ऑक्सीजन की मात्रा मापने की एक नई विधि -- 3डी आयन करंट ऑक्सीजन विश्लेषक

सारांश: यह शोधपत्र कॉपर अमोनिया विलयन अवशोषण विधि, ईंधन सेल विधि, चुंबकीय ऑक्सीजन विधि, जिरकोनियम ऑक्साइड विधि और लेजर विधि जैसी ऑक्सीजन मापन विधियों के सिद्धांतों और विशेषताओं का वर्णन करके एक उन्नत आयन प्रवाह ऑक्सीजन मापन उपकरण का परिचय देता है।

मुख्य शब्द: कॉपर अमोनिया विलयन, ईंधन सेल, चुंबकीय ऑक्सीजन, ज़िरकोनिया, लेजर, आयन प्रवाह, ऑक्सीजन मीटर।

कई औद्योगिक उत्पादन प्रक्रियाओं में ऑक्सीजन की मात्रा एक अत्यंत महत्वपूर्ण सूचक है, जो उत्पादन क्षमता, गति, दक्षता और सुरक्षा को सीधे प्रभावित करती है। इसलिए, ऑक्सीजन की मात्रा को अधिक तेज़ी से, सुविधाजनक, सटीक और विश्वसनीय तरीके से मापना, ताकि समय रहते ऑक्सीजन की मात्रा को नियंत्रित किया जा सके, अत्यंत महत्वपूर्ण है। आयन प्रवाह विधि इसी आवश्यकता को ध्यान में रखते हुए ऑक्सीजन की मात्रा मापने की एक नई विधि है। पारंपरिक ऑक्सीजन मात्रा मापने की विधि की तुलना में, आयन प्रवाह विधि प्रतिक्रिया गति, स्थिरता, उपकरण की कीमत और सेंसर के सेवाकाल आदि के मामले में कई लाभ प्रदान करती है, और विशेष रूप से उच्च ऑक्सीजन मात्रा के विश्लेषण के लिए उपयुक्त है।

ऑक्सीजन की मात्रा मापने की पारंपरिक विधियाँ: इनमें कॉपर अमोनिया विलयन अवशोषण विधि, ईंधन सेल विधि, पैरामैग्नेटिक विधि, ज़िरकोनियम ऑक्साइड सांद्रता विभव विधि और लेजर विधि आदि शामिल हैं। इन विधियों के सिद्धांत, लाभ और हानियों का सारांश निम्नलिखित है:

1.1 कॉपर-अमोनिया विलयन अवशोषण विधि

कॉपर-अमोनिया विलयन को सर्पिलाकार रूप में कुंडलित कॉपर के तार को 1:1 के अनुपात में अमोनियम क्लोराइड और अमोनिया जल के संतृप्त विलयन से तैयार किए गए विलयन में डालकर तैयार किया जाता है। जब ऑक्सीजन युक्त गैस का नमूना कॉपर-अमोनिया विलयन से भरी अवशोषण बोतल में डाला जाता है, तो अमोनिया की उपस्थिति में, नमूने में मौजूद ऑक्सीजन द्वारा कॉपर का ऑक्सीकरण होकर कॉपर ऑक्साइड (CuO) और कॉपर ऑक्साइड (Cu2O) बनता है, और अभिक्रिया समीकरण इस प्रकार है:

कॉपर ऑक्साइड और क्यूप्रस ऑक्साइड क्रमशः अमोनिया जल और अमोनियम क्लोराइड के साथ अभिक्रिया करके घुलनशील उच्च संयोजकता वाले कॉपर लवण Cu(NH3)2Cl2 और निम्न संयोजकता वाले कॉपर लवण Cu2(NH3)2Cl2 उत्पन्न करते हैं। निम्न संयोजकता वाला कॉपर लवण ऑक्सीजन अवशोषित करके उच्च संयोजकता वाले कॉपर लवण में परिवर्तित हो जाता है, और उच्च संयोजकता वाला कॉपर लवण कॉपर द्वारा अपचयित होकर निम्न संयोजकता वाले कॉपर लवण में परिवर्तित हो जाता है, इस प्रकार यह चक्र तब तक चलता रहता है जब तक गैस में मौजूद ऑक्सीजन समाप्त नहीं हो जाती। गैस के आयतन में कमी के अनुसार गैस में ऑक्सीजन की मात्रा (आयतन प्रतिशत सांद्रता) ज्ञात की जा सकती है।

यह ऑक्सीजन की मात्रा मापने की एक पारंपरिक विधि है, जिसका उपयोग आमतौर पर मध्यस्थता में किया जाता है और यह कम खर्चीली है। वर्तमान में, कई गैस प्रयोगशालाएँ और परीक्षण संस्थान अभी भी इस विधि का उपयोग कर रहे हैं, लेकिन यह आमतौर पर केवल 99.9% से कम ऑक्सीजन की मात्रा वाले गैस नमूनों को मापने के लिए उपयुक्त है। इसकी कमियों में घोल तैयार करने और तांबे के तार लपेटने की आवश्यकता शामिल है, जो अधिक जटिल है; पूरी माप प्रक्रिया में मैन्युअल संचालन की आवश्यकता होती है, जो ऑनलाइन निरंतर विश्लेषण के लिए उपयुक्त नहीं है। जब मापी जा रही गैस में अन्य ऑक्सीकारक गैसें मौजूद होती हैं, तो माप परिणाम प्रभावित हो सकते हैं। चूंकि पूरा अवशोषण उपकरण कांच का बना होता है, इसलिए यह आसानी से क्षतिग्रस्त हो सकता है।

1.2 ईंधन सेल विधि

ईंधन सेल आमतौर पर अक्रिय धातु इलेक्ट्रोड (कैथोड) + लेड (या ग्रेफाइट) इलेक्ट्रोड (एनोड) + इलेक्ट्रोलाइट (अम्लीय और क्षारीय में विभाजित) से बना होता है। कैथोड और एनोड क्रमशः एक धातु की शीट से जुड़े होते हैं, जो इलेक्ट्रोड लीड का काम करती है। कैथोड पर मौजूद कई गोल छिद्रों के माध्यम से इलेक्ट्रोलाइट कैथोड की सतह पर प्रवाहित होता है। इलेक्ट्रोलाइट की पतली परत को इस पतली परत से ढका जाता है, और फिर गैस को पारगम्य बनाने वाली पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (PTFE) फिल्म से ढका जाता है। गैस का नमूना पारगम्य फिल्म के माध्यम से कैथोड में प्रवेश करता है। ऑक्सीजन और इलेक्ट्रोलाइट अभिक्रिया करते हैं, जिससे उत्पन्न OH- आयन विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में एनोड की ओर गति करते हैं, और एनोड इलेक्ट्रॉन खोकर जल उत्पन्न करता है। उदाहरण के लिए, जब चांदी को एनोड सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है, तो रासायनिक अभिक्रिया समीकरण इस प्रकार है:

OH-माइग्रेशन द्वारा उत्पन्न वर्तमान तीव्रता गैस के नमूने में ऑक्सीजन की मात्रा के समानुपाती होती है, और ईंधन सेल में उत्पन्न वर्तमान तीव्रता को मापकर गैस के नमूने में ऑक्सीजन की मात्रा प्राप्त की जा सकती है।

इस विधि के कई फायदे हैं, जैसे कि ईंधन सेल की सरल संरचना, छोटा आकार और तीव्र प्रतिक्रिया गति। इसलिए, इस विधि से निर्मित ऑक्सीजन विश्लेषक पोर्टेबल उपयोग के लिए बहुत उपयुक्त है और इसकी कीमत भी अपेक्षाकृत कम है। हालांकि, ईंधन सेल एक खपत-आधारित डिटेक्टर है, जिसका जीवनकाल सेंसर द्वारा संचित ऑक्सीजन की कुल मात्रा पर निर्भर करता है। माप प्रक्रिया के दौरान एनोड लगातार प्रतिक्रिया करता है और खपत होता रहता है। एक बार ईंधन सेल समाप्त हो जाने पर, यह खराब हो जाता है और इसे बदलना पड़ता है। ईंधन सेल ऑक्सीजन विश्लेषक की माप सटीकता और स्थिरता कम होती है, विशेष रूप से 90% से अधिक ऑक्सीजन सामग्री वाले गैस नमूनों के मापन में, मासिक विचलन 1% से अधिक हो सकता है। इसके अलावा, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट के साथ ईंधन सेल का उपयोग अम्लीय गैस में ऑक्सीजन की मात्रा के विश्लेषण के लिए उपयुक्त नहीं है, और अम्लीय इलेक्ट्रोलाइट के साथ इसका उपयोग क्षारीय गैस के मापन के लिए उपयुक्त नहीं है।

1.3 चुंबकीय क्षेत्र की क्रिया (क्षेत्रीय यांत्रिक क्रियाएँ)

पैरामैग्नेटिक विधि द्वारा ऑक्सीजन की मात्रा का मापन इस तथ्य पर आधारित है कि ऑक्सीजन एक पैरामैग्नेटिक पदार्थ है, और 20°C पर इसकी आयतन संवेदनशीलता k=1062×10⁻⁶ (CGSM) तक पहुँच सकती है। अन्य गैसों की आयतन संवेदनशीलता ऑक्सीजन की तुलना में बहुत कम होती है (NO को छोड़कर), इसलिए पैरामैग्नेटिक विधि द्वारा ऑक्सीजन की मात्रा का विश्लेषण हमेशा सबसे प्रभावी विधियों में से एक है।

चुंबकीय यांत्रिक ऑक्सीजन विश्लेषक, पराचुंबकीय विधि द्वारा ऑक्सीजन की मात्रा का विश्लेषण करने वाले प्रमुख उपकरणों में से एक है। ऑक्सीजन सेंसर नाइट्रोजन से भरी क्वार्ट्ज कांच की दो डम्बल गेंदों से बना होता है। इन डम्बल गेंदों को प्लैटिनम के तारों से लपेटा जाता है, जिससे एक विद्युत प्रतिक्रिया लूप बनता है। ये डम्बल गेंदें चुंबकीय क्षेत्र में निलंबित रहती हैं और इनके बीच में एक छोटा परावर्तक लगा होता है। उपकरण के भीतर स्थित प्रकाश स्रोत से प्रकाश किरण निकलती है, जो परावर्तक द्वारा परावर्तित होकर प्रकाश संवेदक द्वारा ग्रहण की जाती है। जब डम्बल गेंद के चारों ओर ऑक्सीजन अणु मौजूद होते हैं, तो वे चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव से गति करते हैं और डम्बल गेंद विक्षेपित होती है। ऑक्सीजन की सांद्रता जितनी अधिक होती है, विक्षेपण कोण उतना ही बड़ा होता है। यह विक्षेपण परावर्तक को गतिमान करता है और प्रकाश संवेदक के प्रकाश पथ को भी विक्षेपित करता है। प्रकाश संवेदक इस विक्षेपण का पता लगाकर विद्युत संकेत उत्पन्न करता है। प्रवर्धक द्वारा प्रवर्धन के बाद, प्रतिक्रिया परिपथ बनता है और चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव से डम्बल गेंद अपनी मूल संतुलन स्थिति में लौट आती है। परिपथ में धारा का मान ऑक्सीजन की मात्रा के समानुपाती होता है। नमूने में ऑक्सीजन की मात्रा को धारा के मान को मापकर प्राप्त किया जा सकता है।

ऑक्सीजन की मात्रा मापने के लिए पैरामैग्नेटिक विधि के लाभ यह हैं कि माप पर गैस के नमूने में मौजूद गैर-मापे गए घटकों (NO और Xe को छोड़कर) का कोई खास असर नहीं पड़ता, इसका उपयोग उच्च ऑक्सीजन मात्रा वाले गैस के नमूनों को मापने के लिए किया जा सकता है, और इसकी प्रतिक्रिया गति तीव्र और स्थिरता अच्छी होती है। लेकिन इस विधि की कुछ कमियां भी हैं, जिनमें गैस के नमूने का पूर्व-उपचार और माप वातावरण आदि की उच्च आवश्यकताएं शामिल हैं। नमूने का दबाव, धूल, टार, जल वाष्प आदि माप परिणामों को प्रभावित कर सकते हैं, यहां तक ​​कि सेंसर को नुकसान भी पहुंचा सकते हैं। इसके अलावा, उपकरण को क्षैतिज रूप से रखना सुनिश्चित करें, कंपन से बचें, मजबूत चुंबकीय क्षेत्र से बचें, और उपकरण के आसपास अधिक बिजली वाले उपकरण या बिजली की लाइनें न हों। पैरामैग्नेटिक ऑक्सीजन विश्लेषक अधिक कीमती होता है, इसकी आंतरिक संरचना अधिक जटिल होती है और कीमत भी अधिक होती है।

1.4 ज़िरकोनिया सांद्रण क्षमता विधि

ज़िरकोनियम ऑक्साइड सांद्रण विभव विधि में प्रयुक्त ज़िरकोनियम ऑक्साइड ट्यूब एक स्थिर ज़िरकोनियम ऑक्साइड सिरेमिक सिंटर्ड पिंड है, जो ज़िरकोनियम ऑक्साइड पदार्थ को यट्रियम ऑक्साइड या कैल्शियम ऑक्साइड के एक निश्चित अनुपात के साथ उच्च तापमान पर सिंटरिंग द्वारा निर्मित किया जाता है। यट्रियम ऑक्साइड या कैल्शियम ऑक्साइड अणु की उपस्थिति के कारण, ज़िरकोनियम ऑक्साइड के घनाकार जालक में ऑक्सीजन आयन छिद्र मौजूद होते हैं, और ज़िरकोनियम ऑक्साइड ट्यूब उच्च तापमान पर ऑक्सीजन आयनों का अच्छा चालक होता है। इस विशेषता के कारण, एक निश्चित तापमान पर, जब ज़िरकोनिया ट्यूब के दोनों ओर गैस में ऑक्सीजन की मात्रा भिन्न होती है, तो एक विशिष्ट ऑक्सीजन सांद्रण बैटरी का निर्माण होता है। पूरी ज़िरकोनिया ट्यूब नलिकाकार होती है, जिसके मध्य भाग को ज़िरकोनिया पदार्थ द्वारा अलग किया जाता है, और ज़िरकोनिया के दोनों ओर छिद्रित धातु की एक परत इलेक्ट्रोड के रूप में सिंटर की जाती है (आमतौर पर इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में प्लैटिनम का उपयोग किया जाता है)। एक निश्चित तापमान (600-1400°C) पर, उच्च ऑक्सीजन सामग्री वाले पक्ष के ऑक्सीजन अणु इलेक्ट्रोड पर अधिशोषित हो जाते हैं, प्लैटिनम की उत्प्रेरण के तहत, एक अपचयन अभिक्रिया होती है, और इलेक्ट्रॉन ऑक्सीजन आयन बनाते हैं, अर्थात्:

साथ ही, पार्श्व इलेक्ट्रोड धनात्मक रूप से आवेशित होकर ऑक्सीजन सांद्रण सेल का धनात्मक इलेक्ट्रोड या एनोड बन जाता है। ऑक्सीजन आयन ज़िरकोनियम ऑक्साइड क्रिस्टल में मौजूद छिद्रों के माध्यम से कम ऑक्सीजन सामग्री वाले ज़िरकोनियम ऑक्साइड क्रिस्टल के दूसरी ओर चले जाते हैं, और प्लैटिनम इलेक्ट्रोड पर इलेक्ट्रॉन खोकर ऑक्सीजन अणु बनाते हैं, अर्थात्:

साथ ही, इलेक्ट्रोड ऋणात्मक रूप से आवेशित होकर ऑक्सीजन सांद्रण सेल का कैथोड या कैथोड बन जाता है। विभव, ज़िरकोनियम ऑक्साइड द्वारा मापी गई गैस में ऑक्सीजन की मात्रा से संबंधित है। यह नेर्नस्ट समीकरण के अनुसार है।

सूत्र में:

E: ऑक्सीजन सांद्रता विभव (मिलीवोल्ट)

R: गैस स्थिरांक 8.3145 J/mol·K

T：273.15 + t (℃)

n: पूर्ण तापमान द्वारा इंगित ज़िरकोनियम ऑक्साइड जांच का कार्यकारी तापमान (के) 273.15 + टी (°सी) है।

F: फैराडे स्थिरांक, 96485.3365 (C/mol)

P0: संदर्भ गैस में ऑक्सीजन का आंशिक दबाव

P1: मापी जाने वाली गैस में ऑक्सीजन का आंशिक दाब

यह समीकरण ज़िरकोनिया सांद्रता बैटरी द्वारा गैस में ऑक्सीजन की मात्रा मापने का आधार है। वास्तविक माप में, ज़िरकोनिया ट्यूब को 600~1400°C तक गर्म किया जाता है। ज़िरकोनिया ट्यूब के संदर्भ पक्ष में उच्च ऑक्सीजन सांद्रता वाली और ज्ञात ऑक्सीजन सांद्रता वाली गैस, जैसे कि वायु (P0=20.6%), भरी जाती है, जबकि दूसरे पक्ष में मापी जाने वाली गैस भरी जाती है। सांद्रता बैटरी विभव E और ज़िरकोनिया प्रोब के निरपेक्ष तापमान को मापकर मापी जाने वाली गैस में ऑक्सीजन का आंशिक दाब (P1) ज्ञात किया जा सकता है, जिससे मापी जाने वाली गैस में ऑक्सीजन की सांद्रता प्राप्त होती है।

इस विधि के कई फायदे हैं, जैसे उच्च संवेदनशीलता, तीव्र प्रतिक्रिया, विस्तृत रैखिक सीमा, अच्छी पुनरुत्पादकता और स्थिरता। ज़िरकोनिया ऑक्सीजन विश्लेषक की आंतरिक संरचना चुंबकीय ऑक्सीजन विश्लेषक की तुलना में सरल है और तापमान, कंपन आदि जैसी बाहरी पर्यावरणीय स्थितियों से लगभग अप्रभावित रहती है, और इसे रखरखाव की आवश्यकता भी लगभग नहीं होती है। हालांकि, इसकी कुछ कमियां भी हैं, क्योंकि ज़िरकोनिया पदार्थ में इलेक्ट्रॉनों को गतिमान होने के लिए उच्च तापमान की आवश्यकता होती है, इसलिए उपकरण में ज़िरकोनिया ट्यूब को गर्म करने के लिए हीटिंग फर्नेस की आवश्यकता होती है, जिसके कारण ज़िरकोनिया विश्लेषण उपकरण को सामान्य रूप से उपयोग करने के लिए लंबे समय तक प्रीहीटिंग की आवश्यकता होती है। ऑक्सीजन सांद्रता को मापते समय, ज़िरकोनिया विधि मापी जाने वाली गैस में मौजूद अपचायक गैस से प्रभावित होती है, जिसके परिणामस्वरूप मापन परिणाम कम हो जाता है। इसलिए, यह उच्च अपचायक गैस या अपचायक गैस की मात्रा वाले गैस के नमूनों में ऑक्सीजन सांद्रता को मापने के लिए उपयुक्त नहीं है, विशेष रूप से पीपीएम ऑक्सीजन सांद्रता वाले गैस के नमूनों को मापते समय, नमूने में मौजूद अपचायक गैस के मापन परिणाम पर पड़ने वाले प्रभाव पर विशेष ध्यान देना आवश्यक है। इसके अतिरिक्त, जब मापे जाने वाले गैस के नमूने में ऑक्सीजन की सांद्रता हवा में ऑक्सीजन की सांद्रता (20.6%) से अधिक होती है, तो सांद्रता क्षमता के सकारात्मक होने को सुनिश्चित करने के लिए उच्च सांद्रता वाली गैस को संदर्भ गैस के रूप में उपयोग करने के अलावा, ज़िरकोनियम ऑक्साइड डिटेक्शन टैंक को सुधारने की आवश्यकता होती है, जिससे उपकरण की लागत में काफी वृद्धि होती है।

1.5 लेजर ऑक्सीजन मापन विधि

लेजर ऑक्सीजन मापन विधि इस विशेषता पर आधारित है कि ऑक्सीजन अणु एक निश्चित तरंगदैर्ध्य के लेजर को अवशोषित कर सकते हैं। उपकरण के भीतर एक लेजर डायोड द्वारा ज्ञात प्रकाश तीव्रता वाली एक निश्चित तरंगदैर्ध्य की लेजर किरण उत्पन्न की जाती है। लेजर किरण को मापे जाने वाले गैस के नमूने से भरे मापन पूल में डाला जाता है। मापन पूल के दोनों ओर स्थित दो दर्पणों के बीच कई बार परावर्तित होने के बाद, प्रकाश का एक हिस्सा गैस के नमूने में मौजूद ऑक्सीजन द्वारा अवशोषित कर लिया जाता है, और शेष प्रकाश संग्राहक ध्रुव पर परावर्तित होकर ग्रहण कर लिया जाता है।

बिल के नियम के अनुसार, अवशोषित किरण की तीव्रता और मूल तीव्रता का अनुपात गैस के नमूने में ऑक्सीजन की मात्रा के समानुपाती होता है:

Ln[I0/I] = S × L × N

फॉर्मूला में:

I0: मूल प्रकाश तीव्रता

I: गैसीय नमूने में ऑक्सीजन द्वारा अवशोषित अवशिष्ट प्रकाश तीव्रता

S: किसी विशिष्ट तरंगदैर्ध्य के लेजर के लिए ऑक्सीजन का अवशोषण स्थिरांक

L: प्रकाशीय पथ की लंबाई

N: प्रकाशीय पथ पर ऑक्सीजन अणुओं की संख्या नमूना गैस में ऑक्सीजन की मात्रा से संबंधित है।

इसलिए, गैस के नमूने में ऑक्सीजन की मात्रा मूल प्रकाश तीव्रता और अवशोषित प्रकाश तीव्रता को मापकर प्राप्त की जा सकती है। चूंकि चयनित लेजर तरंगदैर्ध्य विशिष्ट है, इसलिए मापन परिणाम अन्य गैसों से लगभग अप्रभावित रहते हैं। I/I0 का उपयोग करके गणना करने से प्रकाश तीव्रता, दर्पण परावर्तनशीलता और विद्युत उपकरणों में होने वाले परिवर्तनों का प्रभाव लगभग समाप्त हो जाता है। वर्तमान में, इस सिद्धांत का उपयोग करके निर्मित उपकरणों की कीमत अपेक्षाकृत अधिक है, और प्रदर्शन की स्थिरता में और सुधार की आवश्यकता है।

3डी आयन प्रवाह प्रौद्योगिकी

चित्र 1 में 3डी आयन प्रवाह ऑक्सीजन सेंसर के कार्य सिद्धांत को दर्शाया गया है।

स्थिर ZrO2 के दोनों ओर प्लैटिनम इलेक्ट्रोड लेपित होते हैं, और कैथोड की ओर एक आवरण होता है जिसमें गैस विसरण छिद्र होता है, जिससे कैथोड गुहा बनती है। एक निश्चित तापमान पर, जब ZrO2 इलेक्ट्रोड के दोनों ओर एक निश्चित वोल्टेज लगाया जाता है, तो गुहा में मौजूद ऑक्सीजन अणु इलेक्ट्रॉन ग्रहण करके कैथोड पर ऑक्सीजन आयन (O2-) बनाते हैं। O2- ZrO2 के ऑक्सीजन रिक्ति के माध्यम से एनोड की ओर गति करता है, इलेक्ट्रॉन मुक्त करता है और गैसीय ऑक्सीजन अणु में परिवर्तित हो जाता है। इस घटना को विद्युत रासायनिक पंप कहा जाता है, इस प्रकार कैथोड गुहा में मौजूद ऑक्सीजन को ZrO2 इलेक्ट्रोलाइट द्वारा लगातार बाहर निकाला जाता है, जिससे परिपथ में धारा उत्पन्न होती है। जब ऑक्सीजन का मोल अंश स्थिर होता है, तो वोल्टेज बढ़ता है और धारा की तीव्रता भी बढ़ती है। जब वोल्टेज एक निश्चित मान से अधिक हो जाता है, तो धारा की तीव्रता संतृप्ति तक पहुँच जाती है, जो छोटे छिद्र के माध्यम से कैथोड गुहा में ऑक्सीजन के विसरण का परिणाम है। इस संतृप्ति धारा को आयनिक धारा कहा जाता है। छोटे छिद्रों में गैस के विसरण की प्रक्रिया सेंसर के गुणों को निर्धारित करती है। छोटे छिद्रों में विसरण के दौरान आयन प्रवाह दो प्रकार का होता है, अर्थात् आणविक विसरण और नुडसन विसरण। जब छिद्र का व्यास गैस अणु के औसत व्यास से अधिक होता है, तो विसरण क्षेत्र में आयन धारा (IL) निम्न होती है:

सूत्र में, F फैराडे स्थिरांक है; D मुक्त स्थान में ऑक्सीजन अणुओं का विसरण गुणांक है; S विसरण छिद्र का अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल है; L विसरण छिद्र की लंबाई है; C सेंसर के चारों ओर ऑक्सीजन का मोल अंश है; CT संपूर्ण गैसीय पदार्थ का मोल अंश है। जब C/CT<1 होता है, तो सूत्र (1) से, आयन धारा का मान ऑक्सीजन के मोल अंश के समानुपाती हो जाता है, और आयन धारा का मान IL इस प्रकार है:

सूत्र (2) से, आयनिक धारा और ऑक्सीजन मोल अंश लगभग रैखिक हैं। मापी गई गैस में ऑक्सीजन मोल अंश को आउटपुट धारा के अनुसार निर्धारित किया जा सकता है।

सेंसर कैथोड को आपूर्ति की जाने वाली ऑक्सीजन को एक छिद्रयुक्त सिरेमिक सब्सट्रेट द्वारा विसरण परत के रूप में नियंत्रित किया जाता है, जो छिद्रयुक्त परत-प्रकार की संरचना के साथ सघन विसरण अवरोधक परत के रूप में एलएसएम का उपयोग करता है, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है।

चित्र 2 छिद्रित परत ऑक्सीजन सेंसर

छिद्रित परत प्रकार के ऑक्सीजन सेंसर का आयन प्रवाह सूत्र (2) के समान है।

सूत्र में, F फैराडे स्थिरांक है; Deff छिद्रयुक्त परत में ऑक्सीजन का प्रभावी विसरण गुणांक है; S कैथोड का क्षेत्रफल है; L छिद्रयुक्त परत की मोटाई है; C सेंसर के आसपास ऑक्सीजन का मोल अंश है। सूत्र (3) से, छिद्रयुक्त परत ऑक्सीजन सेंसर का सीमा धारा मान ऑक्सीजन के मोल अंश के साथ रैखिक रूप से संबंधित है।

वोल्टेज-करंट विशेषताएँ

चित्र 3 में विभिन्न ऑक्सीजन सांद्रता वाली परिवेशी गैसों में सेंसर के वोल्टेज और करंट की विशेषताओं को दर्शाया गया है।

चित्र 3 सेंसर के वोल्टेज और करंट विशेषताओं का योजनाबद्ध आरेख

चित्र 4 में 3डी आयन धारा और ऑक्सीजन सांद्रता के बीच संबंध वक्र दर्शाया गया है।

चित्र 4 आयन धारा और ऑक्सीजन सांद्रता का वक्र आरेख

3. "कॉपर अमोनिया विलयन अवशोषण विधि" से तुलना:

शंघाई इंस्टीट्यूट ऑफ मेट्रोलॉजी एंड मेजरमेंट टेक्नोलॉजी ने चांग ऐ द्वारा निर्मित आयन फ्लो ऑक्सीजन मीटर की तुलना कॉपर अमोनिया सॉल्यूशन एब्जॉर्प्शन विधि से की है। उपकरण को 24.1% हीलियम (He) युक्त ऑक्सीजन से कैलिब्रेट किया गया, और फिर कंपनी द्वारा भेजी गई "Cu-अमोनिया सॉल्यूशन एब्जॉर्प्शन विधि" का उपयोग करके गैस में ऑक्सीजन की मात्रा मापी गई। उपकरण ने 97.71% मान दिखाया। कुछ दिनों बाद, उपकरण से कई बार माप लिया गया, और मान 97.65% से 97.89% के बीच रहा। स्पष्ट रूप से, इसकी दोहराव क्षमता, स्थिरता और त्रुटि की मात्रा कम है। उपकरण चालू होने के बाद कुछ मिनटों तक स्थिर रह सकता है। नमूने का माप लगभग छह मिनट तक किया जा सकता है।

4. विभिन्न सिद्धांतों की तुलना

5. 3डी आयन फ्लो ऑक्सीजन विश्लेषक का अनुप्रयोग

चीन में निर्मित 3डी आयन फ्लो ऑक्सीजन विश्लेषक श्रृंखला को 2004 में बाजार में उतारा गया था। पिछले 10 वर्षों के बाजार अनुभव और उपयोग में इसने उल्लेखनीय परिणाम प्राप्त किए हैं। वायु पृथक्करण प्रक्रिया विश्लेषण बाजार में, विशेष रूप से चिकित्सा ऑक्सीजन निर्माण उद्योग में, इसकी एक निश्चित बाजार हिस्सेदारी है और यह विश्वास है कि इसे "राष्ट्रीय मानक" में स्थान मिलेगा। यह न केवल प्रयोगशाला में व्यावहारिक है, बल्कि पोर्टेबल उपकरण होने के कारण इसे कहीं भी आसानी से उपयोग किया जा सकता है, विशेष रूप से ऑनलाइन विश्लेषण में यह "चुंबकीय ऑक्सीजन" का स्थान ले सकता है।

वेनफेंग आयरन एंड स्टील, लोंगहाई आयरन एंड स्टील, तांगशान आयरन एंड स्टील, शंघाई बाओस्टील ग्रुप, शिनजियांग बायि आयरन एंड स्टील, दयांग्रिटिक एसिड, शानक्सी जियानबांग ग्रुप, शेडोंग लाइगांग तियानयुआन गैस, हेनान शेनमा नायलॉन केमिकल, शानक्सी लानक्सिंग केमिकल, निंगबो लिंडे गैस, शौगांग चांग्झी आयरन एंड स्टील, आदि सभी कंपनियों ने आयन फ्लो ऑक्सीजन डिटेक्टर का उपयोग किया है, जिसने वायु पृथक्करण प्रक्रिया विश्लेषण प्रणाली में उच्च ऑक्सीजन सामग्री का पता लगाने के क्षेत्र में क्रांति ला दी है, चुंबकीय ऑक्सीजन के सिद्धांत पर आधारित है, घरेलू उत्पादों के लिए एक ठोस आधार तैयार किया है और दुनिया भर के उपयोगकर्ताओं के बीच लोकप्रियता हासिल की है।

सीआई-पीसी84 श्रृंखला ऑक्सीजन विश्लेषक

तकनीकी मापदंड:

मापन सीमा: 10%～95%/99.99%，0～40% O2 (कृपया नेमप्लेट पर दिए गए विवरण को देखें)

सेंसर: नया आयन प्रवाह ऑक्सीजन सेंसर

शुद्धता: ≤±1%FS

पुनरावृत्ति क्षमता: ≤±0.5%FS

स्थिरता: ＜±0.5%FS/7d

प्रतिक्रिया समय: T90＜15s

सेंसर का जीवनकाल: 5 वर्ष से अधिक (सामान्य उपयोग)

उपकरण का जीवनकाल: 6 वर्ष से अधिक (सामान्य उपयोग)

आयाम: चित्र 1 से 4 देखें

उपकरण का वजन: लगभग 2 किलो

बिजली आपूर्ति: 10VA से कम बिजली की खपत

परिवेश तापमान: 0～45℃

पर्यावरण आर्द्रता: ＜80%RH

नमूना प्रवाह: 400～600 मिली/मिनट

नमूने का दबाव: 86～106kPa

एनालॉग आउटपुट फ्री-सेट: 4-20mA/0-20mA/0-1V/0-5V/0-10V/1-5V

संचार: RS485 (मानक)/232 (वैकल्पिक)

अलर्ट आउटपुट: एकाग्रता अलार्म स्विच आउटपुट के 2 सेट