วิธีการวัดปริมาณออกซิเจนแบบใหม่ -- เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนกระแสไอออน 3 มิติ

สรุป: บทความนี้แนะนำเครื่องมือวัดออกซิเจนแบบไอออนโฟลว์ขั้นสูง โดยอธิบายหลักการและลักษณะเฉพาะของวิธีการวัดออกซิเจนต่างๆ เช่น วิธีการดูดซับสารละลายแอมโมเนียทองแดง วิธีเซลล์เชื้อเพลิง วิธีออกซิเจนแม่เหล็ก วิธีเซอร์โคเนียมออกไซด์ และวิธีเลเซอร์

คำสำคัญ: สารละลายแอมโมเนียทองแดง, เซลล์เชื้อเพลิง, ออกซิเจนแม่เหล็ก, เซอร์โคเนีย, เลเซอร์, การไหลของไอออน, เครื่องวัดออกซิเจน

ปริมาณออกซิเจนในกระบวนการผลิตทางอุตสาหกรรมหลายอย่างเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญมาก ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อกำลังการผลิต ความเร็ว ประสิทธิภาพ และความปลอดภัยของการผลิต ดังนั้น การวัดปริมาณออกซิเจนให้รวดเร็ว สะดวก แม่นยำ และเชื่อถือได้ เพื่อควบคุมปริมาณออกซิเจนให้ทันท่วงทีจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง วิธีการวัดปริมาณออกซิเจนด้วยการไหลของไอออนเป็นวิธีการวัดปริมาณออกซิเจนแบบใหม่ที่ตอบโจทย์ความต้องการนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการวัดปริมาณออกซิเจนแบบดั้งเดิม วิธีการวัดด้วยการไหลของไอออนมีข้อดีหลายประการ เช่น ความเร็วในการตอบสนอง ความเสถียร ราคาเครื่องมือ และอายุการใช้งานของเซ็นเซอร์ เป็นต้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับการวิเคราะห์ปริมาณออกซิเจนสูง

วิธีการวัดปริมาณออกซิเจนแบบดั้งเดิม ได้แก่ วิธีการดูดซับสารละลายแอมโมเนียทองแดง วิธีเซลล์เชื้อเพลิง วิธีพาราแมกเนติก วิธีศักยภาพความเข้มข้นของเซอร์โคเนียมออกไซด์ และวิธีเลเซอร์ เป็นต้น หลักการ ข้อดีและข้อเสียของแต่ละวิธีสรุปได้ดังนี้:

1.1 วิธีการดูดซับสารละลายแอมโมเนียทองแดง

สารละลายทองแดง-แอมโมเนียเตรียมได้โดยการนำลวดทองแดงที่ขดเป็นรูปเกลียวไปแช่ในสารละลายที่เตรียมจากสารละลายอิ่มตัวของแอมโมเนียมคลอไรด์และน้ำแอมโมเนียในอัตราส่วน 1:1 เมื่อนำตัวอย่างก๊าซที่มีออกซิเจนเข้าไปในขวดดูดซับที่บรรจุสารละลายทองแดง-แอมโมเนีย ในสภาวะที่มีแอมโมเนีย ทองแดงจะถูกออกซิไดซ์โดยออกซิเจนในตัวอย่าง ทำให้เกิดทองแดงออกไซด์ (CuO) และทองแดงออกไซด์ (Cu2O) โดยมีสมการปฏิกิริยาดังนี้:

ออกไซด์ของทองแดงและออกไซด์ของคิวปรัสจะทำปฏิกิริยากับน้ำแอมโมเนียและแอมโมเนียมคลอไรด์ตามลำดับ เพื่อสร้างเกลือทองแดงที่มีวาเลนซ์สูงที่ละลายได้ Cu(NH3)2Cl2 และเกลือทองแดงที่มีวาเลนซ์ต่ำ Cu2(NH3)2Cl2 เกลือทองแดงที่มีวาเลนซ์ต่ำจะดูดซับออกซิเจนเพื่อเปลี่ยนเป็นเกลือทองแดงที่มีวาเลนซ์สูง และเกลือทองแดงที่มีวาเลนซ์สูงจะถูกรีดิวซ์ด้วยทองแดงเพื่อเปลี่ยนเป็นเกลือทองแดงที่มีวาเลนซ์ต่ำ ดังนั้นจึงเกิดวัฏจักรนี้จนกว่าออกซิเจนในแก๊สจะหมดไป ปริมาณออกซิเจนในแก๊ส (ความเข้มข้นร้อยละโดยปริมาตร) สามารถหาได้จากการลดลงของปริมาตรแก๊ส

วิธีนี้เป็นวิธีการวัดปริมาณออกซิเจนแบบดั้งเดิม ซึ่งมักใช้ในการอนุญาโตตุลาการและมีต้นทุนต่ำ ปัจจุบันห้องปฏิบัติการก๊าซและสถาบันตรวจวัดหลายแห่งยังคงใช้วิธีนี้อยู่ แต่โดยทั่วไปแล้วเหมาะสำหรับการวัดตัวอย่างก๊าซที่มีปริมาณออกซิเจนน้อยกว่า 99.9% เท่านั้น ข้อเสียของวิธีนี้ ได้แก่ การต้องเตรียมสารละลาย การพันสายทองแดง ซึ่งยุ่งยากกว่า กระบวนการวัดทั้งหมดต้องดำเนินการด้วยตนเอง ซึ่งไม่เหมาะสำหรับการวิเคราะห์ต่อเนื่องแบบออนไลน์ เมื่อมีก๊าซออกซิไดซ์อื่นๆ ปะปนอยู่ในก๊าซที่วัด ผลการวัดจะคลาดเคลื่อน นอกจากนี้ เนื่องจากอุปกรณ์ดูดซับทั้งหมดเป็นเครื่องแก้ว จึงเสียหายได้ง่าย

1.2 วิธีการใช้เซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงโดยทั่วไปประกอบด้วยขั้วโลหะเฉื่อย (แคโทด) + ขั้วตะกั่ว (หรือกราไฟต์) (แอโนด) + สารละลายอิเล็กโทรไลต์ (แบ่งเป็นกรดและด่าง) โดยแคโทดและแอโนดจะเชื่อมต่อกันด้วยแผ่นโลหะเป็นตัวนำ สารละลายอิเล็กโทรไลต์จะไหลผ่านรูทรงกลมหลายรูบนพื้นผิวของแคโทด บนพื้นผิวของแคโทดจะมีชั้นบางๆ ของสารละลายอิเล็กโทรไลต์เคลือบอยู่ จากนั้นจึงเคลือบด้วยฟิล์มโพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) ที่ก๊าซสามารถซึมผ่านได้ ก๊าซตัวอย่างจะเข้าสู่แคโทดผ่านฟิล์มที่ก๊าซสามารถซึมผ่านได้ ออกซิเจนและสารละลายอิเล็กโทรไลต์จะทำปฏิกิริยากัน ไอออน OH- ที่เกิดขึ้นจะเคลื่อนที่ไปยังแอโนดภายใต้การทำงานของสนามไฟฟ้า และแอโนดจะสูญเสียอิเล็กตรอนเพื่อสร้างน้ำ ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้เงินเป็นวัสดุแอโนด สมการปฏิกิริยาเคมีจะเป็นดังนี้:

ความเข้มของกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของ OH นั้นแปรผันตรงกับปริมาณออกซิเจนในตัวอย่างก๊าซ และสามารถหาปริมาณออกซิเจนในตัวอย่างก๊าซได้โดยการวัดความเข้มของกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิง

วิธีการนี้มีข้อดีคือเซลล์เชื้อเพลิงมีโครงสร้างที่เรียบง่าย ขนาดเล็ก และตอบสนองเร็ว ดังนั้น เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจน ด้วยวิธีนี้จึงเหมาะสำหรับการใช้งานแบบพกพา และมีราคาค่อนข้างต่ำ อย่างไรก็ตาม เซลล์เชื้อเพลิงเป็นเครื่องตรวจจับแบบสิ้นเปลือง อายุการใช้งานขึ้นอยู่กับปริมาณออกซิเจนทั้งหมดที่สะสมผ่านเซ็นเซอร์ และขั้วบวกจะทำปฏิกิริยาและถูกใช้ไปอย่างต่อเนื่องในการวัด เมื่อหมดอายุการใช้งาน เซลล์เชื้อเพลิงจะเสียหายและต้องเปลี่ยนใหม่ ความแม่นยำและความเสถียรในการวัดของเครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนแบบเซลล์เชื้อเพลิงนั้นต่ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ในการวัดตัวอย่างก๊าซที่มีปริมาณออกซิเจนมากกว่า 90% ค่าเบี่ยงเบนรายเดือนอาจสูงถึงมากกว่า 1% นอกจากนี้ สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ เมื่อใช้เซลล์เชื้อเพลิงกับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นด่าง จะไม่เหมาะสำหรับการวิเคราะห์ปริมาณออกซิเจนในก๊าซที่เป็นกรด ในขณะที่หากอิเล็กโทรไลต์เป็นกรด จะไม่เหมาะสำหรับการวัดก๊าซที่เป็นด่าง

1.3 การกระทำของสนามแม่เหล็ก (การกระทำเชิงกลของสนาม)

การวัดปริมาณออกซิเจนด้วยวิธีพาราแมกเนติกนั้นอาศัยหลักการที่ว่าออกซิเจนเป็นสารพาราแมกเนติก และค่าความไวต่อสนามแม่เหล็กของปริมาตรสามารถสูงถึง k=1062×10-6(CGSM) ที่อุณหภูมิ 20°C ค่าความไวต่อสนามแม่เหล็กของก๊าซอื่นๆ นั้นน้อยกว่าของออกซิเจนมาก (ยกเว้น NO) ดังนั้นการวิเคราะห์ปริมาณออกซิเจนด้วยวิธีพาราแมกเนติกจึงเป็นหนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดเสมอ

เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนเชิงกลแม่เหล็กเป็นหนึ่งในเครื่องมือที่เป็นตัวแทนสำหรับการวิเคราะห์ปริมาณออกซิเจนด้วยวิธีพาราแมกเนติก เซ็นเซอร์ออกซิเจนประกอบด้วยลูกบอลทรงดัมเบลแก้วควอตซ์สองลูกที่บรรจุไนโตรเจน ลูกบอลทรงดัมเบลถูกพันด้วยลวดแพลทินัม ทำให้เกิดวงจรป้อนกลับทางไฟฟ้า ลูกบอลทรงดัมเบลถูกแขวนไว้ในสนามแม่เหล็ก และมีตัวสะท้อนแสงขนาดเล็กวางอยู่ตรงกลาง แหล่งกำเนิดแสงภายในเครื่องมือปล่อยลำแสงออกมา ซึ่งสะท้อนโดยตัวสะท้อนแสงและรับโดยตัวตรวจจับแสงที่ทำจากส่วนประกอบไวแสง เมื่อโมเลกุลออกซิเจนอยู่รอบๆ ลูกบอลทรงดัมเบล โมเลกุลออกซิเจนจะเคลื่อนที่ภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็ก ทำให้ลูกบอลทรงดัมเบลเบี่ยงเบน ยิ่งความเข้มข้นของออกซิเจนสูง มุมเบี่ยงเบนก็จะยิ่งใหญ่ขึ้น การเบี่ยงเบนจะขับเคลื่อนตัวสะท้อนแสง และเส้นทางแสงของตัวตรวจจับแสงก็จะเบี่ยงเบนไปด้วย ตัวตรวจจับแสงจะตรวจจับการเบี่ยงเบนและสร้างสัญญาณไฟฟ้า หลังจากขยายสัญญาณโดยเครื่องขยายสัญญาณแล้ว วงจรจะถูกสร้างขึ้นโดยวงจรป้อนกลับ และลูกบอลทรงดัมเบลจะกลับสู่ตำแหน่งสมดุลหลักภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็ก ค่ากระแสไฟฟ้าในวงจรเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณออกซิเจน สามารถหาปริมาณออกซิเจนในตัวอย่างได้โดยการวัดค่ากระแสไฟฟ้า

ข้อดีของวิธีการวัดปริมาณออกซิเจนโดยใช้สารพาราแมกเนติกคือ การวัดจะไม่ได้รับผลกระทบจากส่วนประกอบที่ไม่สามารถวัดได้ในตัวอย่างก๊าซ (ยกเว้น NO และ Xe) สามารถใช้วัดตัวอย่างก๊าซที่มีปริมาณออกซิเจนสูงได้ และมีข้อดีคือตอบสนองเร็วและมีความเสถียรดี แต่ก็มีข้อเสียเช่นกัน เช่น การเตรียมตัวอย่างก๊าซและสภาพแวดล้อมการวัดที่ค่อนข้างเข้มงวด ความดันของตัวอย่าง ฝุ่นละออง น้ำมันดิน ไอน้ำ และอื่นๆ จะส่งผลต่อผลการวัด หรืออาจทำให้เซ็นเซอร์เสียหายได้ นอกจากนี้ยังต้องแน่ใจว่าวางเครื่องมือในแนวนอน หลีกเลี่ยงการสั่นสะเทือน หลีกเลี่ยงสนามแม่เหล็กแรงสูง และบริเวณโดยรอบเครื่องมือไม่ควรมีอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือสายไฟขนาดใหญ่ เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนแบบพาราแมกเนติกมีราคาแพงกว่า โครงสร้างภายในซับซ้อนกว่า และราคาสูงกว่า

1.4 วิธีศักยภาพความเข้มข้นของเซอร์โคเนีย

ท่อเซอร์โคเนียมออกไซด์ที่ใช้ในวิธีการเพิ่มความเข้มข้นของออกซิเจนด้วยศักย์ไฟฟ้าคือวัสดุเซรามิกเซอร์โคเนียมออกไซด์ที่เสถียร ซึ่งเกิดจากการผสมวัสดุเซอร์โคเนียมออกไซด์กับอิตเทรียมออกไซด์หรือแคลเซียมออกไซด์ในสัดส่วนที่กำหนด ผ่านกระบวนการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง เนื่องจากมีโมเลกุลของอิตเทรียมออกไซด์หรือแคลเซียมออกไซด์อยู่ ทำให้เกิดช่องว่างของไอออนออกซิเจนในโครงสร้างผลึกแบบลูกบาศก์ของเซอร์โคเนียมออกไซด์ และท่อเซอร์โคเนียมออกไซด์จึงเป็นตัวนำไอออนออกซิเจนที่ดีที่อุณหภูมิสูง ด้วยคุณลักษณะนี้ ที่อุณหภูมิหนึ่ง เมื่อปริมาณออกซิเจนในก๊าซทั้งสองด้านของท่อเซอร์โคเนียมออกไซด์แตกต่างกัน จะทำให้เกิดแบตเตอรี่เพิ่มความเข้มข้นของออกซิเจนขึ้น ท่อเซอร์โคเนียมออกไซด์ทั้งหมดมีลักษณะเป็นทรงกระบอก โดยมีวัสดุเซอร์โคเนียมออกไซด์คั่นอยู่ตรงกลาง และมีการเคลือบโลหะพรุนไว้ทั้งสองด้านของเซอร์โคเนียมออกไซด์เพื่อทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรด (โดยทั่วไปจะใช้แพลทินัมเป็นวัสดุอิเล็กโทรด) ที่อุณหภูมิหนึ่ง (600-1400°C) โมเลกุลออกซิเจนด้านที่มีปริมาณออกซิเจนสูงกว่าจะถูกดูดซับบนอิเล็กโทรด ภายใต้การเร่งปฏิกิริยาของแพลทินัม จะเกิดปฏิกิริยารีดักชัน และอิเล็กตรอนจะก่อตัวเป็นไอออนออกซิเจน ได้แก่:

ในขณะเดียวกัน ขั้วไฟฟ้าด้านข้างจะถูกประจุบวกกลายเป็นขั้วบวกหรือแอโนดของเซลล์ความเข้มข้นของออกซิเจน ไอออนของออกซิเจนจะเคลื่อนที่ไปยังอีกด้านหนึ่งของผลึกเซอร์โคเนียมออกไซด์ที่มีปริมาณออกซิเจนต่ำกว่าผ่านรูในผลึกเซอร์โคเนียมออกไซด์ และอิเล็กตรอนจะสูญเสียไปที่ขั้วไฟฟ้าแพลทินัมเพื่อสร้างโมเลกุลของออกซิเจน ได้แก่:

ในขณะเดียวกัน ขั้วไฟฟ้าจะถูกประจุลบเพื่อกลายเป็นแคโทดหรือขั้วบวกของเซลล์ความเข้มข้นของออกซิเจน ศักย์ไฟฟ้าจะสัมพันธ์กับปริมาณออกซิเจนในก๊าซที่วัดโดยเซอร์โคเนียมออกไซด์ ซึ่งเป็นไปตามสมการเนิร์นสต์

ในสูตร:

E: ศักยภาพความเข้มข้นของออกซิเจน (มิลลิโวลต์)

R: ค่าคงที่ของแก๊ส 8.3145 J/mol·K

T：273.15 + t (℃)

n: อุณหภูมิใช้งาน (K) ของหัววัดเซอร์โคเนียมออกไซด์ที่ระบุโดยอุณหภูมิสัมบูรณ์คือ 273.15 + t (°C)

F: ค่าคงที่ฟาราเดย์ 96485.3365 (C/mol)

P0: ความดันย่อยของออกซิเจนในก๊าซอ้างอิง

P1: ความดันย่อยของออกซิเจนในแก๊สที่ต้องการวัด

สมการนี้เป็นพื้นฐานสำหรับการวัดปริมาณออกซิเจนในก๊าซโดยใช้แบตเตอรี่ความเข้มข้นเซอร์โคเนีย ในการวัดจริง ท่อเซอร์โคเนียจะถูกทำให้ร้อนถึง 600~1400°C ด้านอ้างอิงของท่อเซอร์โคเนียจะบรรจุด้วยก๊าซที่มีปริมาณออกซิเจนสูงและทราบปริมาณออกซิเจน เช่น อากาศ (P0=20.6%) เป็นก๊าซอ้างอิง ในขณะที่อีกด้านหนึ่งจะบรรจุด้วยก๊าซที่ต้องการวัด ความดันย่อยของออกซิเจน (P1) ในก๊าซที่ต้องการวัดสามารถคำนวณได้โดยการวัดศักย์ไฟฟ้าของแบตเตอรี่ความเข้มข้น E และอุณหภูมิสัมบูรณ์ของหัววัดเซอร์โคเนีย จึงได้ความเข้มข้นของออกซิเจนในก๊าซที่ต้องการวัด

วิธีนี้มีข้อดีคือมีความไวสูง ตอบสนองเร็ว ช่วงเชิงเส้นกว้าง ให้ผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้ดี และมีความเสถียร โครงสร้างภายในของเครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนแบบเซอร์โคเนียนั้นง่ายกว่าเครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนแบบแม่เหล็ก และแทบจะไม่ได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมภายนอก เช่น อุณหภูมิ การสั่นสะเทือน ฯลฯ และแทบไม่ต้องบำรุงรักษาหลังการใช้งาน อย่างไรก็ตาม ข้อเสียก็เห็นได้ชัดเช่นกัน เนื่องจากจำเป็นต้องใช้อุณหภูมิสูงเพื่อให้อิเล็กตรอนในวัสดุเซอร์โคเนียเคลื่อนที่ได้ ดังนั้นเครื่องมือจึงต้องมีเตาให้ความร้อนเพื่อให้ความร้อนแก่ท่อเซอร์โคเนีย ซึ่งทำให้เครื่องมือวิเคราะห์เซอร์โคเนียต้องใช้เวลาในการอุ่นเครื่องนานก่อนใช้งานตามปกติ และวิธีการเซอร์โคเนียจะได้รับผลกระทบจากก๊าซรีดิวซิงในก๊าซที่วัดเมื่อวัดความเข้มข้นของออกซิเจน ซึ่งส่งผลให้ผลการวัดต่ำลง ดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับการวัดความเข้มข้นของออกซิเจนในตัวอย่างก๊าซที่มีปริมาณก๊าซรีดิวซิงสูง หรือโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อวัดตัวอย่างก๊าซที่มีความเข้มข้นของออกซิเจนในระดับ ppm จำเป็นต้องพิจารณาถึงอิทธิพลของก๊าซรีดิวซิงในตัวอย่างต่อผลการวัดมากขึ้น นอกจากนี้ เมื่อความเข้มข้นของออกซิเจนในตัวอย่างก๊าซที่จะวัดสูงกว่าความเข้มข้นของออกซิเจนในอากาศ (20.6%) นอกจากการใช้ก๊าซที่มีความเข้มข้นสูงกว่าเป็นก๊าซอ้างอิงเพื่อให้แน่ใจว่าศักยภาพความเข้มข้นเป็นบวกแล้ว ยังจำเป็นต้องปรับปรุงถังตรวจจับเซอร์โคเนียมออกไซด์ ซึ่งจะทำให้ต้นทุนของเครื่องมือเพิ่มขึ้นอย่างมาก

1.5 วิธีการวัดออกซิเจนด้วยเลเซอร์

วิธีการวัดออกซิเจนด้วยเลเซอร์นั้นอาศัยคุณสมบัติที่ว่าโมเลกุลของออกซิเจนสามารถดูดซับแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นเฉพาะได้ โดยเลเซอร์ไดโอดภายในเครื่องมือจะสร้างลำแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นคงที่และมีความเข้มแสงที่ทราบค่า จากนั้นลำแสงเลเซอร์จะถูกฉีดเข้าไปในอ่างวัดที่บรรจุตัวอย่างก๊าซที่จะวัด หลังจากสะท้อนไปมาหลายครั้งระหว่างกระจกสองบานที่อยู่ด้านข้างของอ่างวัด แสงส่วนหนึ่งจะถูกดูดซับโดยออกซิเจนในตัวอย่างก๊าซ และแสงที่เหลือจะสะท้อนไปยังขั้วรับแสงและถูกดักจับไว้

ตามกฎของบิล อัตราส่วนของความเข้มของลำแสงที่ถูกดูดซับต่อความเข้มดั้งเดิมจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณออกซิเจนในตัวอย่างก๊าซ:

Ln[I0/I] = S × L × N

ในสูตร:

I0: ความเข้มแสงดั้งเดิม

I: ความเข้มแสงที่เหลือที่ถูกดูดซับโดยออกซิเจนในตัวอย่างก๊าซ

S: ค่าคงที่การดูดกลืนแสงของออกซิเจนต่อเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นเฉพาะ

L: ความยาวเส้นทางแสง

N: จำนวนโมเลกุลออกซิเจนในเส้นทางแสงมีความสัมพันธ์กับปริมาณออกซิเจนในก๊าซตัวอย่าง

ดังนั้น ปริมาณออกซิเจนในตัวอย่างก๊าซสามารถหาได้โดยการวัดความเข้มแสงดั้งเดิมและความเข้มแสงที่ถูกดูดซับ เนื่องจากความยาวคลื่นเลเซอร์ที่เลือกนั้นเฉพาะเจาะจง ผลการวัดจึงแทบไม่ได้รับผลกระทบจากก๊าซอื่นๆ การใช้ I/I0 ในการคำนวณสามารถขจัดอิทธิพลของความเข้มแสง การสะท้อนแสงของกระจก และการเปลี่ยนแปลงของอุปกรณ์ไฟฟ้าได้อย่างเกือบหมด ปัจจุบัน ราคาของเครื่องมือที่ผลิตโดยใช้หลักการนี้ค่อนข้างสูง และความเสถียรของประสิทธิภาพยังต้องได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติม

เทคโนโลยีการไหลของไอออนแบบ 3 มิติ

หลักการทำงานของเซ็นเซอร์ออกซิเจนแบบไอออนโฟลว์ 3 มิติ แสดงไว้ในรูปที่ 1

อิเล็กโทรดแพลทินัมเคลือบอยู่ทั้งสองด้านของ ZrO2 ที่เสถียรแล้ว และด้านแคโทดเชื่อมต่อด้วยฝาครอบที่มีรูสำหรับแพร่ก๊าซเพื่อสร้างโพรงแคโทด ที่อุณหภูมิหนึ่ง เมื่อทั้งสองด้านของอิเล็กโทรด ZrO2 ได้รับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด โมเลกุลออกซิเจนในโพรงจะได้รับอิเล็กตรอน ทำให้เกิดไอออนออกซิเจน (O2-) ที่แคโทด O2- จะเคลื่อนที่ไปยังแอโนดผ่านช่องว่างออกซิเจนของ ZrO2 อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาและกลายเป็นก๊าซโมเลกุลออกซิเจน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปั๊มไฟฟ้าเคมี ดังนั้นออกซิเจนในโพรงแคโทดจึงถูกปั๊มออกจากโพรงอย่างต่อเนื่องโดยอิเล็กโทรไลต์ ZrO2 และกระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในวงจร เมื่อสัดส่วนโมลของออกซิเจนคงที่ แรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นและความเข้มของกระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกินค่าที่กำหนด ความเข้มของกระแสไฟฟ้าจะถึงจุดอิ่มตัว ซึ่งเป็นผลมาจากการแพร่ของออกซิเจนผ่านรูเล็กๆ เข้าไปในโพรงแคโทดที่ถูกจำกัดโดยรูเล็กๆ นั้น กระแสอิ่มตัวนี้เรียกว่ากระแสไอออนิก กลไกการแพร่ของก๊าซในรูเล็กๆ เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของเซนเซอร์ มีการไหลของไอออนสองชนิดในการแพร่ในรูเล็กๆ ได้แก่ การแพร่แบบโมเลกุลและการแพร่แบบ Knudsen เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของรูมีขนาดใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของโมเลกุลก๊าซ กระแสไอออนิก (IL) ในบริเวณการแพร่จะเป็นดังนี้:

ในสูตร F คือค่าคงที่ฟาราเดย์; D คือสัมประสิทธิ์การแพร่ของโมเลกุลออกซิเจนในพื้นที่ว่าง; S คือพื้นที่หน้าตัดของรูแพร่; L คือความยาวของรูแพร่; C คือเศษส่วนโมลของออกซิเจนรอบเซ็นเซอร์; CT คือเศษส่วนโมลของสารก๊าซทั้งหมด เมื่อ C/CT<1 จากสูตร (1) ค่ากระแสไอออนจะเป็นสัดส่วนกับเศษส่วนโมลของออกซิเจน และค่ากระแสไอออน IL คือ:

จากสูตร (2) กระแสไอออนและเศษส่วนโมลของออกซิเจนเกือบจะเป็นเส้นตรง เศษส่วนโมลของออกซิเจนในก๊าซที่วัดได้สามารถกำหนดได้ตามกระแสเอาต์พุต

ปริมาณออกซิเจนที่ส่งไปยังแคโทดของเซนเซอร์ถูกควบคุมโดยใช้พื้นผิวเซรามิกพรุนเป็นชั้นแพร่ ซึ่งใช้ LSM เป็นชั้นกั้นการแพร่ที่มีความหนาแน่นสูงและมีโครงสร้างแบบชั้นพรุน ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 เซ็นเซอร์ออกซิเจนแบบชั้นพรุน

การไหลของไอออนของเซ็นเซอร์ออกซิเจนชนิดชั้นพรุนจะเหมือนกับสูตร (2)

ในสูตร F คือค่าคงที่ฟาราเดย์ Deff คือสัมประสิทธิ์การแพร่ที่มีประสิทธิภาพของออกซิเจนในชั้นพรุน S คือพื้นที่ของแคโทด L คือความหนาของพื้นผิวชั้นพรุน C คือเศษส่วนโมลของออกซิเจนรอบเซ็นเซอร์ จากสูตร (3) ค่ากระแสจำกัดของเซ็นเซอร์ออกซิเจนชั้นพรุนจะเป็นเส้นตรงกับเศษส่วนโมลของออกซิเจน

ลักษณะความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแส

ลักษณะแรงดันและกระแสของเซ็นเซอร์แสดงไว้ในรูปที่ 3 ในก๊าซแวดล้อมที่มีความเข้มข้นของออกซิเจนแตกต่างกัน

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงลักษณะแรงดันและกระแสของเซ็นเซอร์

กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไอออน 3 มิติและความเข้มข้นของออกซิเจนแสดงอยู่ในรูปที่ 4

รูปที่ 4 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไอออนและความเข้มข้นของออกซิเจน

3. เปรียบเทียบกับ "วิธีการดูดซับด้วยสารละลายแอมโมเนียทองแดง":

สถาบันมาตรวิทยาและเทคโนโลยีการวัดแห่งเซี่ยงไฮ้ได้ทำการเปรียบเทียบเครื่องวัดออกซิเจนแบบไอออนโฟลว์ที่ผลิตโดยบริษัทฉางไอ กับวิธีการดูดซับด้วยสารละลายทองแดง-แอมโมเนีย โดยทำการสอบเทียบเครื่องมือด้วย O2 ในฮีเลียม 24.1% จากนั้นจึงใช้ "วิธีการดูดซับด้วยสารละลายทองแดง-แอมโมเนีย" ที่บริษัทส่งมาให้ในการวัดปริมาณออกซิเจนของก๊าซ เครื่องมือแสดงค่า 97.71% หลังจากนั้นไม่กี่วัน เมื่อทำการวัดซ้ำหลายครั้ง ค่าที่แสดงอยู่ในช่วงระหว่าง 97.65% ถึง 97.89% เห็นได้ชัดว่ามีความสามารถในการทำซ้ำได้ดี มีความเสถียร และมีข้อผิดพลาดน้อย เครื่องมือสามารถทำงานได้อย่างเสถียรเป็นเวลาหลายนาทีหลังจากเปิดใช้งาน และสามารถวัดตัวอย่างได้ประมาณหกนาที

4. เปรียบเทียบหลักการต่างๆ หลายประการ

5. การประยุกต์ใช้เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนแบบไอออนโฟลว์ 3 มิติ

เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนแบบไอออนโฟลว์ 3 มิติ ที่ผลิตในประเทศจีน เริ่มวางจำหน่ายในตลาดเมื่อปี 2547 ตลอดระยะเวลา 10 ปีที่ผ่านมา ได้มีการใช้งานและประสบความสำเร็จอย่างมาก มีส่วนแบ่งการตลาดในตลาดการวิเคราะห์กระบวนการแยกอากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมการผลิตออกซิเจนทางการแพทย์ และเชื่อมั่นว่าจะมีที่ยืนใน "มาตรฐานระดับชาติ" ไม่เพียงแต่ใช้งานได้จริงในห้องปฏิบัติการเท่านั้น แต่ยังเป็นเครื่องมือพกพาที่สะดวกมาก สามารถใช้งานได้ทุกที่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการวิเคราะห์แบบออนไลน์ สามารถใช้แทน "ออกซิเจนแม่เหล็ก" ได้

บริษัทต่างๆ เช่น Wenfeng Iron and Steel, Longhai Iron and Steel, Tangshan Iron and Steel, Shanghai Baosteel Group, Xinjiang Bayi Iron and Steel, Dayangritic Acid, Shanxi Jianbang Group, Shandong Laigang Tianyuan Gas, Henan Shenma Nylon Chemical, Shanxi Lanxing Chemical, Ningbo Linde Gas, Shougang Changzhi Iron and Steel เป็นต้น ต่างใช้เครื่องตรวจจับออกซิเจนแบบไอออนโฟลว์ ซึ่งได้แก้ปัญหาการตรวจจับออกซิเจนที่มีปริมาณสูงในระบบวิเคราะห์กระบวนการแยกอากาศ โดยใช้หลักการของแม่เหล็กในการตรวจจับออกซิเจน เป็นรากฐานที่มั่นคงสำหรับผลิตภัณฑ์ในประเทศ และได้รับความนิยมจากผู้ใช้ทั่วโลก

เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนซีรีส์ CI-PC84

พารามิเตอร์ทางเทคนิค:

ช่วงการวัด: 10%～95%/99.99%，0～40% O2 (โปรดตรวจสอบรายละเอียดบนแผ่นป้ายชื่อ)

เซ็นเซอร์: เซ็นเซอร์ออกซิเจนแบบไอออนโฟลว์รุ่นใหม่

ความแม่นยำ: ≤±1%FS

ความแม่นยำในการวัดซ้ำ: ≤±0.5%FS

ความเสถียร: <±0.5%FS/7d

เวลาตอบสนอง: T90＜15 วินาที

อายุการใช้งานของเซ็นเซอร์: มากกว่า 5 ปี (การใช้งานปกติ)

อายุการใช้งานของอุปกรณ์: มากกว่า 6 ปี (การใช้งานปกติ)

ขนาด: ดูรูปที่ 1 ถึง 4

น้ำหนักเครื่องดนตรี: ประมาณ 2 กิโลกรัม

แหล่งจ่ายไฟ: ใช้พลังงานน้อยกว่า 10VA

อุณหภูมิแวดล้อม: 0～45℃

ความชื้นในสิ่งแวดล้อม: น้อยกว่า 80%RH

อัตราการไหลของตัวอย่าง: 400～600 มล./นาที

แรงดันตัวอย่าง: 86～106 kPa

เอาต์พุตแบบอนาล็อกที่ตั้งค่าได้อิสระ: 4-20mA/0-20mA/0-1V/0-5V/0-10V/1-5V

การสื่อสาร: RS485 (มาตรฐาน) / RS232 (ตัวเลือกเสริม)

เอาต์พุตการแจ้งเตือน: เอาต์พุตสวิตช์สัญญาณเตือนความเข้มข้น 2 ชุด