Nguyên lý hoạt động của máy phân tích hàm lượng oxy, cảm biến

Phân loại cảm biến khí

Tiêu chuẩn quốc gia GB7665-87 định nghĩa cảm biến như sau: Cảm biến là một thiết bị hoặc một dụng cụ có khả năng cảm nhận một phép đo đã được xác định trước và chuyển đổi nó thành tín hiệu đầu ra có sẵn theo một quy tắc nhất định. Cảm biến khí được sử dụng để phát hiện thành phần và hàm lượng của khí. Nhìn chung, định nghĩa về cảm biến khí được cho là dựa trên sự phân loại mục tiêu phát hiện, nghĩa là bất kỳ cảm biến nào được sử dụng để phát hiện thành phần và nồng độ của khí đều được gọi là cảm biến khí, cho dù bằng phương pháp vật lý hay hóa học. Ví dụ, cảm biến lưu lượng khí không được coi là cảm biến khí, nhưng máy phân tích khí dẫn nhiệt lại là một cảm biến khí quan trọng, mặc dù đôi khi chúng sử dụng các nguyên tắc phát hiện tương tự nhau.

Ngay từ những năm 1970, cảm biến khí đã trở thành một bộ phận lớn trong lĩnh vực cảm biến, thuộc nhánh cảm biến hóa học.

Trên thị trường hiện nay có một số loại cảm biến khí phổ biến:

1. Cảm biến khí bán dẫn

Cảm biến khí bán dẫn được chế tạo bằng cách sử dụng một số vật liệu bán dẫn oxit kim loại, độ dẫn điện thay đổi theo sự thay đổi thành phần khí xung quanh ở một nhiệt độ nhất định. Ví dụ, cảm biến cồn được chế tạo dựa trên nguyên lý khi oxit thiếc gặp khí cồn ở nhiệt độ cao, điện trở sẽ giảm mạnh. Cảm biến khí bán dẫn có thể được sử dụng hiệu quả trong các lĩnh vực sau: metan, etan, propan, butan, cồn, formaldehyd, carbon monoxide, carbon dioxide, etylen, axetylen, vinyl clorua, styren, axit acrylic và các loại khí khác. Đặc biệt, cảm biến có chi phí thấp và phù hợp với nhu cầu phát hiện khí dân dụng. Các loại cảm biến khí bán dẫn thành công sau: metan (khí tự nhiên, metan), cồn, carbon monoxide (khí đô thị), hydro sunfua, amoniac (bao gồm amin, hydrazine). Cảm biến chất lượng cao có thể đáp ứng nhu cầu phát hiện trong công nghiệp.

Nhược điểm: Độ ổn định kém và bị ảnh hưởng bởi môi trường. Đặc biệt, tính chọn lọc của mỗi cảm biến không duy nhất và các thông số đầu ra không thể xác định được. Do đó, nó không phù hợp để sử dụng ở những nơi yêu cầu độ chính xác đo lường cao. Hiện nay, nhà cung cấp chính loại cảm biến này đến từ Nhật Bản (người phát minh), tiếp theo là Trung Quốc, gần đây có thêm Hàn Quốc, các nước khác như Hoa Kỳ cũng có nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực này, nhưng chưa bao giờ được đưa vào thị trường chính thống! Trung Quốc đã đầu tư nhiều nhân lực và thời gian như Nhật Bản trong lĩnh vực này, nhưng do định hướng chính sách quốc gia và việc kiểm soát thông tin xã hội cùng các lý do khác trong nhiều năm, chất lượng hoạt động của các cảm biến khí bán dẫn phổ biến ở Trung Quốc còn kém xa so với sản phẩm của Nhật Bản. Tôi tin rằng với sự tiến bộ của thị trường và sự gia tăng hơn nữa của vốn tư nhân, đã đến lúc các cảm biến khí bán dẫn do Trung Quốc sản xuất đạt đến và vượt qua trình độ của Nhật Bản!

2. Cảm biến khí loại đốt xúc tác

Cảm biến này được chế tạo bằng cách tạo một lớp xúc tác chịu nhiệt độ cao trên bề mặt điện trở bạch kim, và ở một nhiệt độ nhất định, khí dễ cháy sẽ xúc tác quá trình đốt cháy trên bề mặt điện trở bạch kim. Quá trình đốt cháy làm tăng nhiệt độ của điện trở bạch kim, dẫn đến sự thay đổi điện trở, giá trị thay đổi này là một hàm số của nồng độ khí dễ cháy.

Cảm biến khí đốt xúc tác phát hiện có chọn lọc các khí dễ cháy: Bất kỳ khí nào có thể cháy đều có thể được phát hiện; cảm biến không phản ứng với bất kỳ khí nào không thể cháy. Tất nhiên, có nhiều ngoại lệ đối với câu nói "có thể phát hiện bất kỳ khí nào có thể cháy", nhưng nhìn chung, tính chọn lọc là chính xác. Cảm biến khí đốt xúc tác có ưu điểm là đo lường chính xác, phản hồi nhanh và tuổi thọ cao. Tín hiệu đầu ra của cảm biến liên quan trực tiếp đến nguy cơ cháy nổ trong môi trường, và nó là một loại cảm biến chủ đạo trong lĩnh vực phát hiện an toàn.

Nhược điểm: Trong phạm vi khí dễ cháy, không có tính chọn lọc. Khi hoạt động, lửa có thể bốc cháy và tiềm ẩn nguy cơ hỏa hoạn. Hầu hết các hơi hữu cơ nguyên tố đều độc hại đối với cảm biến. Các nhà cung cấp chính của cảm biến này đến từ Trung Quốc, Nhật Bản và Vương quốc Anh (nước phát minh)! Trung Quốc là nước sử dụng cảm biến này nhiều nhất (mỏ than), và cũng có công nghệ sản xuất cảm biến tốt nhất, mặc dù có nhiều tác nhân tuyên truyền gây nhiễu loạn sự hiểu biết của công chúng về cảm biến này, nhưng xét cho cùng, các nhà sản xuất chính của cảm biến khí đốt xúc tác vẫn ở trong nước.

3. Cảm biến khí kiểu bể dẫn nhiệt

Mỗi loại khí có độ dẫn nhiệt riêng, và khi độ dẫn nhiệt của hai hoặc nhiều loại khí khác nhau đáng kể, hàm lượng của một trong các thành phần có thể được phân biệt bằng phần tử dẫn nhiệt. Cảm biến này đã được sử dụng để phát hiện hydro, phát hiện carbon dioxide và phát hiện metan ở nồng độ cao.

Cảm biến khí có phạm vi ứng dụng hẹp và nhiều yếu tố hạn chế. Đây là một sản phẩm lỗi thời và được sản xuất trên khắp thế giới. Chất lượng sản phẩm trên toàn thế giới tương đương nhau.

4. Cảm biến khí điện hóa

Một phần đáng kể các khí dễ cháy, độc hại và có hại có hoạt tính điện hóa và có thể bị oxy hóa hoặc khử bằng điện hóa. Bằng cách sử dụng các phản ứng này, thành phần khí có thể được phân biệt và nồng độ khí có thể được phát hiện. Cảm biến khí điện hóa có nhiều phân lớp:

(1)Cảm biến khí dựa trên pin sơ cấp (còn được gọi là pin khô, ngoại trừ các điện cực cacbon và mangan của pin được thay thế bằng điện cực khí. Trong trường hợp cảm biến oxy, oxy bị khử ở cực âm, các electron chảy qua điện kế đến cực dương, nơi kim loại chì bị oxy hóa. Độ lớn của dòng điện tỷ lệ thuận với nồng độ oxy. Cảm biến có thể phát hiện hiệu quả oxy, sulfur dioxide, clo, v.v.

(2) Cảm biến khí điện phân điện thế không đổi, rất hiệu quả trong việc phát hiện khí khử, nguyên lý của nó khác với cảm biến tế bào ban đầu, phản ứng điện hóa của nó xảy ra dưới tác dụng của dòng điện, là một cảm biến phân tích Coulomb thực sự. Cảm biến này đã được sử dụng thành công để: Phát hiện carbon monoxide, hydro sunfua, hydro, amoniac, hydrazine và các loại khí khác, là cảm biến chủ đạo để phát hiện các khí độc hại.

(3)Cảm biến khí loại tế bào nồng độ, khí có hoạt tính điện hóa ở hai phía của tế bào điện hóa sẽ tự động hình thành sức điện động nồng độ, độ lớn của sức điện động có liên quan đến nồng độ của khí, ví dụ thành công của cảm biến này là cảm biến oxy cho ô tô, cảm biến carbon dioxide loại điện phân rắn.

(4) Phát minh này liên quan đến cảm biến khí loại dòng điện giới hạn, là cảm biến dùng để đo nồng độ oxy, và sử dụng nguyên lý dòng điện giới hạn trong tế bào điện hóa có liên quan đến nồng độ chất mang để chế tạo cảm biến nồng độ oxy (khí), được sử dụng để phát hiện oxy trong xe và phát hiện nồng độ oxy trong nước thép. Các nhà cung cấp chính của cảm biến này hiện nay có mặt trên toàn thế giới, chủ yếu ở Đức, Nhật Bản, Hoa Kỳ, gần đây đã có thêm một số nhà cung cấp châu Âu mới: Anh, Thụy Sĩ, v.v. Trung Quốc đã bắt đầu sớm trong lĩnh vực này, nhưng quá trình công nghiệp hóa vẫn chưa hiệu quả.

5. Cảm biến khí hồng ngoại

Hầu hết các loại khí đều có đỉnh hấp thụ đặc trưng trong vùng hồng ngoại trung bình, và nồng độ khí có thể được xác định bằng cách phát hiện sự hấp thụ tại vị trí của các đỉnh hấp thụ đặc trưng. Cảm biến này trước đây là một thiết bị phân tích lớn, nhưng trong những năm gần đây, với sự phát triển của ngành công nghiệp cảm biến dựa trên công nghệ MEMS, thể tích của cảm biến này đã giảm từ 10 lít (tương đương 45 kg của một chiếc Big Mac) xuống còn khoảng 2 ml (kích thước bằng ngón tay cái). Việc sử dụng đầu dò hồng ngoại không cần nguồn sáng điều biến giúp thiết bị hoàn toàn không có các bộ phận chuyển động cơ học và không cần bảo trì. Cảm biến khí hồng ngoại có thể phân biệt các loại khí một cách hiệu quả và đo nồng độ khí chính xác.

Cảm biến này đã được sử dụng thành công để: Phát hiện khí carbon dioxide và khí metan. Nhà cung cấp hiện tại của "cảm biến" này đến từ châu Âu! Trung Quốc hiện đang "gần như trống rỗng" trong lĩnh vực này!

6. Cảm biến oxy từ tính

Đây là cốt lõi của máy phân tích oxy từ tính, nhưng nó cũng đã đạt được quy trình "cảm biến".

Nó được điều chế dựa trên nguyên lý rằng oxy trong không khí có thể bị hút bởi một từ trường mạnh.

Cảm biến này chỉ có thể được sử dụng để phát hiện oxy và có độ chọn lọc tuyệt vời. Chỉ có NOx trong khí quyển mới có thể gây ra tác động nhỏ, nhưng vì hàm lượng các khí gây nhiễu này thường rất nhỏ, nên độ chọn lọc của công nghệ phân tích oxy từ tính gần như là độc nhất vô nhị! Đây là sản phẩm công nghiệp đã được khẳng định, với các nhà sản xuất trên toàn thế giới. (Tất nhiên, tôi đang nói về máy phân tích oxy như một thiết bị đo đơn lẻ, có thể được coi là một cảm biến trong một phạm vi nhất định.) Và sản phẩm này, được sản xuất dưới dạng cảm biến thuần túy, là một sản phẩm mới xuất hiện gần đây.

7. Khác

Trong những năm gần đây, với sự xuất hiện liên tục của các công nghệ mới, công nghệ cảm biến khí cũng đang trải qua một cuộc cách mạng tương ứng. Sự đa dạng của các loại cảm biến khí cũng ngày càng được mở rộng. Tuy nhiên, việc một số cảm biến có nên được xếp vào loại cảm biến khí hay không vẫn còn gây tranh cãi, ví dụ: máy dò PID, mặc dù cũng được sử dụng để phát hiện khí, và mặc dù kích thước rất nhỏ, nhưng vì không thể thực sự hoạt động không cần bảo trì, do đó, loại thiết bị này, dù kích thước nhỏ đến đâu, cũng nên được xếp vào loại "thiết bị dò".

Ngoài ra, các cảm biến quang học dựa trên sợi quang đang phát triển nhanh chóng, và mặc dù chúng không phải là "mối đe dọa" tuyệt đối đối với các cảm biến điện tử, nhưng những ưu điểm độc đáo của chúng một ngày nào đó có thể rất nổi bật. Cuối cùng, vì mục đích thương mại riêng, những người kinh doanh cảm biến khí đôi khi phóng đại khả năng của một loại cảm biến cụ thể và nhầm lẫn trong việc phân loại cảm biến, điều này không có lợi cho việc ứng dụng đúng đắn các cảm biến khí bởi người dùng. Trên thực tế, việc ứng dụng cảm biến cũng là một vấn đề quan trọng như việc sản xuất cảm biến.