Принцип действия АС основан на измерении тока деполяризации, возникающего в результате диффузии молекулярного кислорода из анализируемой среды к поверхности катода, где протекает реакция его электрохимического восстановления. АС преобразует поток кислорода, «потребляемого» сенсором в электрический ток. Поэтому дискутируемый в литературе вопрос: «Что измеряет АС - рО₂ или сО₂?» имеет однозначный ответ - поток кислорода.

В общем случае величина этого потока определяется парциальным давлением кислорода, 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 кислорода.

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

Режим измерения рО₂ 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 рО₂ в жидкостях и газах. Их применение для измерений сО₂ в жидкостях требует введения двойной температурной компенсации на свойства газопроницаемой мембраны и анализируемой жидкости. При использовании этих сенсоров для измерений сО₂ в водах с солесодержанием более 1 г/л необходимо вводить коррекцию на солевой состав.

Режим измерения сО₂ 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 АСсО₂ принадлежит нашей фирме. Этот режим измерения при соответствующем методическом оформлении может использоваться для определения кислородо-транспортных характеристик жидкостей таких как: удельный поток кислорода (Q), диффузионная проводимость (P) жидкостей по кислороду 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 рО₂, так и сО₂. По этой причине их применение для задач аналитического контроля кислорода в жидкостях нежелательно. Такие сенсоры требуют проведения калибровки по воде насыщенной кислородом воздуха и применения переливных устройств или стабилизаторов расхода. Более того, они не поддаются точной настройке системы температурной компенсации. Их область применения ограничивается задачами аналитического контроля кислорода в газовых средах.

Абсолютная селективность. Высокая селективность АС к О₂ обеспечивается благодаря выбору поляризующего напряжения, материала газопроницаемой мембраны (ГМ), измерительного электрода (ИЭ) и состава раствора электролита. Однако, при измерениях кислорода на микрограммовом уровне АС становится чувствителен к молекулярному водороду. Для обеспечения абсолютной селективности АС к О₂ мы применили методы химической модификации поверхности ИЭ. Благодаря этому полностью устранено перекрестное влияние водорода на сигнал АСрО₂.

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

Неразрушающий контроль. В результате «потребления» кислорода самим сенсором, его концентрация у поверхности газопроницаемой мембраны (ГП) снижается. Для АС с большими катодами характерно значительное потребление О₂, 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 рО₂. Потребление кислорода 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 АСрО₂ и конструкцию анализатора. Мы сознательно пошли на преодоление этих трудностей ради обеспечения достоверных и высокоточных измерений рО₂ и сО₂ в широком диапазоне, охватывающем шесть порядков величин (от 0,1 до 10⁵ мкг/л).

Независимость показаний от скорости потока.
Пренебрежимо малое потребление кислорода, свойственное АСрО₂ с мини- и микрокатодами, обеспечивает существенное снижение зависимости показаний от скорости потока.

Графическая иллюстрация этих зависимостей поясняет преимущества АСрО₂ с мини- и микрокатодами.

Для аналитического контроля микрограммовых количеств О₂ в тепловой и атомной энергетике целесообразно применять АСрО₂ с миникатодами.

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

Для аналитического контроля кислорода на милиграммовом уровне целесообразно использовать АСрО₂ с микрокатодами. Кислородомеры на их основе позволяют проводить измерения в неподвижных пробах жидкостей и отказаться от применения магнитных мешалок.

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 воздуху 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 АКПМ, 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 рО₂. Для АСрО₂ с мини- и микрокатодами коэффициент «Жидкость-Газ» не превышает 3%. Поэтому только АС, функционирующие в режиме измерения рО₂, могут калиброваться по воздуху. В анализаторах АКПМ систематическая погрешность измерений, обусловленная коэффициентом «Жидкость-Газ», автоматически компенсируется при проведении измерений сО₂ 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 рО₂ и сО₂, значительно упрощаются.

В качестве средств метрологического обеспечения АС, функционирующих в режиме измерения сО₂, можно использовать водные растворы солей, насыщенные кислородом воздуха. Калибровку АС, функционирующих в режиме измерения рО₂, можно проводить по воздуху или по воде, насыщенной кислородом воздуха. В качестве второй точки градуировочной характеристики обычно используют чистый инертный газ или «ноль-раствор».

Выпускаемые нашим предприятием АС, благодаря высоким технологиям и культуре их производства, имеют рекордно низкие значения остаточного тока. Это позволило нам отказаться от калибровки анализатора по «нулевой точке» и существенно упростить процедуру калибровки, ограничив ее калибровкой по одной точке - атмосферному воздуху.