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| Systechillinois - Electrochemical Sensor 란? |
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| 작성자: admin 2021-11-22 10:56:36 | 462 |
| 첨부: Electrochem_98.pdf (166.5 KB) |
 Systechillinois - Electrochemical Sensor (전기화학센서) 란? 전기화학식 센서는 연료전지로도 알려져 있는데, 가스나 혼합가스에 함유된 산소의 % 또는 ppm 레벨로 측정 가능합니다. 수소나 수소가 함유된 대기에서 측정하기 위하여 이러한 셀 타입의 기종도 사용 가능합니다. 셀 하우징 타입은 상당히 많으므로 셀을 선택한 용도로 사용하기 위해 최적화할 수 있습니다.
작동 원리 모든 전기화학식 산소센서는 양극, 반고체상태의 전해질 페이스트 및 공기 양극으로 구성된 자체 전원형, 확산 제한, 금속-공기 전지 타입입니다. 셀은 두 개의 전극, 활성 촉매가 있는 편평한 PTFE 테이프, 음극 및 리드 블록(양극)이 들어 있는 동봉함으로 구성 되어 있습니다. 동봉함은 산소가 셀에 들어갈 수 있는 양을 조절하는 작은 모세관으로부터 분리되어 밀봉되어 있습니다.
.png) 산소는 음극과 접촉해 있는 모세관을 통해 들어 가며, 그 즉시 감소되어 수산화이온이 됩니다.
O2 + 2 H2O + 4 e-- 4 OH -- (1)
이 때 이 수산화이온은 전해질을 통해 납 양극으로 이동합니다. 수산화이온은 납 양극과 반응하여 산화납으로 변합니다. 2 Pb + 4 OH -- 2 PbO + 4 e-- + 2 H2O (2)
이 두 가지 과정이 발생하기 때문에 전류가 발생하여 측정기로 측정할 수 있습니다. 이 전류는 산소 농도에 비례하며 정확한 산소의 양을 확인할 수 있게 됩니다. 센서 수명 전기화학적 반응은 납 양극을 산화시키기 때문에, 셀의 전기적/화학적 특성은 주기적으로 교정할 필요가 있을 정도로 변합니다. 또한 납 양극의 산화는 센서의 수명이 제한적이라는 것을 의미하며, 일단 모든 가용한 납은 산화되면 셀은 더 이상 출력을 낼 수 없어 반드시 교체해야 합니다. 결과적으로 센서가 노출되는 산소 레벨이 낮을수록 센서는 더 오래 작동하게 됩니다.
낮은 산소 레벨을 측정하는 Systech의 ppm 셀은 사용수명이 3년 이상이나 됩니다. % 셀은 공기를 측정하기 때문에 사용수명은 약 5년입니다. 가스의 일부 성분은 산화도를 증가시키거나, 다른 납 화합물을 형성하여 센서의 사용수명을 단축시킵니다. CO2와 Cl2이 해당됩니다. 이러한 가스를 함유하고 있는 가스 기류는 가능하면 피해야 합니다.
농도 또는 부분압력
Systech의 모든 전기화학식 셀은 모세관현상에 의한 확산을 이용하여 산소 농도를 측정합니다. 멤브레인 타입 확산 배리어는 부분압력을 측정합니다.
압력 영향
셀에서 생성된 전류는 산소의 부피분율에 비례하며 가스의 압력에는 영향을 받지 않습니다. 하지만 예를 들어, 펌프에 의한 압력으로 작은 변화나 작은 압력 펄스에 셀이 영향을 받는다면, 과도 전류가 발생할 수 있어 분석기에 표시된 산소 측정값이 변하는 것을 알게 됩니다.
압력이 변하면, 가스는 모세관 배리어를 강제로 통과하게 됩니다(용적류로 알려져 있음). 그 결과 셀로 이동하는 가스의 유동이 크거나 작게 되고 출력신호에 과도전류가 발생하게 됩니다. 일단 압력 펄스가 끝나고 확산 환경이 재설정되면 과도전류는 신속히 안정됩니다. Systech 셀에는 용적류 방지 장치가 장착되어 되어 있는데, 압력 변화를 약화시키면 과도전류의 신호는 상당히 감소됩니다.
일부 펌프는 셀에 압력 펄스를 가할 수 있는데, 용적류 방지 장치로 견뎌낼 수 있으며 산소 측정값은 높게 나오게
됩니다. 이 경우에서 샘플 시스템에서 펄스를 최소화하도록 설계할 필요가 있습니다.
압력 펄스가 충분하게 크다면, 셀 배리어가 파열되며 종종 셀에서 전해질이 누설되는 현상이 발생합니다. 1 Bar처럼 낮은 압력은 제대로 적용하지 않을 경우 과도한 압력을 발생시킬 수 있습니다. 따라서 이로 인한 손상이 발생할 경우 Systech 보증범위에 포함되지 않으니 셀에 과도한 압력이 발생하지 않도록 주의를 해야 합니다.
온도 영향
전기화학식 셀은 온도에 대해 민감합니다. 하지만 그 영향은 상대적으로 적습니다. +20 ℃에서 –20 ℃까지 온도가 변하면 출력신호 중 약 10%가 손실됩니다. 온도 변화에 따른 영향을 최소화하기 위하여 예를 들어, 900 시리즈의 경우 온도 보상 기능이 내장되어 있으며 다른 모델의 측정기는 온도 보상 기능을 추가할 수 있습니다.
선형성
Systech 셀에서 나오는 출력은 다음과 같습니다.
O/P = constant * ln[1/(1-C)]
여기서C는 산소의 농도 분율입니다. 실제로 셀에서 나오는 출력은 30% 산소까지 효율적으로 선형을 나타냅니다. 산소 농도가 30% 이상이 되면 비선형성과 사용수명 감소 둘 모두의 이유로 문제점이 발생할 수 있습니다.
안정성과 표류
셀은 반응에 대한 셀의 속도가 모세관을 통한 확산에 충분해야 하며, 공정의 다른 모든 단계에서 현저히 신속해야 할 정도로 설계가 되어야 합니다. Systech 셀에는 고도의 활성 전극이 있어 셀의 활동 범위가 넓습니다. 바로 탁월한 오랜 기간의 안정성 유지와 낮은 표류를 보증하는 이유입니다.
수소 셀
수소 셀은 수소 교차 간섭을 낮추도록 특별히 설계되었습니다. 이 셀은 수소와, 수소가 함유된 가스기류 또한 에틸렌과 같은 가스에 사용해야 합니다.
수소 셀은 예를 들어 질소와 같이 다른 어떤 종류의 가스기류라도 사용할 수 있습니다. 하지만 신호 출력이 낮기
때문에 정확한 측정값을 표시하기 위하여 측정기를 부분 변경할 필요가 있습니다.
캐리어 가스의 분자 무게에 대한 보정
캐리어 가스나 배경 가스의 분자 무게는 산소가 모세관을 통해 셀에 들어갈 수 있는 비율에 영향을 미치는데, 캐리어 가스에 따라 같은 산소 농도에 대해 다른 전류 출력이 발생합니다. 이 차이에 대한 보정은 측정 캐리어 가스가 교정 캐리어 가스와 차이가 난다면 할 필요가 있습니다.
오차는 캐리어 가스의 분자 무게에 따라 달라집니다. 일부 예에서 분자의 무게는 다음과 같습니다. 질소 - 28.02
수소 - 2.02
알곤 - 39.91
헬륨 - 4.00
하나의 캐리어 가스를 사용하여 보정하고 다른 캐리어 가스로 측정할 경우, 오차의 크기를 쉽게 계산할 수 있으며 보정된 산소의 농도를 알 수 있습니다. 공식은 다음과 같습니다.
O2 = 측정값/ √ (Cmwt/Mmwt)
(O2 – 산소 측정값)
(측정값 – 측정기에 표시된 측정값)
(Cmwt – 보정용으로 사용한 캐리어 가스의 분자 무게)
(Mmwt – 측정용으로 사용한 캐리어 가스의 분자 무게)
예를 들어, N2(또는 공기)에서 교정한 측정기로 수소에서 산소를 측정한 값이 12 ppm입니다. 가스의 산소 참 농도는 다음과 같습니다. 12 ppm/ √ (28.02/2.02) = 3.2 ppm.
이 오차에 대해 측정값을 보정하려면 수많은 방법이 있습니다. [1] 측정기를 평소대로 교정하고 위의 공식을 사용하여 참 측정값을 계산합니다.
[2] 공식을 사용하여 교정 가스값을 보정하여, 측정기를 교정하는 동안 그 값으로 설정합니다. 그런 다음 측정기에서 보정값을 확인합니다.
예를 들어, N2(또는 공기)를 사용하여 교정한 다음 수소에서 산소를 측정합니다.
공기에는 20.9% O2가 함유되어 있어 공식을 적용하면 수소 측정값은 다음과 같습니다.
20.9%/ √ (28.02/2.02) = 5.61%
따라서 측정기는 질소로 교정했을 때 값이 5.61%로 설정되며 수소에서 산소를 측정할 때 정확하게 측정값을 확인할 수 있습니다. [3] 정확한 캐리어 가스가 들어 있는 교정 실린더를 사용합니다.
가스 혼합물이 포함된 캐리어 가스를 사용할 경우, 분자 무게는 가스의 비율을 합하여 계산할 수 있습니다. N2 50%,알곤 30% 그리고 헬륨 20%가 혼합되어 있으면 분자 무게는 다음과 같습니다.
질소 알곤 헬륨 합계
(0.5 x (28.02)) + (0.3 x (39.91)) + (0.2 x (4)) = 26.8
이 수치는 앞에서 제시한 공식에서 사용할 수 있습니다. 주: 캐리어 가스를 변경하면 셀을 충진하는 시간이 더 걸리게 됩니다. 따라서 측정하기 전에 안정적인 측정값에 도달하도록 분석기에 충분한 시간을 부여해야 합니다.
측정 기류에 수용 가능한 가스
전기화학적 셀은 측정이 필요한 가스 기류에서 많은 부품에 대해 큰 내성을 갖고 있습니다. 이 특성으로 이와 같은 분석기가 탄화수소, 용해로 및 납땜 오븐 등 많은 오염물질이 발생하는 장소에 특히 적합합니다. 하지만 어떤 화합물은 셀의 작동을 방해하고 다른 화합물은 셀의 부품과 반응하여 셀의 수명을 단축시킵니다.
용제는 특히 문제가 있는데, 종종 셀의 재질에 공격을 가하여 모세관을 부풀게 하고 산소가 셀에 도착하지 못하게 합니다. 용제가 포함된 가스 기류는 피해야 합니다. 산성 가스는 전해질의 작용을 간섭할 수 있는데 산소를 정확하게 측정하지 못하도록 방해가 될 수 있습니다. 산성이나 부식성 화합물이 함유된 가스 기류 또한 피해야 합니다.
아래는 Systech 연료 셀을 사용하여 성공적으로 측정할 수 있는 가스와 문제가 있는 것으로 알려진 가스 에 대한 일부 대상 목록입니다.
수용가능 가스 특별한 주의를 요하는 가스 회피대상 가스
질소 이산화탄소 염소(Cl2)
알곤 (저농도에만 해당) 암모니아
헬륨 아세트알데히드*
수소* 일산화탄소* 에틸렌 글리콜*
크세논 (셀 수명 단축) 포름알데히드*
SF6 염화비닐*
부타디엔* 메틸-디옥시란*
에틸렌* 황화수소(H2S)
아세틸엔*
* H2 셀 사용 * 농도가 5 ppm 이하면 수용가능
위의 목록에 없는 가스에 대한 적용 여부는 Systech로 문의하시기 바랍니다.
적용 분야 Systech 전기분해식 분석기는 산업용 가스 생산자, 산업용 가스 사용자 및 안전 모니터링용도로 사용됩니다.
가스 생산자 - 산소 불순도 측정을 위한 품질보증용. 가스 소비자 - 불활성 가스막의 신뢰성 보증용.
- 생산 재료로 사용되는 가스의 품질 보증용.
- 납땜 오븐, 용광로 및 제조공정에서 산소량의 모니터링 및 제어용
안전 모니터링 - 산소 결핍이 발생할 수 있는 작업 환경에서 충분한 산소의 용존 보증용.
적용 분야는 적용 가이드에 보다 자세히 설명되어 있습니다. |
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