Sensori elettrochimici per gas

I sensori elettrochimici per gas misurano la concentrazione di un gas sfruttando una reazione chimica che genera una corrente elettrica proporzionale alla quantità di gas presente. Il principio è elegante: il gas da misurare entra nel sensore e reagisce su un elettrodo immerso in un elettrolita; questa reazione, di ossidazione o riduzione, libera o assorbe elettroni, generando una piccola corrente che l’elettronica misura. Poiché la corrente è proporzionale alla concentrazione del gas, dalla sua misura si ricava direttamente quanto gas è presente. Sono tra i sensori più usati per misurare gas specifici come ossigeno, monossido di carbonio e molti gas tossici, perché possono essere resi selettivi verso il gas d’interesse. Capire come la reazione chimica genera la corrente e cosa rende selettivo il sensore aiuta a impiegarli correttamente nella rilevazione dei gas.

Questa pagina spiega il principio della reazione elettrochimica, come si ottiene la selettività verso un gas, e gli usi tipici nel rilevamento. È una guida per il tecnico di sicurezza e qualità dell’aria.

La reazione che genera corrente

Il cuore del sensore è una piccola cella elettrochimica, composta da uno o più elettrodi a contatto con un elettrolita. Il gas da misurare diffonde nel sensore attraverso una barriera che ne regola il passaggio, e raggiunge l’elettrodo di misura. Lì avviene una reazione chimica: il gas viene ossidato o ridotto, cioè cede o acquista elettroni. Questo scambio di elettroni costituisce una corrente elettrica, che scorre nel circuito del sensore. Il punto fondamentale è che la quantità di gas che reagisce, e quindi la corrente generata, è proporzionale alla concentrazione del gas nell’aria: più gas è presente, più molecole reagiscono, più corrente si genera. L’elettronica misura questa corrente e la converte in una lettura di concentrazione. È come una piccola pila alimentata dal gas da misurare: il gas è il “combustibile” della reazione, e la corrente prodotta ne misura la quantità. Questa relazione diretta tra concentrazione e corrente rende il sensore elettrochimico preciso e lineare in un ampio intervallo, ed è il principio alla base della misura di molti gas specifici.

La selettività verso un gas

Un pregio importante dei sensori elettrochimici è la loro selettività: possono essere progettati per reagire soprattutto a un gas specifico, ignorando in gran parte gli altri. Questa selettività si ottiene scegliendo opportunamente il materiale dell’elettrodo, l’elettrolita e la reazione chimica sfruttata, oltre alla barriera che regola la diffusione. Così esistono sensori ottimizzati per l’ossigeno, per il monossido di carbonio, per vari gas tossici, ciascuno tarato sul gas d’interesse. La selettività non è mai perfetta: altri gas, detti interferenti, possono reagire in parte e falsare la misura, e questo va tenuto presente nell’uso. I sensori elettrochimici hanno inoltre alcune caratteristiche da considerare: hanno una durata limitata nel tempo, perché l’elettrolita e gli elettrodi si consumano, e vanno sostituiti periodicamente; sono sensibili alla temperatura e all’umidità, che vanno compensate; e richiedono una taratura regolare con gas di riferimento per mantenere la precisione. In cambio, offrono buona sensibilità anche a basse concentrazioni, consumi ridotti e dimensioni compatte. Per la misura di gas specifici, specie tossici, a concentrazioni da basse a medie, il sensore elettrochimico è spesso la soluzione più adatta grazie alla sua selettività e sensibilità.

Aspetto	Caratteristica
Selettività	Verso un gas specifico
Sensibilità	Buona a basse concentrazioni
Durata	Limitata, va sostituito

Dove si usano

I sensori elettrochimici si usano dovunque serva misurare gas specifici a concentrazioni da basse a medie. Nella sicurezza sono il cuore dei rilevatori di gas tossici, come il monossido di carbonio, che avvisano i lavoratori del superamento di soglie pericolose. Negli analizzatori di combustione misurano ossigeno e monossido di carbonio nei fumi per valutare l’efficienza di caldaie e bruciatori. Nel monitoraggio della qualità dell’aria misurano vari gas inquinanti. Nella ricerca di fughe e nel controllo di ambienti confinati rilevano la presenza di gas pericolosi. La loro selettività permette di misurare un gas specifico anche in presenza di altri, e la loro sensibilità di rilevare concentrazioni basse. Vanno però gestiti considerando la loro durata limitata, la necessità di taratura periodica e la sensibilità alle condizioni ambientali. Spesso più sensori elettrochimici, ciascuno per un gas, sono combinati in un unico strumento multigas. Per la misura di gas specifici in sicurezza e controllo, il sensore elettrochimico è una tecnologia fondamentale e diffusa.

• Il gas reagisce su un elettrodo generando corrente.
• La corrente è proporzionale alla concentrazione.
• Possono essere selettivi verso un gas specifico.
• Sensibili anche a basse concentrazioni.
• Hanno durata limitata e vanno tarati.

Affidabilità della misura

Per misure affidabili contano la taratura periodica con gas di riferimento, la compensazione di temperatura e umidità, e la sostituzione del sensore a fine vita. La taratura va ripetuta regolarmente perché la risposta del sensore deriva nel tempo con il consumo dell’elettrolita e degli elettrodi. Vanno considerati i possibili gas interferenti, che possono falsare la misura del gas d’interesse. Il sensore va usato entro il suo campo di temperatura e umidità, con le opportune compensazioni. Va rispettata la sua durata, sostituendolo prima che perda sensibilità. Nelle applicazioni di sicurezza, la verifica funzionale periodica è essenziale. Documentare tipo di sensore, taratura e condizioni rende le misure tracciabili. Grazie alla corrente generata dalla reazione del gas e alla possibilità di renderli selettivi, i sensori elettrochimici per gas offrono una misura precisa e sensibile di gas specifici, e sono una tecnologia fondamentale della sicurezza e del controllo della qualità dell’aria.

Dalla tecnologia allo strumento: cosa serve in pratica

Questo tema appartiene all’area Tecnologie per gas e fluidi del ramo Tecnologie e principi di misura, ed è collegato ai sensori a semiconduttore. Per la strumentazione il riferimento è il Catalogo prodotti.

Nel catalogo i rilevatori di gas fanno capo ai rilevatori di gas e ricerca fughe, nella famiglia aria, clima, gas ed emissioni. Se devi misurare un gas specifico o tossico, il modulo di richiesta consente di ricevere un’indicazione mirata.