Der Sensor für gelöstes CO2 wandelt die Konzentration von gelöstem CO2 im Wasserkörper durch einen physikalisch-chemischen Prozess in messbare Signale um. Sein Kernmechanismus kann in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: Elektrochemische und optische Methoden, die beide auf physikalisch-chemischen Veränderungen basieren, die durch die Wechselwirkung von CO2 mit einem bestimmten Medium ausgelöst werden.
Elektrochemische Methode: Ionenreaktionen und Umwandlung von Potential/Strom-Signalen
Elektrochemische Sensoren basieren auf der Detektion von Änderungen der Ionenkonzentration durch die Reaktion von CO2 mit dem Elektrolyten. Beispielsweise besteht die Konstruktion aus pH-empfindlichen Elektroden, Referenzelektroden und CO2-selektiven Membranen. Wenn CO2-Moleküle durch die selektive Membran in den Elektrolyten eindringen, entsteht eine Reaktion:
CO₂+H₂O⇌H₂CO₃⇌H⁺+HCO₃⁻
Die durch die Reaktion erzeugte H+-Konzentration ist logaritmisch in Beziehung zu der CO2-Konzentration und die pH-empfindliche Elektrode gibt ein Potentialsignal aus, indem sie eine Änderung der H+-Konzentration (d. h. eine Änderung des pH-Wertes) erkennt. Die Referenzelektrode bietet ein stabiles Referenzpotenzial, um die Prüfgenauigkeit zu gewährleisten. Der eingebaute Sensorchip konvertiert das Potenzialsignal in die Konzentration von gelöstem CO2 mit einer Genauigkeit von bis zu ±1 ppm und eignet sich für Szenarien mit mittlerer und niedriger Genauigkeit wie Abwasserbehandlung, Aquakultur und andere.
Durch die Elektrolyse von CO2 an der Arbeitselektrodenoberfläche erzeugt der Stromsensor ein Stromsignal, das der Konzentration proportional ist. Zum Beispiel wird CO2 in der Arbeitselektrode zu CO reduziert:
CO₂+2H CO+H2O
Die Stromstärke, die durch die Reaktion erzeugt wird, spiegelt die CO2-Konzentration direkt wider und hat eine höhere Genauigkeit (± 0,5 ppm), aber der Elektrolyt muss regelmäßig ersetzt werden, vor allem für Szenarien mit hoher Präzision wie die Biomedizin.
Optik: Lichtabsorption und Fluoreszenzschluss
Optische Sensoren verwenden CO2-Moleküle zur Detektion der Absorptions- oder Fluoreszenzschlusseigenschaften bestimmter Wellenlängen. Der NDIR-Sensor berechnet die Konzentration durch die Messung der Absorptionsintensität von CO2 auf 4,26 μm Infrarotlicht. Die Lichtintensität ist linear in Beziehung zu der CO2-Konzentration mit einer Genauigkeit von ± 0,5 ppm und einer Reaktionszeit von etwa 60 Sekunden geeignet für Lebensmittel und Getränke, Umweltüberwachung und andere Szenarien.
Fluoreszenzschlusssensoren verlassen sich auf den Fluoreszenzschlusseffekt von CO2. Die mit Fluoreszenzsonde beschichteten Flächen, wie z. B. Palladium-Komplexe, emittieren bei blauer Lichterregung rotes Licht, das CO₂-Molekül verkürzt die Fluoreszenzlebensdauer, wenn es mit dem Reagenz kombiniert wird, und der Sensor berechnet die Konzentration, indem er den Grad der Fluoreszenzintensitätsabnahme erkennt. Diese Methode reagiert schnell (< 30 Sekunden), erfordert keine Wartung, aber eine geringe Genauigkeit (± 1 ppm), ist anfällig für starke Lichtstörungen und eignet sich für dynamische Szenarien wie portable Prüfung, Bodenlose Anbau.
Umweltfaktoren und Optimierungsstrategien
Temperatur, Druck und Wasserzusammensetzung beeinflussen die Leistung des Sensors. Erhöhte Temperaturen beschleunigen die CO₂-Lösung und die Reaktionsgeschwindigkeit, und die meisten Sensoren beheben Fehler durch ein eingebautes Temperaturkompensationsmodul; Erhöhung des Wasserdrucks zur Verbesserung der CO2-Löslichkeit, einige Modelle müssen mit Drucksensoren ausgerüstet werden. Trobbigkeit oder Ölverschmutzung können den optischen Sensorweg blockieren oder die elektrochemische Membran verschmutzen, wodurch die Sonde regelmäßig gereinigt werden muss.
Die elektrochemische Methode und die optische Methode haben Vorteile: die Kosten der elektrochemischen Methode sind niedrig, das Volumen ist klein und geeignet für kostengünstige Szenarien; Hohe optische Stabilität und lange Lebensdauer eignen sich für eine hohe Präzision oder eine langfristige Überwachung. In praktischen Anwendungen müssen die geeigneten Technologien entsprechend den Anforderungen der Szenarien (z. B. Genauigkeit, Kosten, Wartungskomplexität) ausgewählt werden, um eine genaue Überwachung und Regulierung von gelöstem CO2 zu ermöglichen.