산소 함량 분석기 및 센서의 작동 원리
가스 센서의 분류
국가 표준 GB7665-87은 센서를 다음과 같이 정의합니다. 센서란 규정된 측정값을 감지하고 특정 규칙에 따라 이를 사용 가능한 출력 신호로 변환할 수 있는 장치 또는 기기입니다. 가스 센서는 가스의 조성 및 함량을 감지하는 데 사용됩니다. 일반적으로 가스 센서의 정의는 감지 대상의 분류에 기반한다고 여겨지며, 즉 물리적 또는 화학적 방법을 통해 가스의 조성 및 농도를 감지하는 데 사용되는 모든 센서를 가스 센서라고 합니다. 예를 들어, 가스 유량 센서는 가스 센서로 간주되지 않지만, 열전도도 가스 분석기는 중요한 가스 센서이며, 비록 때때로 일반적으로 동일한 감지 원리를 사용하기도 합니다.
1970년대 초부터 가스 센서는 센서 분야에서 화학 센서의 한 분과로서 큰 비중을 차지하게 되었습니다.
시중에는 몇 가지 종류의 가스 센서가 널리 사용되고 있습니다.
1. 반도체 가스 센서
반도체 가스 센서는 금속 산화물 반도체 소재를 사용하여 만들어지며, 특정 온도에서 주변 가스 조성 변화에 따라 전도도가 변합니다. 예를 들어, 알코올 센서는 고온에서 이산화주석이 알코올 가스와 접촉하면 저항이 급격히 감소하는 원리를 이용합니다. 반도체 가스 센서는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 알코올, 포름알데히드, 일산화탄소, 이산화탄소, 에틸렌, 아세틸렌, 염화비닐, 스티렌, 아크릴산 등의 가스를 효과적으로 감지할 수 있습니다. 특히, 저렴한 비용으로 가정용 가스 감지에 적합합니다. 메탄(천연가스, 메탄), 알코올, 일산화탄소(도시가스), 황화수소, 암모니아(아민, 히드라진 포함) 등의 가스를 감지하는 반도체 가스 센서가 성공적으로 사용되고 있습니다. 고품질 센서는 산업용 감지 요구 사항도 충족할 수 있습니다.
단점: 안정성이 떨어지고 환경의 영향을 많이 받습니다. 특히 센서 각각의 선택성이 일정하지 않고 출력 파라미터를 정확하게 측정할 수 없습니다. 따라서 측정 정확도가 요구되는 곳에는 적합하지 않습니다. 현재 이러한 종류의 센서 주요 공급업체는 일본(발명가)이며, 그 뒤를 중국이 따르고 있고, 최근 한국이 합류했습니다. 미국과 같은 다른 국가들도 이 분야에서 상당한 연구를 진행하고 있지만, 아직 주류로 자리 잡지는 못했습니다. 중국 역시 이 분야에 일본 못지않은 인력과 시간을 투자해 왔지만, 국가 정책 지침과 정보 차단 등 여러 가지 이유로 오랫동안 중국에서 보급되는 반도체 가스 센서의 성능은 일본 제품에 비해 현저히 떨어집니다. 하지만 시장이 발전하고 민간 자본이 더욱 증가함에 따라 중국산 반도체 가스 센서가 일본 수준에 도달하거나 이를 뛰어넘을 수 있는 시기가 도래했다고 생각합니다.
2. 촉매 연소식 가스 센서
이 센서는 백금 저항 표면에 고온 내성 촉매층을 형성하고, 특정 온도에서 가연성 가스가 백금 저항 표면에서 연소를 촉진하면, 백금 저항의 온도가 상승하고 저항값이 변화하며, 이 변화값은 가연성 가스 농도의 함수가 된다.
촉매 연소 가스 센서는 가연성 가스를 선택적으로 감지합니다. 즉, 연소될 수 있는 모든 가스를 감지할 수 있으며, 연소될 수 없는 가스에는 반응하지 않습니다. 물론 "연소될 수 있는 모든 가스를 감지할 수 있다"는 말에는 예외가 많지만, 일반적으로 선택성은 정확합니다. 촉매 연소 가스 센서는 정확한 측정, 빠른 응답 속도, 긴 수명이라는 장점을 가지고 있습니다. 센서의 출력은 환경의 폭발 위험과 직접적인 관련이 있으며, 안전 감지 분야에서 핵심적인 센서로 자리매김하고 있습니다.
단점: 가연성 가스 범위에서 선택성이 없습니다. 화재가 발생할 위험이 있습니다. 대부분의 원소 유기 증기는 센서에 유독합니다. 이 센서의 주요 공급업체는 중국, 일본, 영국(발명국)입니다! 중국은 이 센서의 최대 사용자(석탄 광산)이며 최고의 센서 생산 기술을 보유하고 있습니다. 선전 활동을 통해 이 센서에 대한 대중의 인식을 왜곡하는 세력이 있지만, 결국 촉매 연소 가스 센서의 주류 제조업체는 중국입니다.
3. 열전도형 풀 타입 가스 센서
각 기체는 고유한 열전도율을 가지고 있으며, 두 개 이상의 기체의 열전도율이 크게 다를 경우, 열전도율 측정 소자를 이용하여 특정 성분의 함량을 구분할 수 있습니다. 이 센서는 수소, 이산화탄소, 고농도 메탄 검출 등에 사용되어 왔습니다.
가스 센서는 적용 범위가 좁고 제약 요소가 많습니다. 구식 제품이며 전 세계에서 생산되지만, 전 세계 제품의 품질은 비슷합니다.
4. 전기화학식 가스 센서
가연성, 독성 및 유해 가스의 상당 부분은 전기화학적 활성을 가지며 전기화학적으로 산화 또는 환원될 수 있습니다. 이러한 반응을 이용하여 가스의 조성을 구분하고 가스 농도를 감지할 수 있습니다. 전기화학 가스 센서는 여러 하위 유형으로 나뉩니다.
(1)1차 전지 기반 가스 센서(일명 건전지)는 건전지의 탄소 및 망간 전극을 가스 전극으로 대체한 전지입니다. 산소 센서의 경우, 산소는 음극에서 환원되고 전자는 검류계를 통해 양극으로 흐르며, 양극에서는 납 금속이 산화됩니다. 전류의 크기는 산소 농도와 직접적인 관련이 있습니다. 이 센서는 산소, 이산화황, 염소 등을 효과적으로 검출할 수 있습니다.
(2) 환원성 가스를 감지하는 데 매우 효과적인 정전위 전해 전지 가스 센서는 기존 전지 센서와 원리가 다르며 전류력 하에서 전기화학 반응이 일어나므로 진정한 쿨롱 분석 센서입니다. 이 센서는 일산화탄소, 황화수소, 수소, 암모니아, 하이드라진 등의 가스 감지에 성공적으로 사용되어 왔으며 독성 및 유해 가스 감지의 주류 센서입니다.
(3) 농도 전지형 가스 센서는 전기화학 전지의 양쪽에 전기화학적 활성을 가진 가스가 자발적으로 농도 기전력을 형성하며, 기전력의 크기는 가스의 농도와 관련이 있습니다. 이 센서의 성공 사례로는 자동차용 산소 센서, 고체 전해질형 이산화탄소 센서가 있습니다.
(4) 본 발명은 산소 농도를 측정하는 센서인 한계 전류형 가스 센서에 관한 것으로, 전기화학 전지의 한계 전류가 운반체 농도와 관련되어 있다는 원리를 이용하여 차량의 산소 검출 및 강철수의 산소 농도 검출에 사용되는 산소(가스) 농도 센서를 제조하는 것이다. 이 센서의 주요 공급업체는 현재 전 세계에 분포되어 있으며, 주로 독일, 일본, 미국에 있고 최근에는 영국, 스위스 등 유럽의 새로운 공급업체들이 합류했다. 중국은 이 분야에 일찍 진출했지만 산업화 과정은 효과적이지 못했다.
5. 적외선 가스 센서
대부분의 가스는 중적외선 영역에서 특징적인 흡수 피크를 나타내며, 이러한 특징적인 흡수 피크 위치의 흡수도를 측정하여 가스의 농도를 측정할 수 있습니다. 과거에는 이러한 센서가 대형 분석 기기였지만, 최근 MEMS 기술 기반 센서 산업의 발전으로 크기가 10리터(빅맥 45kg 크기)에서 약 2ml(엄지손가락 크기)로 줄어들었습니다. 변조 광원을 사용하지 않는 적외선 검출기를 사용함으로써 기계적인 움직이는 부품이 전혀 필요 없고 유지 보수도 필요 없게 되었습니다. 적외선 가스 센서는 가스의 종류를 효과적으로 구분하고 가스 농도를 정확하게 측정할 수 있습니다.
이 센서는 이산화탄소와 메탄 감지에 성공적으로 사용되었습니다. 현재 이 "센서"의 공급업체는 유럽에 있습니다! 중국은 이 분야에서 거의 공백 상태입니다!
6. 자기 산소 센서
이것이 자기식 산소 분석기 의 핵심이지만, "센서" 기능도 구현했습니다.
이는 공기 중의 산소가 강한 자기장에 끌린다는 원리를 이용하여 제조됩니다.
이 센서는 산소만 검출할 수 있으며 선택성이 매우 뛰어납니다. 대기 중 NOx가 약간의 영향을 줄 수 있지만, 이러한 간섭 가스의 함량이 매우 적기 때문에 자기 산소 분석 기술의 선택성은 거의 독보적입니다! (물론, 특정 범위 내에서 센서로 볼 수 있는 단일 계측기 형태의 산소 분석기를 말하는 것입니다.) 그리고 이 제품은 순수 센서 형태로 생산된 것으로, 최근에 개발된 것입니다.
7. 기타
최근 몇 년 동안 새로운 기술의 지속적인 등장으로 가스 센서 기술 또한 그에 상응하는 혁명을 겪고 있습니다. 가스 센서의 종류도 다양해지고 있습니다. 그러나 일부 센서를 가스 센서라는 명칭으로 분류하는 것이 적절한지에 대해서는 논란이 있습니다. 예를 들어 PID 검출기는 가스 감지에 사용되기는 하지만, 크기가 매우 작다는 장점에도 불구하고 진정한 의미의 무보수를 실현할 수 없기 때문에, 아무리 크기가 작더라도 "검출 기기"로 분류하는 것이 타당하다고 볼 수 있습니다.
또한, 광섬유 기반 광 센서가 빠르게 발전하고 있으며, 비록 전자 센서에 절대적인 "위협"이 되지는 않지만, 그 고유한 장점들이 언젠가는 매우 두드러질 가능성이 있습니다. 마지막으로, 가스 센서 판매업자들은 때때로 상업적 목적을 위해 특정 센서의 성능을 과장하거나 센서 분류를 혼란스럽게 만들어 사용자들이 가스 센서를 올바르게 사용하는 데 방해가 되는 경우가 있습니다. 사실, 센서의 활용은 센서 제조만큼이나 중요한 문제입니다.
