ข้อดีของเครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนแบบไอออนโฟลว์ 3 มิติ ในการตรวจวัดปริมาณสูง

ข้อดีของ เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจน แบบไอออนโฟลว์ 3 มิติ ในการตรวจวัดปริมาณสูง

เหยียน ห้วยจือ

(บริษัท เซี่ยงไฮ้ ฉาง ไอ อิเล็กทรอนิกส์ เทคโนโลยี จำกัด)

สรุป: ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา พารามิเตอร์ปริมาณออกซิเจนสูงได้กลายเป็นพื้นฐานของตัวควบคุมก๊าซ/อากาศในอุตสาหกรรม ปัจจุบัน วิธีหลักที่ใช้ในการวัดปริมาณออกซิเจนส่วนเกิน ได้แก่ วิธีการดูดซับสารละลายแอมโมเนียทองแดง เซ็นเซอร์ออกซิเจนส่วนเกินแบบพาราแมกเนติก เซ็นเซอร์ออกซิเจนแบบอิเล็กโทรเคมี เซอร์โคเนีย (ZrO2) และอื่นๆ บทความนี้จะนำเสนอหลักการวัดออกซิเจนเจ็ดประการและการวัดสภาพแวดล้อมที่มีปริมาณออกซิเจนสูง

คำสำคัญ: วิธีการดูดซับด้วยสารละลายทองแดง-แอมโมเนีย, เซอร์โคเนียมออกไซด์, กระแสไอออน, ออกซิเจนปริมาณสูง, ชนิดแม่เหล็กเชิงกล

หลักการวัดออกซิเจนทั่วไป:

1. วิธีการดูดซับด้วยสารละลายทองแดง-แอมโมเนีย

สารละลายทองแดง-แอมโมเนียเตรียมได้จากแอมโมเนียมคลอไรด์ ทองแดงบริสุทธิ์ และน้ำแอมโมเนีย เมื่อก๊าซ (ออกซิเจน) ในปริมาณที่กำหนดสัมผัสกับสารละลายทองแดง-แอมโมเนีย ในสภาวะที่มีน้ำแอมโมเนีย ออกซิเจน (O2) จะทำปฏิกิริยากับทองแดง (Cu) เพื่อสร้างทองแดงออกไซด์ (CuO) และทองแดงออกไซด์ (Cu2O) และเกิดปฏิกิริยาเคมีดังต่อไปนี้:

คอปเปอร์ออกไซด์ (CuO) และคิวปรัสออกไซด์ (Cu2O) ถูกผลิตขึ้นโดยปฏิกิริยาของแอมโมเนียและแอมโมเนียมคลอไรด์ตามลำดับ และได้เกลือทองแดงที่มีวาเลนซ์สูงที่ละลายได้ Cu(NH3)2Cl2 และเกลือทองแดงที่มีวาเลนซ์ต่ำ Cu(NH3)2Cl เกลือทองแดงที่มีวาเลนซ์ต่ำจะดูดซับออกซิเจนและเปลี่ยนเป็นเกลือทองแดงที่มีวาเลนซ์สูง เกลือทองแดงที่มีวาเลนซ์สูงจะถูกรีดิวซ์โดยทองแดงให้กลายเป็นเกลือทองแดงที่มีวาเลนซ์ต่ำ และเกลือทองแดงที่มีวาเลนซ์ต่ำจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจน วัฏจักรนี้ดำเนินต่อไปจนกว่าการใช้ออกซิเจนในแก๊สจะหมดลง จากนั้นจึงสามารถหาความเข้มข้นร้อยละโดยปริมาตรของออกซิเจนในแก๊สได้ตามการลดลงของปริมาตรแก๊ส ตราบใดที่มีทองแดงบริสุทธิ์เพียงพอในกระบวนการทั้งหมด ปฏิกิริยาเคมีก็สามารถดำเนินต่อไปได้

2. วิธีการผลิตแบตเตอรี่โดยใช้สารเซอร์โคเนียมออกไซด์เข้มข้น

อิเล็กโทรดแพลทินัม (Pt) ที่มีรูพรุนถูกเผาผนึกไว้ทั้งสองด้านของอิเล็กโทรไลต์เซอร์โคเนียมออกไซด์ (ท่อ ZrO2) และที่อุณหภูมิหนึ่ง เมื่อความเข้มข้นของออกซิเจนในทั้งสองด้านของอิเล็กโทรไลต์แตกต่างกัน โมเลกุลออกซิเจนในด้านที่มีความเข้มข้นสูง (อากาศ) จะถูกดูดซับบนอิเล็กโทรดแพลทินัมและรวมกับอิเล็กตรอน (4e) เพื่อสร้างไอออนออกซิเจน O2- ซึ่งทำให้อิเล็กโทรดมีประจุบวก และไอออน O2- จะถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กโทรด Pt ในด้านที่มีความเข้มข้นต่ำผ่านช่องว่างไอออนออกซิเจนในอิเล็กโทรไลต์เพื่อปลดปล่อยอิเล็กตรอน ซึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็นโมเลกุลออกซิเจน ทำให้อิเล็กโทรดมีประจุลบ โหมดปฏิกิริยาของอิเล็กโทรดทั้งสองคือ: ด้านอ้างอิง: O2 + 4e → 2O2- ด้านการวัด: 2O2- → 4e → O2

ดังนั้น จึงเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าขึ้นระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสอง ได้แก่ อิเล็กโทรไลต์เซอร์โคเนีย ขั้วไฟฟ้าแพลทินัม และก๊าซที่มีความเข้มข้นของออกซิเจนต่างกันทั้งสองด้าน ซึ่งประกอบกันเป็นตัวตรวจวัดออกซิเจน หรือที่เรียกว่าแบตเตอรี่ความเข้มข้นของเซอร์โคเนีย แรงเคลื่อนไฟฟ้า E ระหว่างสองขั้นตอนคำนวณได้จากสูตรของเนิร์นสต์:

ในสูตร E=RT/nFln(P0/P1) นั้น E คือกำลังไฟฟ้าขาออกของแบตเตอรี่; n คือจำนวนอิเล็กตรอนที่ถ่ายโอน (4 ในสูตรนี้); R คือค่าคงที่ของก๊าซในอุดมคติ 8.314 W·S/mol; T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ (K); F คือค่าคงที่ของฟาราเดย์ 96500 C; P1 คือเปอร์เซ็นต์ความเข้มข้นของออกซิเจนในก๊าซที่จะวัด; P0 คือเปอร์เซ็นต์ความเข้มข้นของออกซิเจนในก๊าซอ้างอิง

สูตรนี้เป็นพื้นฐานของการวัดออกซิเจนในแบตเตอรี่ความเข้มข้นของเซอร์โคเนียมออกไซด์ เมื่ออุณหภูมิของท่อเซอร์โคเนียมออกไซด์ถูกทำให้ร้อนถึง 600-1400°C ก๊าซด้านความเข้มข้นสูงจะถูกใช้เป็นก๊าซอ้างอิงที่มีความเข้มข้นของออกซิเจนที่ทราบค่า เช่น อากาศ (P0=20.60%) จากนั้นจะวัดแรงเคลื่อนไฟฟ้าขาออก E ของแบตเตอรี่ความเข้มข้นและอุณหภูมิสัมบูรณ์ T ของก๊าซที่วัดได้ และสามารถคำนวณความดันย่อย (ความเข้มข้น) ของออกซิเจน P0 ของก๊าซที่วัดได้ ซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานของแบตเตอรี่ความเข้มข้นของเซอร์โคเนียมออกไซด์

3.เซอร์โคเนียพื้นที่กว้าง

ส่วนประกอบของเซ็นเซอร์ออกซิเจนแบบบรอดแบนด์มีสองส่วน คือ ส่วนแรกคือห้องเหนี่ยวนำ และส่วนที่สองคือปั๊มออกซิเจน

ห้องตรวจจับซึ่งด้านหนึ่งสัมผัสกับบรรยากาศและอีกด้านหนึ่งเป็นห้องทดสอบ จะสัมผัสกับไอเสียผ่านรูกระจาย เช่นเดียวกับเซ็นเซอร์ออกซิเจนเซอร์โคเนียทั่วไป เนื่องจากปริมาณออกซิเจนในทั้งสองด้านของห้องตรวจจับแตกต่างกัน จึงเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า Us ขึ้น เซ็นเซอร์เซอร์โคเนียทั่วไปจะใช้แรงดันไฟฟ้านี้เป็นสัญญาณอินพุตของหน่วยควบคุมเพื่อควบคุมอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง แต่เซ็นเซอร์ออกซิเจนแบบพื้นที่กว้างนั้นแตกต่างออกไป: หน่วยควบคุมเครื่องยนต์จะทำให้ปริมาณออกซิเจนในทั้งสองด้านของห้องเหนี่ยวนำมีความสม่ำเสมอ รักษาค่าแรงดันไฟฟ้าไว้ที่ 0.45V แรงดันไฟฟ้านี้เป็นเพียงค่ามาตรฐานอ้างอิงของคอมพิวเตอร์เท่านั้น จำเป็นต้องมีส่วนอื่นของเซ็นเซอร์เพื่อทำให้สมบูรณ์

ปั๊มออกซิเจนเชื่อมต่อกับห้องทดสอบด้านหนึ่งและท่อไอเสียอีกด้านหนึ่ง ปั๊มออกซิเจนใช้หลักการทำงานของเซ็นเซอร์เซอร์โคเนียในการจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับส่วนประกอบเซอร์โคเนีย (ปั๊มออกซิเจน) ซึ่งจะทำให้ไอออนออกซิเจนเคลื่อนที่และปั๊มออกซิเจนในก๊าซไอเสียเข้าไปในห้องทดสอบ เพื่อให้ค่าแรงดันไฟฟ้าของทั้งสองด้านของห้องเหนี่ยวนำคงที่ที่ 0.45V แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับปั๊มออกซิเจนเป็นสัญญาณของปริมาณออกซิเจนที่เราต้องการ หากส่วนผสมข้นเกินไป ปริมาณออกซิเจนในก๊าซไอเสียจะลดลง และออกซิเจนจากรูกระจายตัวจะมีมากขึ้น ทำให้แรงดันไฟฟ้าของห้องเหนี่ยวนำสูงขึ้น เพื่อให้เกิดความสมดุล หน่วยควบคุมเครื่องยนต์จะเพิ่มกระแสควบคุมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของปั๊มออกซิเจนและปริมาณออกซิเจนในห้องทดสอบ เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าของห้องเหนี่ยวนำสามารถปรับได้ที่ 0.45V ในทางตรงกันข้าม เมื่อส่วนผสมเหลวเกินไป ปริมาณออกซิเจนในก๊าซไอเสียจะเพิ่มขึ้น ในขณะนี้ ออกซิเจนจะเข้าสู่ห้องทดสอบจากรูกระจาย และแรงดันไฟฟ้าของห้องเหนี่ยวนำจะลดลง ในขณะนี้ ออกซิเจนจากปั๊มจะถูกปล่อยออกเพื่อปรับสมดุลปริมาณออกซิเจนในห้องทดสอบ เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าของห้องเหนี่ยวนำคงอยู่ที่ 0.45V กล่าวโดยสรุป แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มเข้าไปในปั๊มออกซิเจนจะช่วยให้มั่นใจได้ว่า เมื่อออกซิเจนในห้องทดสอบมีมาก ออกซิเจนในห้องจะถูกปล่อยออก ทำให้กระแสควบคุมของหน่วยควบคุมเครื่องยนต์เป็นบวก และเมื่อออกซิเจนในห้องมีน้อย ออกซิเจนจะถูกจ่ายเข้าไป ทำให้กระแสควบคุมของหน่วยควบคุมเครื่องยนต์เป็นลบ กระแสที่จ่ายให้กับปั๊มออกซิเจนในกระบวนการข้างต้นสะท้อนถึงปัจจัยปริมาณอากาศส่วนเกินในก๊าซไอเสีย

4. เคมีไฟฟ้า

เซนเซอร์ทางเคมีไฟฟ้าประกอบด้วยอิเล็กโทรดโลหะ + อิเล็กโทรดตะกั่ว (หรือกราไฟต์) + อิเล็กโทรไลต์ โดยแผ่นโลหะสัมผัสที่ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดตะกั่วจะเชื่อมต่อกับแคโทดและแอโนดตามลำดับ และอิเล็กโทรไลต์จะไหลผ่านรูวงกลมจำนวนมากบนพื้นผิวด้านบนของแคโทดเพื่อสร้างชั้นอิเล็กโทรไลต์บางๆ ชั้นอิเล็กโทรไลต์นี้ถูกปกคลุมด้วยฟิล์มโพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) ที่ยอมให้ก๊าซผ่านได้ ก๊าซตัวอย่างจะเข้าสู่ชั้นอิเล็กโทรไลต์บางๆ ผ่านเยื่อหุ้มที่ยอมให้ก๊าซผ่านได้และเกิดปฏิกิริยาเคมี ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้เงินเป็นอิเล็กโทรดโลหะ ออกซิเจนในก๊าซตัวอย่างจะเกิดปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าต่อไปนี้บนอิเล็กโทรด:

แคโทดเงิน: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

ขั้วบวกตะกั่ว: 2Pb + 4OH- → 2PbO + 2H2O + 4e-

ปฏิกิริยาการสังเคราะห์แบตเตอรี่: O2 + 2Pb → 2PbO

กระแสไฟฟ้าที่เกิดจากไอออน OH- จะแปรผันตรงกับความเข้มข้นของออกซิเจนในก๊าซตัวอย่าง

5. ประเภทแม่เหล็กเชิงกล

สสารใดๆ ก็สามารถถูกเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กได้ภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กภายนอก ค่าความไวต่อสนามแม่เหล็ก k และค่าสภาพซึมผ่านสัมพัทธ์ μr ของวัสดุต่างๆ ก็แตกต่างกันออกไปเนื่องจากองค์ประกอบโครงสร้างของสสารนั้นแตกต่างกัน

เมื่อ μr>1, k>0 สสารหรือแก๊สจะถูกดึงดูดโดยสนามแม่เหล็ก เรียกว่า สสารพาราแมกเนติก ออกซิเจนเป็นสารพาราแมกเนติก และค่าความไวต่อสนามแม่เหล็กต่อปริมาตรของมันคือ k=106.2×10⁻⁶ ที่ 20°C เมื่อ μr<1, k<0 สสารหรือแก๊สจะถูกผลักโดยสนามแม่เหล็ก เรียกว่า สสารไดอะแมกเนติก ไนโตรเจนเป็นสารไดอะแมกเนติก และค่าความไวต่อสนามแม่เหล็กต่อปริมาตรของมันคือ k=-0.34×10⁻⁶ ที่ 20°C ในบรรดาแก๊สต่างๆ ค่าความไวต่อสนามแม่เหล็กของ O₂ มีค่ามากที่สุด และค่าความไวต่อสนามแม่เหล็กของแก๊สอื่นๆ มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับค่าความไวต่อสนามแม่เหล็กต่อปริมาตรของออกซิเจน (ยกเว้น NO) ค่าความไวต่อสนามแม่เหล็กต่อปริมาตรของแก๊สผสมส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยค่าความไวต่อสนามแม่เหล็กต่อปริมาตรของออกซิเจนและสัดส่วนร้อยละของออกซิเจน สามารถหาเปอร์เซ็นต์ปริมาณของออกซิเจนในก๊าซผสมได้ ตราบใดที่สามารถวัดค่าความไวต่อสนามแม่เหล็กปริมาตร k-mixing ของก๊าซผสมได้

เครื่องวัดออกซิเจนแบบแม่เหล็กทำงานโดยอาศัยหลักการของพาราแมกเนติซึมของออกซิเจนและความไวต่อสนามแม่เหล็กสูงสุดในการวิเคราะห์ปริมาณออกซิเจนในก๊าซผสม

เซ็นเซอร์เชิงกลแม่เหล็กประกอบด้วยลูกบอลทรงดัมเบลแก้วควอตซ์สองลูกที่บรรจุไนโตรเจน ลูกบอลทรงดัมเบลถูกล้อมรอบด้วยลวดแพลทินัม ทำให้เกิดวงจรป้อนกลับทางไฟฟ้า ลูกบอลทรงดัมเบลถูกแขวนไว้ในสนามแม่เหล็ก และมีตัวสะท้อนแสงขนาดเล็กวางอยู่ตรงกลางระหว่างลูกบอลทรงดัมเบล เมื่อมีโมเลกุลออกซิเจนอยู่รอบๆ ลูกบอลทรงดัมเบล โมเลกุลเหล่านั้นจะผลักลูกบอลทรงดัมเบลให้เบี่ยงเบนไปภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็ก ยิ่งความเข้มข้นของออกซิเจนสูงเท่าไร มุมเบี่ยงเบนก็จะยิ่งใหญ่ขึ้นเท่านั้น ระบบออปติคอลที่มีความแม่นยำสูงซึ่งประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแสง ตัวสะท้อนแสง และองค์ประกอบไวแสง จะวัดการเบี่ยงเบนนี้และแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า หลังจากที่สัญญาณถูกขยายโดยเครื่องขยายสัญญาณแล้ว วงจรไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นผ่านวงจรป้อนกลับ และภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็ก ลูกบอลทรงดัมเบลจะถูกบังคับให้กลับไปยังตำแหน่งสมดุลเดิม ค่ากระแสในวงจรนี้เป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของออกซิเจน

6.เลเซอร์

หลักการของการวัดออกซิเจนด้วยเลเซอร์คือ: เลเซอร์อินฟราเรดจากด้านหนึ่งของตัวส่งสัญญาณจะถูกส่งไปยังตัวรับสัญญาณที่อยู่ด้านตรงข้าม เทคนิคการวัดนี้อาศัยความแตกต่างของการดูดกลืนแสงของโมเลกุลก๊าซ ก๊าซส่วนใหญ่จะดูดกลืนแสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะเท่านั้น และการดูดกลืนแสงนี้เป็นตัวบ่งชี้โดยตรงถึงปริมาณก๊าซ

สามารถหาความยาวคลื่นของเลเซอร์ได้โดยการสแกนเส้นดูดกลืนที่เลือกไว้ และความเข้มของแสงที่ตรวจจับได้จะแปรผันตามความยาวคลื่นของเลเซอร์ เนื่องจากการดูดกลืนของโมเลกุลก๊าซเฉพาะบนไดโอดเลเซอร์และตัวตรวจจับ เพื่อเพิ่มความไว สามารถใช้เทคนิคการปรับความยาวคลื่นได้: เมื่อสแกนเส้นดูดกลืน ความยาวคลื่นของเลเซอร์จะถูกปรับเล็กน้อย สัญญาณฮาร์มอนิกที่สองจะถูกใช้เพื่อวัดความเข้มข้นของก๊าซที่ดูดกลืน เนื่องจากไม่มีเส้นดูดกลืนของก๊าซอื่นที่ความยาวคลื่นเฉพาะ จึงไม่มีการรบกวนโดยตรงจากก๊าซอื่น ความเข้มข้นของก๊าซที่วัดได้จะเป็นสัดส่วนกับแอมพลิจูดของเส้นดูดกลืน

7.การไหลของไอออนเซอร์โคเนีย

หลักการทำงานของเซ็นเซอร์วัดออกซิเจนแบบไอออนโฟลว์แสดงไว้ในรูปที่ 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 กระแสอิ่มตัวนี้เรียกว่ากระแสจำกัด กลไกการแพร่ของก๊าซในรูเล็กๆ เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของเซนเซอร์ มีขีดจำกัดสองประการสำหรับการแพร่ในรูเล็กๆ ได้แก่ การแพร่แบบโมเลกุลและการแพร่แบบ Knudsen เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของรูมีขนาดใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของโมเลกุลก๊าซ กระแสจำกัด IL ในบริเวณการแพร่จะเป็นดังนี้:

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

จากสูตร (2) กระแสจำกัดและเศษส่วนโมลของออกซิเจนเกือบจะเป็นเส้นตรง เศษส่วนโมลของออกซิเจนในก๊าซที่วัดได้สามารถกำหนดได้ตามกระแสเอาต์พุต

แผ่นเซรามิกพรุนถูกใช้เป็นชั้นการแพร่กระจายเพื่อควบคุมปริมาณออกซิเจนที่ส่งไปยังแคโทดของเซนเซอร์ และโครงสร้างของเซนเซอร์ออกซิเจนชนิดชั้นพรุนแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 เซ็นเซอร์ออกซิเจนแบบชั้นพรุน

กระแสจำกัดของเซ็นเซอร์ออกซิเจนชั้นพรุนจะเหมือนกับสูตร (2)

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

การวัดออกซิเจนความเข้มข้นสูง

หลักการวัดความเข้มข้นของออกซิเจนที่กล่าวมาข้างต้นไม่ได้ใช้ได้กับการวัดออกซิเจนที่มีความเข้มข้นสูงทั้งหมด ตัวอย่างเช่น เซอร์โคเนียมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ เมื่อความเข้มข้นของออกซิเจนอยู่ที่ประมาณ 80% กระแสไฟฟ้าสูงสุดของเซ็นเซอร์จะถึงระดับนั้น หากความเข้มข้นของออกซิเจนเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจะทำให้เซ็นเซอร์เสียหาย และเซ็นเซอร์ชนิดนี้จำเป็นต้องให้ความร้อนแก่ท่อเซอร์โคเนียที่อุณหภูมิ 600-1400°C เพื่อวัดได้อย่างแม่นยำ ซึ่งมีข้อจำกัดมาก ส่วนเซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีจัดอยู่ในกลุ่มเซลล์เชื้อเพลิง ปฏิกิริยาเคมีภายในของเซ็นเซอร์นั้นไม่สามารถย้อนกลับได้ ขั้วบวก (ตะกั่วหรือกราไฟต์) จะถูกออกซิไดซ์อย่างต่อเนื่อง (กลายเป็นตะกั่วออกไซด์หรือ CO2) ในปฏิกิริยา จนกว่าขั้วบวกจะหมดไป เหมือนกับเชื้อเพลิงบางชนิดที่ถูกออกซิไดซ์และเผาไหม้หมดไป ดังนั้นอายุการใช้งานของเซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีจึงสัมพันธ์กับความเข้มข้นของออกซิเจนที่วัดได้ ยิ่งความเข้มข้นสูง การสึกหรอของขั้วบวกก็จะยิ่งมาก อายุการใช้งานของเซ็นเซอร์ก็จะสั้นลง และค่าความคลาดเคลื่อนรายเดือนจะอยู่ที่ประมาณ 1% เมื่อความเข้มข้นของออกซิเจนสูงกว่า 90%

ดังนั้น ในการวัดออกซิเจนที่มีความเข้มข้นสูง โดยทั่วไปจะใช้การไหลของไอออนเซอร์โคเนียมออกไซด์ วิธีการทางแม่เหล็กเชิงกล วิธีการดูดซับสารละลายทองแดงแอมโมเนีย และอื่นๆ

การวัดปริมาณออกซิเจนด้วยกลไกแม่เหล็กเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนามาอย่างดีแล้ว ข้อดีหลักๆ คือ:

มันจะไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของส่วนประกอบที่ไม่สามารถวัดได้ในก๊าซผสม

การตอบสนองอย่างรวดเร็ว

เสถียรภาพดี

ข้อเสียหลัก:

การเตรียมตัวอย่างก๊าซก่อนการวัดต้องใช้แรงดันสูง ฝุ่นละออง น้ำมันดิน ไอระเหย และอื่นๆ สามารถส่งผลกระทบต่อความแม่นยำในการวัดได้ง่าย หรืออาจทำให้เซ็นเซอร์เสียหายได้

มีความอ่อนไหวต่อผลกระทบจากสภาพแวดล้อมการทำงาน เช่น การสั่นสะเทือนในแนวนอน และสนามแม่เหล็กในสิ่งแวดล้อม

ในกระบวนการทดลอง สามารถใช้วิธีการดูดซับสารละลายแอมโมเนียทองแดงเพื่อเปลี่ยนแปลงปริมาณการใช้ลวดทองแดง อุณหภูมิแวดล้อม ความดันแวดล้อม และส่วนประกอบของก๊าซได้

เปอร์เซ็นต์ปริมาตรของออกซิเจนในก๊าซผสมที่วัดโดยวิธีดูดซับด้วยสารละลายทองแดง-แอมโมเนียนั้นไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดันของสภาพแวดล้อม โดยมีองค์ประกอบของก๊าซที่เหมือนกัน และค่าที่วัดได้ในสภาพแวดล้อมบรรยากาศที่แตกต่างกันควรจะเท่ากัน อย่างไรก็ตาม เมื่อก๊าซนั้นมีก๊าซออกซิไดซ์อื่นๆ ปนอยู่ด้วย ค่าที่ได้จะเปลี่ยนแปลงไปมาก

เมื่อใช้การไหลของไอออนเซอร์โคเนียมออกไซด์ในการวัดความเข้มข้นของออกซิเจนในปริมาณสูง เฉพาะออกซิเจนเท่านั้นที่จะสามารถถูกประจุในแคโทดของอิเล็กโทรไลต์แข็งและไหลผ่านอิเล็กโทรไลต์แข็งได้ และค่ากระแสจำกัดจะแปรผันตรงกับเศษส่วนโมลของออกซิเจน ดังนั้นเซ็นเซอร์จึงมีความแม่นยำในการวัดสูงและช่วงการวัดกว้าง (0-100%) ไม่ได้รับผลกระทบจากสิ่งเจือปน ความดัน และอุณหภูมิแวดล้อม มีเสถียรภาพที่ดีและใช้พลังงานต่ำ

ปัจจุบัน เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนความเข้มข้นสูงที่ใช้เซ็นเซอร์ออกซิเจนแบบไอออนไหลเซอร์โคเนียมีอยู่น้อยมากทั้งในและต่างประเทศ มีเพียง 3-4 บริษัทเท่านั้น เช่น บริษัท Shi Fu Mei จากอังกฤษ และบริษัท Bille จากเยอรมนี เป็นต้น เนื่องจากราคาสูงของเครื่องวิเคราะห์ประเภทนี้ จึงยากที่จะนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการวัดออกซิเจนความเข้มข้นสูง บริษัท Chang Ai Electronic Technology จำกัด ได้ใช้ประสบการณ์การพัฒนาและออกแบบเครื่องวิเคราะห์ก๊าซมายาวนานหลายปี จึงได้แนะนำเครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนความเข้มข้นสูงรุ่นต่างๆ ที่ใช้เซ็นเซอร์ออกซิเจนแบบไอออนไหลเซอร์โคเนีย ได้แก่ CI2000-CY, GNL-2100L, SP-980L, GNL-6100 และอื่นๆ ซึ่งไม่เพียงแต่มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับผลิตภัณฑ์ประเภทเดียวกันในต่างประเทศเท่านั้น แต่ยังแก้ปัญหาเรื่องราคาสูงของเครื่องวิเคราะห์ประเภทนี้ และมอบทางเลือกที่หลากหลายมากขึ้นให้กับผู้ใช้ทั้งในและต่างประเทศ

พารามิเตอร์ทางเทคนิคของเครื่องวิเคราะห์ปริมาณออกซิเจนสูง Chang Ai:

ช่วงการวัด: 10.000～99.999%

ความแม่นยำในการวัด: ±2%FS

เวลาตอบสนอง: T90≤20 วินาที

ความเสถียร: <±1%FS/7d

อุณหภูมิสภาพแวดล้อมในการทดสอบ: 0～50℃

ความชื้นในสิ่งแวดล้อมที่ใช้ในการทดสอบ: <80% RH

อัตราการไหลของก๊าซตัวอย่าง: 400～600 มล./นาที

ความดันแก๊สตัวอย่าง: 0.05MPa≤入口压力≤0.2 MPa

แอปพลิเคชัน:

อุตสาหกรรมการแยกอากาศ

อุตสาหกรรมเคมีและการถลุงโลหะ

การตรวจวัดความเข้มข้นของออกซิเจนในเตาเผาอุณหภูมิสูง

การตรวจวัดความเข้มข้นของออกซิเจนในก๊าซป้องกันของสารกึ่งตัวนำ

การหาค่าความเข้มข้นของออกซิเจนในกระบวนการเพาะเลี้ยงสัตว์และพืช การแปรรูปผักและอาหาร และการเก็บรักษา

การวัดความเข้มข้นของออกซิเจนในเรือ ศูนย์บัญชาการใต้ดิน อุโมงค์ บ่อน้ำลึก โครงการป้องกันภัยทางอากาศพลเรือน และอุโมงค์ในเมือง เป็นต้น

อ้างอิง:

Weng Xiao Ping. การปรับปรุงระบบการเตรียมตัวอย่างก่อนการวิเคราะห์ออกซิเจนด้วยเครื่องวิเคราะห์เชิงกลแม่เหล็ก [J], บริษัท Baoshan Iron & Steel จำกัด (เซี่ยงไฮ้), 201900

Zhang Hui และ Liu Yingshu. การวิเคราะห์ปัจจัยที่มีผลต่อการหาปริมาณออกซิเจนโดยการดูดซับสารละลายทองแดง-แอมโมเนีย [J], มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่ง, 2010.

Wu Qiang และ Liu Zhong. งานวิจัยเกี่ยวกับเซ็นเซอร์ออกซิเจนกระแสไฟฟ้าสูง [A], สถาบันวิจัยที่ 49 ของกลุ่มเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์แห่งประเทศจีน