Cảm biến Oxy

Tổng quan chung:

• Tất cả các cảm biến oxy hóa chất với tính năng là tự cấp nguồn, phân tán giới hạn, kiểu pin kim loại- không khí (metal-air battery) bao gồm điện cực dương cấu tạo bằng miếng băng PTFE phẵng được phủ một lớp chất xúc tác hoạt hóa, điện cực âm là một khối kim loại chì. Bên ngoài là lớp vỏ bọc kín khí ngoại trừ một mao mạch nhỏ ở phía trên của cảm biến, tại cổng mao mạch này cho phép oxy tiếp cận với điện cực đang hoạt động. Hai điện cực được kết nối, đến các chân bên ngoài của cảm biến và cho phép cảm biến được kết nối với thiết bị đo lường điện tử. Toàn bộ cảm biến chứa đầy chất điện phân dẫn điện cho phép truyền các ion giữa các điện cực (xem hình 1).

Hình 1
 

Tốc độ mà ôxy có thể xâm nhập vào tế bào được kiểm soát bởi kích thước của lỗ mao dẫn ở phía trên của cảm biến. Khi oxy đến điện cực làm việc, nó ngay lập tức sản sinh ra các ion hydroxyl:
O₂ + 2H₂O + 4e^-  4OH^-
Các ion hydroxyl này di chuyển qua chất điện phân tới cực dương chì nơi chúng được tham gia vào quá trình oxy hóa kim loại tạo ra oxit tương ứng của nó.
2Pb + 4OH^-  2PbO + 2H₂O + 4e^-
Khi hai quá trình trên diễn ra, một dòng điện được tạo ra có thể đo được từ bên ngoài bằng cách cho nó chạy qua một điện trở đã biết thông số và đo điện áp rơi trên điện trở đó. Kể từ khi dòng điện sinh ra tỷ lệ thuận với tốc độ phản ứng xảy ra, phép đo của nó cho phép xác định chính xác nồng độ oxy.

Khi phản ứng điện hóa dẫn đến quá trình oxy hóa điện cực dương chì, nên các cảm biến này có tuổi thọ giới hạn. Một khi tất cả các chì có sẵn đã bị ôxy hóa thì chúng không còn hoạt động nữa. Thông thường cảm biến oxy có thời gian sống 1 - 2 năm, tuy nhiên điều này có thể được kéo dài bằng cách tăng kích thước của anode hoặc hạn chế số lượng oxy được vào anode.

CẢM BIẾN OXY ÁP SUẤT RIÊNG PHẦN VÀ MAO DẪN

Hãng sản xuất City Technology tạo ra hai loại cảm biến oxy khác nhau theo cơ chế giới hạn sự khuếch tán khí vào cảm biến. Một loại, khí đi vào thông qua một lỗ mao quản nhỏ ở phía trên của cảm biến và loại khác sử dụng một màng rắn thông qua đó khuếch tán khí. Loại mao dẫn đo nồng độ oxy và cảm biến màng rắn đo áp suất riêng phần của oxy.
Dòng điện được tạo ra bởi một cảm biến oxy kiểm soát mao dẫn tỷ lệ thuận với phần thể tích (tức là thể tích%) của oxy hiện tại và điều này là độc lập với tổng áp suất khí. Tuy nhiên, nếu áp suất khí thay đổi đột ngột, thì cảm biến oxy sẽ tạo ra dòng điện nhất thời có thể gây ra các vấn đề nếu không được kiểm soát chính xác. Điều này cũng có thể xảy ra khi CiTiceL® phải chịu các xung áp suất lặp lại, ví dụ, với nguồn cung cấp khí bằng máy bơm. Hành vi này có thể được giải thích như sau:

ÁP SUẤT NHẤT THỜI

Khi một cảm biến oxy mao dẫn bị tăng hoặc giảm áp suất đột ngột, khí được đẩy qua hàng rào mao dẫn (dòng chảy lớn). Điều này dẫn đến một dòng khí tăng cường (hoặc giảm) đi vào trong cảm biến và do đó một dòng điện quá độ xuất hiện trên tín hiệu đo được. Dòng nhất thời nhanh chóng mất đi một khi điều kiện khuếch tán được tái lập và kết thúc xung áp lực. Những dòng quá độ này có thể gây ra các báo động trên các công cụ đo lường và do đó City Technology đã tích cực tìm kiếm các phương pháp để giảm hiệu ứng này.

Tất cả các cảm biến oxy mao dẫn của City Technology đều được trang bị cơ chế chống dòng số lượng lớn, được mô tả trong hình 2 bên dưới. Về cơ bản, thay đổi áp suất có thể được 'làm giảm' bằng cách bổ sung thêm một màng chống thấm PTFE bổ sung làm giảm độ lớn của hiệu ứng quá độ. Màng này được giữ chặt thông qua mao dẫn bằng nắp nhựa hoặc khuôn nhựa. Điều chỉnh thiết kế này dẫn đến giảm đáng kể tín hiệu quá độ.

Hình 2 - Màn Bulk flow trên cảm biến mao dẫn

CẢM BIẾN OXY ÁP SUẤT RIÊNG PHẦN:
Kiểm soát mao dẫn khuếch tán khí không phải là phương pháp duy nhất để hạn chế tốc độ oxy vào. Cũng có thể sử dụng màng nhựa rất mỏng trên đầu cảm biến - màng hoạt động như một rào cản vững chắc trong đó các phân tử oxy phải hòa tan để đến được điện cực cảm biến (hình 3).

Hình 3 - Màn rắn (áp suất riêng phần) cảm biến oxy
Thông lượng oxy đến điện cực làm việc phụ thuộc vào gradient áp suất từng phần của oxy qua hàng rào. Điều này có nghĩa là tín hiệu đầu ra từ cảm biến tỷ lệ thuận với áp suất riêng của oxy trong hỗn hợp khí. Do đó, bất kỳ thay đổi nào về áp suất khí quyển sẽ dẫn đến sự thay đổi tương đương về dòng đầu ra của tế bào. Điều quan trọng là đặc điểm này được xem xét khi thiết kế các dụng cụ đo để đảm bảo áp suất ngược không được áp dụng cho các cảm biến khi sử dụng nguồn cấp khí từ bơm.
City Technology sản xuất hai loại cảm biến áp suất oxy một phần cho các ứng dụng ô tô (AO2 / AO3) và y tế (MOX), nơi đáp ứng tuyến tính và phạm vi 0-100% đạt được với các cảm biến màng rắn là có lợi.

ĐỘ TUYẾN TÍNH

Tín hiệu từ một cảm biến oxy kiểm soát mao dẫn là phi tuyến tính và sau mối quan hệ sau với nồng độ oxy riêng phần (C);

Tín hiệu = hằng số * ln [1 / (1-C)]
Trong thực tế, đầu ra từ các cảm biến có hiệu quả tuyến tính lên đến 30% oxy và chỉ có nồng độ oxy cao hơn nguyên nhân gây khó khăn đo lường này. Ngược lại, các cảm biến áp suất riêng phần cung cấp một đầu ra tuyến tính lên đến 100% oxy (hoặc 1,0 nồng độ oxy riêng phần).

NHIỆT ĐỘ

Cả hai cảm biến oxy mao dẫn và màng rắn đều nhạy cảm với những thay đổi về nhiệt độ; nhưng với các mức độ khác nhau.

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất của một cảm biến oxy hàng rào mao dẫn là tương đối nhỏ, và thường thay đổi nhiệt độ từ + 20 ° C đến -20 ° C sẽ dẫn đến mất 10% tín hiệu đầu ra. Ngược lại, nhiệt độ có tác dụng lớn hơn nhiều đối với cảm biến oxy màng tế bào rắn. Sự khuếch tán khí trên màng là một quá trình được hoạt hóa và kết quả là có hệ số nhiệt độ lớn. Thông thường nhiệt độ thay đổi 10 ° C tăng gấp đôi tín hiệu đầu ra từ cảm biến. Cảm biến oxy màng tế bào rắn yêu cầu bù nhiệt độ và kết quả là nhiều oxy CiTiceLs® có các bộ cảm biến nhiệt được thiết kế.

QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG

Điều quan trọng trong thiết kế của bất kỳ cảm biến khí điện hóa nào là bước giới hạn tốc độ phải là sự khuếch tán khí qua hàng rào (màng hoặc mao mạch) và tất cả các giai đoạn khác phải có tốc độ nhanh hơn đáng kể. Để đạt được điều này, điều quan trọng là vật liệu điện cực có hoạt tính xúc tác cao cho các phản ứng điện hóa của cảm biến.

Tất cả CiTiceLs® có điện cực hoạt động cao dẫn đến cảm biến với trữ lượng hoạt động rất cao. Đây là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định lâu dài của cảm biến và mức độ trôi dạt thấp.