기술자료
HOME > 자료실 > 기술자료
| Systechillinois - Zirconia Oxygen Sensor 란? |
|---|
| 작성자: admin 2021-11-23 11:10:29 | 1,877 |
| 첨부: Zirconia_982.pdf (173.5 KB) |
.png) 지르코니아 산소 센서란? 지르코니아 산소 분석기는 가스나 혼합가스에 함유된 산소를 ppm에서 % 레벨까지 측정하는데 적합합니다. 지르코니아 셀은 산화지르코늄을 안정화시키는 이트륨이 포함된 고온 세라믹 센서가 탑재되어 있습니다. 측정기 내에 있는 지르코니아 셀은 감지 셀에서 나오는 신호를 처리하는 전자장치와 함께 온도제어로에 장착되어 있습니다. 일반적으로 측정결과는 산소 농도를 0.01 ppm에서 100%로 디지털 디스플레이를 통해 바로 표시됩니다.
이론
지르코니아 셀은 고온 세라믹 센서입니다. 전기 전도성이며 화학적 불활성인 두 개의 전극이 솔리드 전해질 튜브의 양쪽에 하나씩 부착되어 있습니다. 다음 페이지에 있는 그림 1에 간략히 나타나 있습니다. 튜브는 가스 기밀이 완벽하게 되어 있으며 세라믹(안정화된 산화지르코늄)으로 제작됩니다. 작동 온도에서 산소 이온에 의하여 전도성을 띱니다. (주: 이 센서 타입은 전해질 전도체로서 활동을 시작하기 전에 온도가 450 ℃ 이상이 되어야 합니다.) 셀 전체의 전위차는 다음의 네른스트 식(Nernst equation)으로 계산합니다.
 식에서,
E 전위차(전압)
R 가스 상수(8.314 J mol-1 K-1)
T 절대 온도(K)
F 패러데이 상수(96484 coulomb mol-1)
P1&P2 지르코니아 튜브의 양쪽 각각에 가해지는 산소의 부분 압력
따라서, 네른스트 식을 다음과 같이 간단하게 할 수 있습니다.  이와 같이 전극 한쪽에 가해지는 산소의 부분압력을 알고 센서의 온도를 제어한다면, 두 전극 사이의 전위차
측정으로 미지의 부분압력을 계산할 수 있습니다.
참고
가스의 부분 압력은 혼합 가스에서 성분의 몰 농도(molar concentration)와 혼합 가스의 전체 압력을 곱한 것
과 같습니다.
PO2=CO2P2 식에서,
PO2 = 산소의 부분압력 CO2 = 산소의 몰 농도
P2 = 전체 압력
예. 대기중 공기는 CO2 = 20.9% P2 = 1 atmosphere
PO2 = 0.209/100 x 1
PO2 = 0.209 atmospheres
작동 원리
Systech 측정기에서 사용하는 지르코니아 셀은 다공성 백금 전극이 있는 세라믹 센서와 같이 산화이트늄으로 안정화된 산화지르코늄으로 제작합니다. 이 셀의 구조는 그림 1과 같습니다.
 그림 1. 지르코니아 기질의 단면 확대 모습
산소분자는 다공성 백금 전극에서 이온화됩니다. PtO → Pt + ½ O2
½ O2 + 2e- → O2-
셀의 양쪽에 부착되어 있는 백금 전극은 산소 분자 O2가 산소 이온으로, 산소 이온이 산소 분자로 변할 수 있는 촉매 표면을 제공합니다. 셀의 고농도 기준가스 쪽에 있는 산소 분자는 전자를 얻어 전해질로 유입되는 이온이 됩니다. 이와 동시에, 다른 전극 쪽에 있는 산소 이온은 전자를 상실하여 산소 분자처럼 전극의 표면에서 방출됩니다.이 가스의 산소량과 이에 따른 산소의 부분 압력과는 차이가 있습니다. 따라서 산소 이온이 생성되는 비율과 각 전극에서 산화지르코늄 전해질에 들어가는 비율은 다르게 됩니다. 산화지르코늄은 산화 이온의 이동을 허용하기 때문에, 전해질 내에서 각 방향으로 움직이는 수많은 이온은 산소의 이온화와 각 전극에서 전해질로 유입되는 비율에 따라 달라지게 됩니다.
이 이온의 이동체계는 복잡합니다. 하지만 산화이트늄으로 처리한 산화지르코니아 격자세공에 있는 공공과 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다. 전해질 내에서 산소가 이동하게 되면 두 전극에서 산소의 부분 압력에 따라 한쪽 방향으로 순수하게 이온이 흐르게 됩니다. 네른스트 식으로 나타내면 다음과 같습니다.
.png) If P1>P2, 이온 흐름은 P1에서 P2로 이루어지게 됩니다, 즉 양의 E.M.F.
If P1<P2, 이온 흐름은 P2에서 P1로 이루어지게 됩니다, 즉 음의 E.M.F.
If P1=P2, 이온의 순수 흐름은 없게 됩니다. 즉, 영의 E.M.F.
지르코니아 분석기에서는 네른스트 식을 다음과 같이 씁니다.  분석기는 20.9%의 일정한 산소 농도를 가진 공기를 기준으로 사용합니다. 그리고 지르코니아 셀은 650 ℃(923 K)까지 제어하는 로의 안쪽에 장착되어 있습니다. 따라서 네른스트 식을 다음과 같이 간략하게 쓸 수 있습니다.  분석기는 산소의 부분압력을 전자적으로 계산하고 미지의 산소농도를 가진 샘플 가스의 산소 농도를 계산합니다. 지르코늄 셀 전극 전체에서 발생하는 전위차 E를 측정한 다음, 네른스트 식에 계산한 E값을 대신하고 PO2를 구하기 위해 안티-로그 계산 하면 완료됩니다. 셀 전위차 출력은 그림 2에 나타나 있습니다.
 그림 2 셀 전위차 대 지르코니아 셀의 산소 농도에 대한 관계 그래프. 방정식을 안티-로그 계산하면, 출력 신호는 디지털 판독 계측기에 산소 농도를 ppm 또는 % 단위로 직접 표시할 수 있습니다.
교정
지르코니아 측정기는 네른스트 식과 일치하는 측정 원리를 사용하기 때문에, 단일 교정 포인트만 필요합니다. 대기에서 지르코니아 센서의 출력은 0이 됩니다. 측정기에 대한 일상적인 교정은 대기 중에 실시해야 합니다.
출고 시 교정은 전자장치의 교정으로 이루어지는데, 감지 셀로부터 나오는 밀리볼트 출력 신호를 수용하여 측정기에서 20.9%의 대기에서 정확하게 측정한 값을 확인합니다. 그런 다음 질소에 함유된 ppm 산소량에 대해 정확한 판독을 위하여 측정기를 점검합니다.
적용 분야
지르코니아 분석기는 가스나 혼합 가스에서 0-100% 사이의 어느 레벨에서도 산소를 측정하는데 사용할 수 있습니다.
측정기 사용에 있어서 유일한 제약은 측정 대상 가스에 가연성 가스나 산화지르코늄 감지 셀을 오염시키는 어떤 물질이라도 포함되어서는 안 된다는 점입니다. 샘플 가스에 있는 가연성 가스 예를 들어, CO, H2, 메탄과 같은 탄화수소가 측정기에 유입되면 가연성 가스는 로를유지하고 있는 높은 온도로 인하여 그 안에 있는 샘플 가스에 함유된 어떤 산소와도 결합하게 됩니다. 이에 따라 샘플 가스에 있는 산소량은 실제적으로 감소하게 되고 측정기는 부정확하게 측정값을 낮게 표시하게 됩니다.
감지 셀을 오염시키는 물질은 다음과 같습니다. 할로겐 예. 염소 할로겐족 탄화수소 예. 염화메틸
유황 함유 화합물 예. 황화수소
납 함유 화홥물 예. 황화납
위의 어떤 물질이라도 함유된 가스나 혼합 가스는 지르코니아 타입의 산소 분석기로 산소를 측정하는데 적합하지않습니다. 800 시리즈, ZR893, Gaspace 및 Mapcheck의 대표적인 용도는 산업용 가스 생산자, 산업용 가스 사용자 및 안전 모니터링용으로 사용됩니다. 가스 생산자 - 산소 불순도 측정이나 산소 순도 모니터링을 위한 품질보증용. 가스 소비자 - 불활성 가스막의 신뢰성 보증용.
- 화학공장에서 생산 재료로 사용되는 가스의 품질 보증용.
식품 포장 - 변경되거나 통제된 환경에서 포장재에 검출되는 산소의 정확한 레벨 보증용.
적용 분야는 적용 가이드에 보다 자세히 설명되어 있습니다. |
 |
 |
