산소 센서 유형

오늘날의 산소 분석기는 여러 종류의 산소 센서 중 하나를 사용합니다. 산업 공정 어플리케이션 에서 향상된 측정 정확도와 반복성이 요구됨에 따라 사용자는 최소한의 유지 보수 및 교정이 가 능한 분석기를 요구하고 있습니다. 이를 위해 산소 분석기 사용자는 의도된 용도에 맞게 특정 산 소 센서 유형의 장점을 평가하는 것이 좋습니다. 범용 산소 센서 타입은 없습니다. 아래와 같은 다양한 산소 센서에 대한 검토는 산소 분석기 제조업체에서 수집한 정보와 함께 이 뤄져야합니다. 이 조합은 고려중인 환경에 적합한 센서 유형을 선택하는데 도움을 줍니다.

• 주변 온도 전기화학적 산소 센서(Ambient Temperature Electrochemical Oxygen Sensors)

• 파라마그네틱 산소 센서

• 폴라로그래픽 산소 센서

• 지르코늄 산소 센서

주변 온도 전기 화학적 산소 센서

일반적으로 갈바닉 센서(galvanic sensor)라 부르는 전기화학적 산소 센서는 전반적으로 작고, 부 분 밀봉된 원통형 장치(직경 1-1/4”, 높이 0.75”)로 일반적으로 수산화 칼륨이라 불리는 수성전 해질에 침지 된 두 개의 서로 다른 전극을 가지고 있습니다. 센서의 한 쪽 면에 설치된 반투막을 통해 산소 분자가 확산됨에 따라 산소 분자가 음극에서 환원되어 양전하를 띄는 수산기 이온을 형성합니다. 히드록실 이온은 산화 반응이 일어나는 센서 양극으로 이동한다. 생성된 환원/산화 반응은 샘플 가스 내의 산소 농도에 비례하는 전류를 발생시킨다. 생성된 전류는 외부 전자 장치 로 측정 및 조절되며 % 또는 ppm 농도로 디지털 패널 미터에 표시됩니다. 기계 설계의 향상, 전 극 재료의 개선 및 향상된 전해질 배합으로 갈바닉 산소 센서는 이전 버전보다 긴 수명을 제공하 며 % 및 ppm 산소 범위에서 정확성을 인정 받았습니다. 응답 시간도 향상되었습니다. 하지만 전 기화학 센서의 주된 한계점은 황화수소, 염화수소, 이산화황 등과 같은 산성 가스 종이 함유된 시료에 사용될 시 손상되기 쉽다는 점 입니다. 분석하기 전에 문제의 가스 성분을 제거하지 않으 면 센서의 수명은 크게 단축됩니다. 또한 갈바닉 센서는 과도한 압력에 취약합니다. 샘플 압력이 5 psig를 초과하는 경우에는 일반적으로 압력 조절기 또는 제어 밸브를 권장합니다.

파라마그네틱 산소 센서

이 카테고리에서는 자기 역학 또는 '덤벨'유형의 센서가 주를 이룹니다. 산소는 질소, 헬륨, 아르 곤 등과 같이 다른 가스와 비교할 때 상대적으로 높은 자화율(a relatively high magnetic susceptibility)을 가지며 파라마그네틱 행동(a paramagnetic behavior)을 나타낸다. 파라마그네틱 산소 센서는 내부에 작은 유리 덤벨이 있는 원통 모양의 용기로 구성됩니다. 덤벨은 질소와 같은 불활성 가스로 채워져 있고 불균일한 자기장 내에서 팽팽한 백금 와이어에 매달려있다. 덤벨은 와이어에 매달려 있을 땐 자유롭게 움직일 수 있도록 설계되었습니다. 산소를 포함한 샘플 가스 가 센서를 통과할 때, 산소 분자는 두 개의 자기장 중 강한 쪽으로 끌어 당겨진다. 그로 인해 덤 벨의 변위가 발생하고 덤벨이 회전하게 됩니다. 광원, 포토 다이오드 및 증폭기 회로로 구성된 정밀 광학 시스템은 덤벨의 회전 각도를 측정하는데 사용됩니다. 일부 파라마그네틱 산소 센서는 덤벨을 정상 위치로 복원하기 위해 상반 전류가 적용됩니다. 덤벨이 정상 위치를 유지하기 위해 필요한 전류는 산소 분압에 정비례하며 전자적으론 산소%로 표시됩니다. 자기 역학적 파라마그 네틱 산소 센서는 다양한 제조업체들로 인해 설계의 변화가 있었습니다. 또한 열 자기 (thermomagnetic), ‘자기풍’(magnetic wind) 타입 및 자기공압 센서를 포함해 자기장에 산소의 감 수성(the susceptibility of oxygen)을 사용하는 유형의 센서도 개발되었습니다. 일반적으로 파라마 그네틱 산소 센서는 응답 시간이 매우 좋으며 소모품을 사용하지 않아 일반적인 조건에서 센서 수명이 좋습니다. 또한 1 ~ 100 % 산소 범위에서 우수한 정밀도를 제공합니다. 자기 역학 센서는 매우 섬세하고 진동 및/또는 위치에 민감합니다. 일반적으로 측정 감도가 손실되기 때문에 파라 마그네틱 산소 센서는 ppm에 권장되지 않습니다. 자화율을 나타내는 가스는 상당한 측정 오차를 발생시킬 수 있습니다. 그러므로 파라마그네틱 산소 센서 및 분석기 제조 업체는 이러한 간섭 가 스에 대한 세부 정보를 제공해야합니다.

폴라로그래픽 산소 센서

폴라로그래픽 산소센서는 클라크 셀(Clark Cell) [J. L. Clark (1822- 1898)]로도 언급합니다. 이 타 입의 센서는 양극(일반적으로 은)과 음극(일반적으로 금)이 염화칼륨의 수성 전해질에 침지 됩니 다. 전극은 센서로 산소를 분산시키는 메커니즘을 제공하는 반 투과성 막으로 샘플과 분리됩니다. 은 양극은 금 음극에 대해 0.8 V(편극화 전압)의 전위로 유지됩니다. 산소 분자는 패러데이의 법 칙에 따라 산소 농도에 정비례하는 전류의 흐름과 함께 전기화학적으로 소비됩니다. 센서에서 생 성된 전류 출력을 전자식으로 측정하고 증폭시켜 %산소 측정에 제공됩니다. 폴라로그래픽 산소 센서의 장점 중 하나는 작동불능 상태인 동안 전극(anode)이 소모되지 않는 점 입니다. 갈바닉 산소센서와 유사하게 위치에 민감하지 않습니다. 폴라로그래픽 산소 센서의 독특한 디자인으로 인해, 액체내 용존 산소 측정을 위해서만 선택되는 센서 입니다. 기체의 산소 측정의 경우 폴라 로그래픽 산소 센서는 %산소 측정에만 적합합니다. 센서막과 전해질을 유지하는 문제점과 마찬 가지로 센서교체 빈도수가 상대적으로 높은 것이 잠재적 단점입니다. 폴라로그래픽 산소 센서의 변형은 일부 제조업체들이 언급하기론 두 개의 비슷한 전극이 수산화 칼륨으로 구성된 전해질에 잠겨있는 비 소모성 전기량 센서라고 합니다. 일반적으로 환원/산화 반응의 구동 메커니즘으로 작용하는 두 전극 사이에 1.3 VDC의 외부 EMF가 인가됩니다. 이 반응으로 인해 전류는 샘플가 스의 산소 농도에 정비례합니다. 다른 센서 타입과 마찬가지로 센서에서 파생된 신호는 증폭되고 조절됩니다. 기존의 폴라로그래픽 산소 센서와 달리, 이 센서는 % 및 ppm으로 모두 사용 가능합 니다. 하지만 지르코늄 센서와 달리, 하나의 센서로 높은 %레벨과 ppm을 동시 측정할 순 없습니 다. 이 센서의 한 가지 주요 이점은 산소를 10억 분의 1 수준으로 측정할 수 있는 점 입니다. 센 서는 위치에 민감하며, 경우에 따라선 대체품이 다른 센서의 전체 분석기와 동등한 가격 수준으 로 비용이 나올 수 있습니다. 또한 산소 농도가 25%를 초과하는 환경에선 권장하지 않습니다.

지르코늄 산화물 산소 센서

이 유형의 센서는 종종 "고온"전기 화학 센서로 불리우며 Nernst 원리[W. H. Nernst (1864-1941)] 에 기초합니다. 지르코늄 센서는 일반적으로 산화 이트륨으로 안정화된 산화 지르코늄을 이용해 제조된 고체 전해질을 사용합니다. 지르코늄 프로브는 센서 전극 역할을 하는 백금이 반대편에 도금되어 있습니다. 지르코늄 센서가 제대로 작동하려면 약 650 ℃까지 가열해야 합니다. 이 온 도에선 분자에 기초해 지르코늄 격자는 다공성이 되고, 산소 분압에 의해 산소 이온은 고농도 산 소에서 저농도로 이동하게 된다. 이런 부분 차압을 생성하기 위해 하나의 전극은 대게 공기(20.9% 산소)에 노출되는 반면, 다른 전극은 샘플 가스에 노출됩니다. 지르코늄을 가로지르는 산소 이온 의 이동은 두 전극 사이에서 전류를 생성하고, 그 크기는 기준 가스 및 샘플 가스에 의해 생성된 산소 분압 차에 기초합니다. 지르코늄 산소 센서는 우수한 반응시간을 가집니다. 또 다른 장점은 동일한 센서가 100%의 산소 뿐만 아니라 10억 분의 1 수준의 농도를 측정하는데 사용 가능하다 는 점 입니다. 작동 온도가 높기 때문에 온/오프 작동으로 센서 수명이 단축 될 수 있습니다. 구 성 재료와 관련된 팽창 계수는 일정한 가열 및 냉각으로 인해 종종 “센서 피로”가 발생합니다. 지르코늄 산소 센서의 주요 한계점은 샘플 가스에 환원 가스(탄화수소 종류, 수소 및 일산화탄소) 가 존재하는 경우 ppm 측정에 부적합하다는 것 입니다. 650 ℃의 작동온도에서 환원 가스는 산 소와 반응해 측정 전에 소비하므로 실제 산소 측정값보다 낮습니다. 오차 크기는 환원 기체의 농 도에 비례합니다. 지르코늄 산소 센서는 실제 연소 조절 분야(in-situ combustion control applications)를 위한 “사실상의 표준” 입니다.

다른 유형의 산소 측정 기술이 개발 중이며 특정 응용분야에 사용되는 경우도 있습니다. 여기엔 발광 분극(luminescence polarization), 광 화학 센서(opto-chemical sensors), 레이저 가스 센서 등이 포함됩니다. 이러한 기술이 더 발전되고 향상됨에 따라, 현재 사용 중인 산소 센서들의 대 안이 될 수 있습니다.