнейших гидрохимических параметра: 
, Red-Ox-потенциал, электропроводность и температуру воды. Он удобен и прост в обращении. Для проведения измерений достаточно залить исследуемый раствор в кювету прибора, выбрать из меню измеряемый параметр и считать показание дисплея. Всё остальное сенсор делает сам. Его широко применяют для контроля за качеством воды в технологических процессах водоподготовки, для санитарного контроля воды в бассейнах, при экологических исследованиях и т.д.
17.3.4. Портативный анализатор дымовых газов
В качестве следующего примера портативного интеллектуального электрохимического сенсора кратко опишем анализатор дымовых газов "Testo 330-3" ( рис. 17.6).
Рис. 17.6. Слева – общий вид портативного анализатора дымовых газов "Testo 330-3", справа – сенсор в процессе работы со сменным электрохимическим зондом
Он предназначен для контроля, наладки работы и обслуживания котлов и других теплогенераторов, работающих на природном газе или пропане, на мазуте или дизтопливе, угле и т.п. Его масса – 0,6 кг, размеры 270x90x65 мм. Вместе с удобными сертифицированными электрохимическими сменными зондами сенсор обеспечивает измерение содержания кислорода в диапазоне от 0 до 21 объемных % , угарного газа ( 
) – в диапазонах от 0 до 4000 ррm или от 500 ррm до 30000 ррm, окислов азота ( 
) в диапазоне от 0 до 3000 ррm, 
в диапазоне от 0 до 1 объемных % (0 ... 10000 ррm ).
Кроме того, сенсор обеспечивает тщательный контроль и нахождение мест возможного просачивания горючих газов, измерение выносными зондами температуры пламени до 1200 
С, давления и дифференциального давления газов, тяги, потока газа, КПД горелки, тестирование герметичности газового тракта. С таким интеллектуальным сенсором специалист-теплотехник может быстро и оптимально отрегулировать горелку, тягу, проконтролировать все функции теплогенератора, устранить выявленные недостатки.
Все данные и рабочие меню выводятся на удобный графический дисплей 240x160 пикселей. Результаты измерений фиксируются в памяти, где могут храниться до 200 блоков данных и при необходимости через инфракрасный порт передаваться на принтер. Микрокомпьютер сенсора выполняет функции самодиагностики, диагностики состояния фильтров и электрохимических сенсоров и автоматической калибровки. Для общения с внешним компьютером имеется USB порт.