หลักการทำงานของเครื่องวิเคราะห์ปริมาณออกซิเจนและเซ็นเซอร์

การจำแนกประเภทของเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซ

มาตรฐานแห่งชาติ GB7665-87 กำหนดนิยามของเซ็นเซอร์ไว้ดังนี้: เซ็นเซอร์คืออุปกรณ์หรือเครื่องมือที่สามารถตรวจวัดค่าที่กำหนดและแปลงค่าดังกล่าวเป็นสัญญาณเอาต์พุตที่ใช้งานได้ตามกฎเกณฑ์บางอย่าง เซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สใช้สำหรับตรวจวัดองค์ประกอบและปริมาณของแก๊ส โดยทั่วไปแล้ว นิยามของเซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สจะขึ้นอยู่กับการจำแนกประเภทของเป้าหมายการตรวจวัด กล่าวคือ เซ็นเซอร์ใดๆ ที่ใช้ตรวจวัดองค์ประกอบและความเข้มข้นของแก๊ส เรียกว่าเซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊ส ไม่ว่าจะด้วยวิธีการทางกายภาพหรือทางเคมีก็ตาม ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์วัดการไหลของแก๊สไม่ถือว่าเป็นเซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊ส แต่เครื่องวิเคราะห์แก๊สแบบใช้การนำความร้อนถือเป็นเซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สที่สำคัญ แม้ว่าบางครั้งจะใช้หลักการตรวจวัดที่คล้ายคลึงกันก็ตาม

ตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1970 เป็นต้นมา เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซได้กลายเป็นสาขาใหญ่ในวงการเซ็นเซอร์ โดยอยู่ในกลุ่มย่อยของเซ็นเซอร์เคมี

เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซบางชนิดเป็นที่นิยมในตลาด ได้แก่:

1. เซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สแบบเซมิคอนดักเตอร์

เซ็นเซอร์ชนิดนี้ผลิตขึ้นโดยใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่เป็นโลหะออกไซด์ ซึ่งค่าการนำไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบของก๊าซในบรรยากาศที่อุณหภูมิหนึ่งๆ ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์แอลกอฮอล์ผลิตขึ้นโดยใช้หลักการที่ว่า เมื่อดีบุกไดออกไซด์สัมผัสกับก๊าซแอลกอฮอล์ที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานจะลดลงอย่างรวดเร็ว เซ็นเซอร์ก๊าซเซมิคอนดักเตอร์สามารถนำไปใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพในด้านต่างๆ ดังนี้: มีเทน อีเทน โพรเพน บิวเทน แอลกอฮอล์ ฟอร์มาลดีไฮด์ คาร์บอนมอนอกไซด์ คาร์บอนไดออกไซด์ เอทิลีน อะเซทิลีน ไวนิลคลอไรด์ สไตรีน กรดอะคริลิก และก๊าซอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เซ็นเซอร์ชนิดนี้มีต้นทุนต่ำและเหมาะสมกับความต้องการในการตรวจจับก๊าซในภาคพลเรือน เซ็นเซอร์ก๊าซเซมิคอนดักเตอร์ที่ประสบความสำเร็จ ได้แก่ มีเทน (ก๊าซธรรมชาติ) แอลกอฮอล์ คาร์บอนมอนอกไซด์ (ก๊าซในเมือง) ไฮโดรเจนซัลไฟด์ แอมโมเนีย (รวมถึงเอมีน ไฮดราซีน) เซ็นเซอร์คุณภาพสูงสามารถตอบสนองความต้องการในการตรวจจับในภาคอุตสาหกรรมได้

ข้อเสีย: ความเสถียรต่ำ และได้รับอิทธิพลจากสภาพแวดล้อม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความสามารถในการเลือกตรวจจับของเซ็นเซอร์แต่ละตัวไม่เฉพาะเจาะจง และไม่สามารถกำหนดพารามิเตอร์เอาต์พุตได้ ดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับใช้ในสถานที่ที่ต้องการความแม่นยำในการวัด ปัจจุบัน ผู้ผลิตหลักของเซ็นเซอร์ชนิดนี้อยู่ในญี่ปุ่น (ผู้คิดค้น) รองลงมาคือจีน และล่าสุดเกาหลีใต้เข้าร่วมด้วย ประเทศอื่นๆ เช่น สหรัฐอเมริกา ก็มีการพัฒนาในด้านนี้อย่างมาก แต่ยังไม่เคยเข้ามามีบทบาทในวงกว้าง! จีนลงทุนทั้งกำลังคนและเวลาในด้านนี้มากพอๆ กับญี่ปุ่น แต่เนื่องจากนโยบายของประเทศ การปิดกั้นข้อมูลทางสังคม และเหตุผลอื่นๆ มาหลายปี คุณภาพการทำงานของเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่ได้รับความนิยมในจีนจึงด้อยกว่าผลิตภัณฑ์ของญี่ปุ่นมาก ผมเชื่อว่าด้วยความก้าวหน้าของตลาดและการเติบโตของภาคเอกชน เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่ผลิตในจีนจะก้าวไปถึงและเหนือกว่าระดับของญี่ปุ่นได้ในไม่ช้า!

2. เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซแบบเผาไหม้เร่งปฏิกิริยา

เซนเซอร์นี้ใช้การเตรียมชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทนต่ออุณหภูมิสูงบนพื้นผิวของตัวต้านทานแพลทินัม และที่อุณหภูมิที่กำหนด ก๊าซที่ติดไฟได้จะเร่งปฏิกิริยาการเผาไหม้บนพื้นผิวของตัวต้านทานแพลทินัม การเผาไหม้นี้ทำให้อุณหภูมิของตัวต้านทานแพลทินัมสูงขึ้นและความต้านทานเปลี่ยนแปลง โดยค่าการเปลี่ยนแปลงจะเป็นฟังก์ชันของความเข้มข้นของก๊าซที่ติดไฟได้

เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซเผาไหม้แบบเร่งปฏิกิริยาจะตรวจจับเฉพาะก๊าซที่ติดไฟได้: ก๊าซใด ๆ ที่สามารถเผาไหม้ได้จะถูกตรวจจับได้ เซ็นเซอร์จะไม่ตอบสนองต่อสิ่งใด ๆ ที่ไม่สามารถเผาไหม้ได้ แน่นอนว่ามีข้อยกเว้นมากมายสำหรับวลี "สามารถตรวจจับทุกสิ่งที่สามารถเผาไหม้ได้" แต่โดยรวมแล้ว ความสามารถในการเลือกตรวจจับนั้นถูกต้อง เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซเผาไหม้แบบเร่งปฏิกิริยามีข้อดีคือ การวัดที่แม่นยำ การตอบสนองที่รวดเร็ว และอายุการใช้งานที่ยาวนาน ผลลัพธ์ของเซ็นเซอร์มีความสัมพันธ์โดยตรงกับความเสี่ยงต่อการระเบิดของสิ่งแวดล้อม และเป็นเซ็นเซอร์ที่สำคัญชนิดหนึ่งในด้านการตรวจจับความปลอดภัย

ข้อเสีย: ในช่วงของก๊าซที่ติดไฟได้นั้น ไม่มีคุณสมบัติในการเลือกตรวจจับ ไฟยังคงทำงานอยู่ และมีความเสี่ยงที่จะเกิดไฟไหม้ ไอระเหยอินทรีย์ส่วนใหญ่เป็นพิษต่อเซ็นเซอร์ ผู้ผลิตเซ็นเซอร์รายหลักอยู่ในจีน ญี่ปุ่น และสหราชอาณาจักร (ประเทศผู้คิดค้น)! จีนเป็นผู้ใช้เซ็นเซอร์นี้รายใหญ่ที่สุด (เหมืองถ่านหิน) และยังมีเทคโนโลยีการผลิตเซ็นเซอร์ที่ดีที่สุด แม้ว่าจะมีการแทรกแซงการโฆษณาชวนเชื่อจากหลายฝ่ายเพื่อให้สาธารณชนเข้าใจเซ็นเซอร์นี้ผิด แต่ท้ายที่สุดแล้ว ผู้ผลิตเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซเผาไหม้แบบเร่งปฏิกิริยารายใหญ่ก็อยู่ในประเทศจีน

3. เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซแบบนำความร้อนชนิดพูล

ก๊าซแต่ละชนิดมีค่าการนำความร้อนเฉพาะตัว และเมื่อค่าการนำความร้อนของก๊าซสองชนิดขึ้นไปแตกต่างกันมาก ก็สามารถแยกแยะปริมาณขององค์ประกอบใดองค์ประกอบหนึ่งได้โดยใช้เซ็นเซอร์วัดค่าการนำความร้อน เซ็นเซอร์นี้ถูกนำไปใช้ในการตรวจจับไฮโดรเจน ตรวจจับคาร์บอนไดออกไซด์ และตรวจจับมีเทนที่มีความเข้มข้นสูง

เซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สมีช่วงการใช้งานที่แคบและมีข้อจำกัดหลายประการ เป็นผลิตภัณฑ์ที่ล้าสมัยและผลิตกันทั่วโลก คุณภาพของผลิตภัณฑ์ทั่วโลกจึงคล้ายคลึงกัน

4. เซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สแบบอิเล็กโทรเคมี

ก๊าซไวไฟ ก๊าซพิษ และก๊าซอันตรายจำนวนมากมีคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้า และสามารถถูกออกซิไดซ์หรือรีดิวซ์ด้วยกระบวนการทางเคมีไฟฟ้าได้ โดยใช้ปฏิกิริยาเหล่านี้ เราสามารถแยกแยะองค์ประกอบของก๊าซและตรวจวัดความเข้มข้นของก๊าซได้ เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซทางเคมีไฟฟ้ามีหลายประเภท:

(1) เซ็นเซอร์แก๊สแบบใช้แบตเตอรี่ปฐมภูมิ (เรียกอีกอย่างว่าแบตเตอรี่แบบแห้ง เพียงแต่ขั้วคาร์บอนและแมงกานีสของแบตเตอรี่ถูกแทนที่ด้วยขั้วแก๊ส) ในกรณีของเซ็นเซอร์ออกซิเจน ออกซิเจนจะถูกรีดิวซ์ที่แคโทด อิเล็กตรอนจะไหลผ่านแกลวาโนมิเตอร์ไปยังแอโนด ซึ่งโลหะตะกั่วจะถูกออกซิไดซ์ ขนาดของกระแสไฟฟ้าจะสัมพันธ์โดยตรงกับความเข้มข้นของออกซิเจน เซ็นเซอร์นี้สามารถตรวจจับออกซิเจน ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ คลอรีน ฯลฯ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

(2) เซ็นเซอร์แก๊สแบบเซลล์อิเล็กโทรไลต์ศักย์คงที่ ซึ่งมีประสิทธิภาพมากในการตรวจจับแก๊สรีดิวซ์ หลักการของมันแตกต่างจากเซ็นเซอร์เซลล์แบบดั้งเดิม ปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าเกิดขึ้นภายใต้แรงกระแสไฟฟ้า เป็นเซ็นเซอร์วิเคราะห์คูลอมบ์ที่แท้จริง เซ็นเซอร์นี้ถูกนำไปใช้สำเร็จแล้วในการตรวจจับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ไฮโดรเจนซัลไฟด์ ไฮโดรเจน แอมโมเนีย ไฮดราซีน และก๊าซอื่นๆ เป็นเซ็นเซอร์หลักสำหรับการตรวจจับก๊าซพิษและก๊าซอันตราย

(3) เซ็นเซอร์แก๊สชนิดเซลล์ความเข้มข้น แก๊สที่มีกิจกรรมทางเคมีไฟฟ้าที่ด้านทั้งสองของเซลล์ไฟฟ้าเคมีจะก่อให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าความเข้มข้นขึ้นเอง ขนาดของแรงเคลื่อนไฟฟ้าสัมพันธ์กับความเข้มข้นของแก๊ส ตัวอย่างที่ประสบความสำเร็จของเซ็นเซอร์นี้คือเซ็นเซอร์ออกซิเจนสำหรับรถยนต์ และเซ็นเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ชนิดอิเล็กโทรไลต์แข็ง

(4) สิ่งประดิษฐ์นี้เกี่ยวข้องกับเซ็นเซอร์ก๊าซแบบกระแสจำกัด ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์สำหรับวัดความเข้มข้นของออกซิเจน และใช้หลักการที่ว่ากระแสจำกัดในเซลล์ไฟฟ้าเคมีมีความสัมพันธ์กับความเข้มข้นของตัวนำ เพื่อเตรียมเซ็นเซอร์ความเข้มข้นของออกซิเจน (ก๊าซ) ซึ่งใช้สำหรับการตรวจจับออกซิเจนในยานพาหนะและการตรวจจับความเข้มข้นของออกซิเจนในน้ำเหล็ก ปัจจุบันผู้ผลิตหลักของเซ็นเซอร์นี้กระจายอยู่ทั่วโลก โดยส่วนใหญ่อยู่ในเยอรมนี ญี่ปุ่น และสหรัฐอเมริกา และเมื่อเร็วๆ นี้มีผู้ผลิตรายใหม่จากยุโรปเข้าร่วมหลายราย เช่น สหราชอาณาจักร สวิตเซอร์แลนด์ เป็นต้น จีนเริ่มต้นในด้านนี้มานานแล้ว แต่กระบวนการพัฒนาอุตสาหกรรมยังไม่มีประสิทธิภาพ

5. เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซอินฟราเรด

ก๊าซส่วนใหญ่มีจุดดูดกลืนแสงลักษณะเฉพาะในช่วงอินฟราเรดกลาง และสามารถกำหนดความเข้มข้นของก๊าซได้โดยการตรวจจับการดูดกลืนแสง ณ ตำแหน่งของจุดดูดกลืนแสงลักษณะเฉพาะนั้น เซ็นเซอร์นี้เคยเป็นเครื่องมือวิเคราะห์ขนาดใหญ่ แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาของอุตสาหกรรมเซ็นเซอร์ที่ใช้เทคโนโลยี MEMS ปริมาตรของเซ็นเซอร์นี้ลดลงจาก 10 ลิตร หรือ 45 กิโลกรัม (ขนาดเท่าแฮมเบอร์เกอร์บิ๊กแมค) เหลือเพียงประมาณ 2 มิลลิลิตร (ขนาดเท่าหัวแม่มือ) การใช้ตัวตรวจจับอินฟราเรดโดยไม่ต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงแบบปรับได้ ทำให้เครื่องมือนี้ปราศจากชิ้นส่วนเคลื่อนที่เชิงกลและการบำรุงรักษา เซ็นเซอร์ก๊าซอินฟราเรดสามารถจำแนกชนิดของก๊าซได้อย่างมีประสิทธิภาพและวัดความเข้มข้นของก๊าซได้อย่างแม่นยำ

เซ็นเซอร์นี้ถูกนำไปใช้ในการตรวจจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และมีเทนได้สำเร็จ ปัจจุบันผู้จำหน่าย "เซ็นเซอร์" นี้อยู่ในยุโรป! ขณะนี้จีนยังขาดบทบาทในด้านนี้อย่างมาก!

6. เซ็นเซอร์ออกซิเจนแม่เหล็ก

นี่คือหัวใจหลักของ เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจน แบบแม่เหล็ก แต่ก็ยังได้พัฒนาขั้นตอน "เซ็นเซอร์" ขึ้นมาด้วย

มันถูกสร้างขึ้นโดยอาศัยหลักการที่ว่าออกซิเจนในอากาศสามารถถูกดึงดูดโดยสนามแม่เหล็กแรงสูงได้

เซ็นเซอร์นี้สามารถใช้ตรวจจับออกซิเจนได้เท่านั้น และมีความแม่นยำสูงมาก ก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ในบรรยากาศอาจส่งผลกระทบเล็กน้อย แต่เนื่องจากปริมาณของก๊าซรบกวนเหล่านี้มักน้อยมาก ความแม่นยำของเทคโนโลยีการวิเคราะห์ออกซิเจนด้วยแม่เหล็กจึงแทบจะไม่มีใครเทียบได้! เป็นผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมที่ได้รับการยอมรับและมีผู้ผลิตอยู่ทั่วโลก (แน่นอนว่าผมกำลังพูดถึงเครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนแบบมิเตอร์เดี่ยว ซึ่งสามารถมองได้ว่าเป็นเซ็นเซอร์ในช่วงหนึ่ง) และผลิตภัณฑ์ที่ผลิตในรูปแบบของเซ็นเซอร์บริสุทธิ์นี้เป็นสิ่งใหม่

7.อื่นๆ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีใหม่ๆ เทคโนโลยีเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซก็กำลังอยู่ในช่วงการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่เช่นกัน เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซมีหลากหลายประเภทมากขึ้น อย่างไรก็ตาม การที่เซ็นเซอร์บางชนิดควรถูกจัดอยู่ในกลุ่มเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซหรือไม่นั้นยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ ตัวอย่างเช่น เครื่องตรวจจับ PID แม้ว่าจะใช้สำหรับการตรวจจับก๊าซเช่นกัน แต่ถึงแม้จะมีขนาดเล็ก แต่เนื่องจากไม่สามารถใช้งานได้โดยไม่ต้องบำรุงรักษา ดังนั้น อุปกรณ์ประเภทนี้ไม่ว่าจะเล็กแค่ไหน ก็ควรจัดอยู่ในกลุ่ม "เครื่องมือตรวจจับ" มากกว่า

นอกจากนี้ เซ็นเซอร์แสงที่ใช้ใยแก้วนำแสงกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว และถึงแม้ว่าจะไม่ได้เป็น "ภัยคุกคาม" อย่างแท้จริงต่อเซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์ แต่ข้อดีเฉพาะตัวของมันอาจจะกลายเป็นสิ่งสำคัญในอนาคต สุดท้ายนี้ เพื่อผลประโยชน์ทางการค้าของตนเอง นักธุรกิจที่จำหน่ายเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซบางครั้งอาจกล่าวเกินจริงเกี่ยวกับความสามารถของเซ็นเซอร์บางชนิด และสับสนในการจำแนกประเภทของเซ็นเซอร์ ซึ่งไม่เอื้อต่อการใช้งานเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซอย่างถูกต้องของผู้ใช้ อันที่จริง การใช้งานเซ็นเซอร์นั้นมีความสำคัญไม่แพ้การผลิตเซ็นเซอร์เลย