Принцип действия АС основан на измерении тока деполяризации, возникающего в результате диффузии молекулярного водорода из анализируемой среды к поверхности анода, где протекает реакция его электрохимического окисления. АС преобразует поток водорода, «потребляемого» сенсором в электрический ток. Поэтому дискутируемый в литературе вопрос: «Что измеряет АС - рН₂ или сН₂?» имеет однозначный ответ - поток водорода.

В общем случае величина этого потока определяется парциальным давлением водорода, свойствами анализируемой среды, условиями проведения измерений и параметрами основных элементов АС. Из анализа оригинальных математических моделей, описывающих все физико-химические процессы протекающие в АС, мы увидели каким образом можно синтезировать сенсоры с известными и новыми функциональными свойствами и требуемыми метрологическими характеристиками. Этот подход использован нами для создания семейства сенсоров предназначенных для решения всего спектра задач аналитического контроля водорода.

Исходя из анализа математических моделей АС было показано, что в зависимости от выбора параметров его основных элементов реализуются три режима работы ЭАВ: режим измерения концентрации водорода, режим измерения парциального давления водорода и смешанный режим.

Режим измерения рН₂ обеспечивается, когда параметры АС удовлетворяют соотношению Log(X-1) > 1, где Х - обобщенный критерий, учитывающий конструктивные параметры и физико-химические свойства всех элементов АС. Такие АС можно применять для измерений рН₂ в жидкостях и газах. Их применение для измерений сН₂ в жидкостях требует введения двойной температурной компенсации на свойства газопроницаемой мембраны и анализируемой жидкости. При использовании этих сенсоров для измерений сН₂ в водах с солесодержанием более 1 г/л необходимо вводить коррекцию на солевой состав.

Режим измерения сН₂ обеспечивается, когда параметры АС удовлетворяют соотношению Log(X-1) < - 1. Такие АС не требуют введения коррекции на соленость и для них достаточно одной температурной компенсации. Приоритет открытия этого режима работы и создания АСсН₂ принадлежит нашей фирме. Этот режим измерения при соответствующем методическом оформлении может использоваться для определения водородно-транспортных характеристик жидкостей таких как: удельный поток водорода (Q), диффузионная проводимость (P) жидкостей по водороду и его коэффициентов диффузии и растворимости.

Смешанный режим является переходной областью, в которой АС не обладают четко выраженными функциональными свойствами, поэтому для них характерны существенные погрешности измерений как рН₂, так и сН₂. По этой причине их применение для задач аналитического контроля водорода в жидкостях нежелательно. Такие сенсоры требуют применения переливных устройств или стабилизаторов расхода. Более того, они не поддаются точной настройке системы температурной компенсации. Их область применения ограничивается задачами аналитического контроля водорода в газовых средах.

Абсолютная селективность. Высокая селективность АС к Н₂ обеспечивается благодаря выбору поляризующего напряжения, материала газопроницаемой мембраны (ГМ), измерительного электрода (ИЭ) и состава раствора электролита. Однако, при измерениях водорода на микрограммовом уровне АС становится чувствителен к побочным процессам, возникающих в самом АС. Благодаря оригинальной системе термокомпенсации влияние этих процессов устранено.

В тепловой и атомной энергетике при измерениях следовых количеств водорода рекомендуется использовать сенсоры, обладающие абсолютной селективностью.

Неразрушающий контроль. В результате «потребления» водорода самим сенсором, его концентрация у поверхности газопроницаемой мембраны (ГП) снижается. Для АС с большими анодами характерно значительное потребление Н₂, которое приводит к недостоверным результатам измерений из-за разрушающего воздействия сенсора на анализируемую жидкость. Такие АС работают в «смешанном режиме» и относятся к «разрушающим» средствам измерений.

Для обеспечения неразрушающего контроля необходимо применять АС с мини- и микрокатодами, функционирующие в режиме измерения рН₂. Потребление водорода такими сенсорами незначительно и не приводит к искажению информации об измеряемом параметре. Применение мини- и микрокатодов связано с необходимостью проведения измерений очень малых токов (10^-12 - 10^-15 А), что значительно усложняет технологию изготовления АСрН₂ и конструкцию анализатора. Мы сознательно пошли на преодоление этих трудностей ради обеспечения достоверных и высокоточных измерений рН₂ и сН₂ в широком диапазоне, охватывающем пять порядков величин (от 0,1 до 10⁴ мкг/л).

Независимость показаний от скорости потока.
Пренебрежимо малое потребление водорода, свойственное АСрН₂ с мини- и микрокатодами, обеспечивает существенное снижение зависимости показаний от скорости потока.

Графическая иллюстрация этих зависимостей поясняет преимущества АСрН₂ с мини- и микрокатодами.

Для аналитического контроля микрограммовых количеств Н₂ в тепловой и атомной энергетике целесообразно применять АСрН₂ с миникатодами.

Анализаторы АВП на базе таких сенсоров не требуют применения стабилизаторов расхода и переливных устройств, обеспечивая при этом экономный расход анализируемой пробы.

Для аналитического контроля водорода на милиграммовом уровне целесообразно использовать АСрН₂ с микрокатодами. Водородомеры на их основе позволяют проводить измерения в неподвижных пробах жидкостей и отказаться от применения побудителей расхода.

Термокомпенсация. Температурные зависимости АС определяются режимом их работы и физико-химическими свойствами его основных элементов. Для автоматической компенсации этих зависимостей необходимо проводить измерения температуры анализируемой жидкости и газопроницаемой мембраны.

Экспериментальный график изменения температуры ГМ амперометрического сенсора показывает, что при калибровке по ПГС температура мембраны значительно изменяется за счет испарения влаги с ее поверхности.

Это приводит к существенным погрешностям измерений из-за ошибок при калибровке.

Для повышения точности калибровки и работы системы автоматической температурной компенсации, датчик температуры (ДТ) необходимо располагать в непосредственной близости к мембране. В АС, входящих в комплект АВП, датчик температуры с ювелирной точностью впаян в стеклянную гильзу на расстоянии не более чем 0,1 мм от газопроницаемой мембраны.

Благодаря такому расположению датчика температуры, снижается инерционность работы системы термокомпенсации, повышается ее точность и снижаются ошибки калибровки и измерений, обусловленные эффектом «охлаждения» мембраны.

Коэффициент «Жидкость-Газ», впервые введенный Грюневальдом, характеризует отклонение истинного режима работы АС от режима измерения рН₂. Для АСрН₂ с мини- и микрокатодами коэффициент «Жидкость-Газ» не превышает 2%. Поэтому только АС, функционирующие в режиме измерения рН₂, могут калиброваться по ПГС. В анализаторах АВП систематическая погрешность измерений, обусловленная коэффициентом «Жидкость-Газ», автоматически компенсируется при проведении измерений сН₂ в жидкостях.

Долговечность сенсоров прежде всего определяется материалами используемых электродов. Различают два типа АС: сенсоры гальванического типа и сенсоры типа электролитическая ячейка. В сенсорах гальванического типа в качестве материала электродов используют неблагородные металлы, которые расходуются в процессе работы. В сенсорах электролитического типа в качестве измерительного электрода используют благородные металлы, что делает их более долговечными и дорогими. В амперометрических сенсорах, выпускаемых нашим предприятием измерительные электроды выполняются из благородных металлов, которые выполняют роль катализаторов и в процессе работы не расходуются. Вспомогательный электрод АС изготавливается из серебра, которое в процессе работы «расходуется», но его массы хватает более чем на 30 лет непрерывной работы. Применение оригинальных конструкторских решений, передовых технологий и «know how» обеспечило АС высокую надежность, неограниченный срок службы, простоту в обслуживании и эксплуатации.

Средства метрологического обеспечения для АС, функционирующих в режимах измерения рН₂ и сН₂, значительно упрощаются.

В качестве калибровочной смеси можно использовать любую водородосодержащую газовую смесь.