سنسور اکسیژن چگونه کار می کند؟

 

سنسور یا حسگر O2 چگونه اکسیژن را تشخیص می دهد؟ سنسور اکسیژن چیست؟ چطور کار می کنند؟

در حالی که انواع مختلفی از سنسورهای اکسیژن وجود دارد، اصل کار آنها را می توان به یکی از 3 روش طبقه بندی کرد:

یک واکنش شیمیایی که در حضور اکسیژن الکترون می‌دهد.
تغییر در شدت نور ناشی از یک ماده فلورسنت هنگام قرار گرفتن در معرض اکسیژن.
تغییر در طول موج صدا، نور یا میدان مغناطیسی با عبور اکسیژن از آن.
هر یک از این روش‌ها برای اندازه‌گیری اکسیژن دارای نقاط قوت و ضعف هستند. در حالی که سنسورهای اکسیژن در بسیاری از کاربردها و صنایع از جمله خودروسازی، بهداشت و پزشکی، صنعتی، بسته بندی مواد غذایی و آشامیدنی، دارویی و غیره استفاده می شوند، اما هر کدام از سنسورهای اکسیژن متفاوتی استفاده می کنند که برای کاربرد مناسب هستند.

توجه داشته باشید که اکثر سنسورهای اکسیژن برای اندازه گیری بین 0 تا 25 درصد اکسیژن حجمی یا هوای قابل تنفس طراحی شده اند. با این حال، سنسورهای اکسیژن تخصصی که می توانند تا 100٪ اکسیژن را اندازه گیری کنند نیز در دسترس هستند.

توجه به این نکته ضروری است که سنسور اکسیژن در واقع غلظت اکسیژن را اندازه گیری نمی کند، بلکه تفاوت بین مقدار اکسیژن موجود در گاز خروجی و مقدار اکسیژن موجود در هوا را اندازه گیری می کند.

 

انواع سنسورهای اکسیژن چیست؟
سنسور اکسیژن الکتروشیمیایی
سنسور اکسیژن زیرکونیا
سنسور اکسیژن نوری
سنسور اکسیژن کلارک
سنسور اکسیژن مادون قرمز
سنسور الکترو گالوانیکی
سنسور اکسیژن اولتراسونیک
حسگر لیزری اکسیژن
سنسور اکسیژن پارامغناطیسی

 

در زیر انواع خاصی از فناوری سنجش اکسیژن مورد استفاده امروزه آورده شده است. توجه داشته باشید که هر کدام برای یک یا چند برنامه خاص مناسب هستند.

1. سنسور اکسیژن الکتروشیمیایی - Electrochemical Oxygen Sensor

سنسورهای الکتروشیمیایی اکسیژن در درجه اول برای اندازه گیری سطح اکسیژن در هوای محیط استفاده می شوند. آنها یک واکنش شیمیایی را در حسگر اندازه گیری می کنند که یک خروجی الکتریکی متناسب با سطح اکسیژن ایجاد می کند. از آنجایی که حسگرهای الکتروشیمیایی جریان تولید می‌کنند، می‌توان آن‌ها را خود تغذیه کرد و برای اندازه‌گیری غواصی زیر آب با باتری گاز اکسیژن و وسایل ایمنی شخصی دستی مفید است. به عنوان مثال می توان به دستگاه های تنفسی، حسگرهای تنفسی و حسگرهای قند خون اشاره کرد. از نظر مزایای حسگر، سنسورهای الکتروشیمیایی به دلیل نیاز به توان کم، محدودیت‌های تشخیص کمتر، و اغلب کمتر تحت تأثیر گازهای مزاحم قرار می‌گیرند، مورد توجه قرار می‌گیرند. آنها همچنین تمایل دارند کم هزینه ترین نوع سنسور باشند. یک چالش برای سنسورهای اکسیژن الکتروشیمیایی این است که آنها به فرآیندهای شیمیایی وابسته به دما وابسته هستند. خروجی اکثر حسگرهای الکتروشیمیایی به شدت به جبران دما برای ارائه خوانش های قابل اعتماد در محدوده وسیعی از شرایط محیطی وابسته است. چالش دیگر برای سنسورهای اکسیژن الکتروشیمیایی این است که با گذشت زمان واکنش شیمیایی کند شده و متوقف می شود، معمولاً بین 1 تا 3 سال بسته به طراحی سنسور. نگهداری آنها در محیطی بدون اکسیژن به طول عمر سنسور اضافه نمی کند. با افزایش سن سنسور، نیاز به کالیبراسیون مجدد مکرر دارد و به اندازه سنسورهای دیگر دقیق نیست. با این حال، سنسورهای اکسیژن الکتروشیمیایی به دلیل طراحی ناهموار، هزینه کم و خود تغذیه، در بسیاری از دستگاه ها، به ویژه آنالایزرهای گاز دستی استفاده می شوند. AlphaSense یکی از محبوب ترین تولید کنندگان سنسورهای اکسیژن الکتروشیمیایی است. سنسورهای آنها در ده ها ردیاب گاز چندگانه و کنتورهای ایمنی قابل حمل مورد استفاده در سراسر جهان استفاده می شود.

 

 

2. سنسور اکسیژن زیرکونیا - Zirconia Oxygen Sensor

سنسورهای اکسیژن زیرکونیا از گرما و شیمی برای تشخیص اکسیژن استفاده می کنند. دی اکسید زیرکونیا با یک لایه نازک از پلاتین متخلخل پوشیده شده است تا یک سلول سوختی الکتروشیمیایی حالت جامد را تشکیل دهد. اگر مونوکسید کربن در گاز مورد آزمایش وجود داشته باشد، توسط اکسیژن اکسید می شود تا CO2 ایجاد کند که جریان متناسبی را ایجاد می کند. سنسور زیرکونیا به طور مستقیم O2 را تشخیص نمی دهد، بلکه تفاوت بین غلظت اکسیژن در گاز نمونه و هوای تازه را تشخیص می دهد.

در حالی که سنسورهای اکسیژن زیرکونیا بیشتر برای کنترل نسبت هوا به سوخت در خودروها و کامیون ها استفاده می شوند، اما در کاربردهای صنعتی نیز مهم هستند. به عنوان مثال، سیستم سنسور سنجش اکسیژن زیرکونیا SST از این فناوری برای اندازه گیری محتوای اکسیژن در گازهای دودکش، سیستم های کنترل احتراق، زغال سنگ، نفت، گاز، زیست توده و سیستم های تولید اکسیژن استفاده می کند.

یکی دیگر از ویژگی های این نوع سنسور اکسیژن این است که عنصر کوچک زیرکونیومی نیازی به کالیبراسیون ندارد. آنها همچنین دقت خود را حفظ می کنند، حتی زمانی که در معرض رطوبت یا گازهای دیگر قرار می گیرند. به دلیل توانایی سنسور اکسیژن زیرکونیا برای کار در دما و فشار بالا، کاربرد احتمالی آن در صنعت خودروسازی مفید است. تقریباً هر خودرو یا کامیونی که تولید می‌شود از دو سنسور اکسیژن زیرکونیا، که به عنوان سنسور لامبدا نیز شناخته می‌شود، برای تنظیم نسبت سوخت به هوا برای به حداکثر رساندن راندمان احتراق استفاده می‌کند. نقطه ضعف سنسورهای زیرکونیا این است که اندازه گیری اکسیژن به دماهای بالا نیاز دارد. در حین استفاده، یک بخاری در سنسور، گاز نمونه را به بالای 300 درجه فارنهایت می رساند. بخاری به انرژی زیادی نیاز دارد، بنابراین از سنسورهای اکسیژن زیرکونیا در دستگاه های با باتری یا دستی استفاده نمی شود. علاوه بر این، سنسورهای زیرکونیا در مواردی که به دقت بسیار بالایی نیاز است، مفید نیستند. یک تغییر در سنسور اکسیژن زیرکونیا، سنسور اکسیژن مسطح است. مانند یک سنسور اکسیژن سنتی زیرکونیا، مقاوم در برابر رطوبت، ناهموار است و برای کار کردن به بخاری داخلی نیاز دارد. با این حال، به جای زیرکونیا از آلومینا استفاده می کند که می تواند دمای مورد نیاز را سریعتر به دست آورد. در نتیجه، یک حسگر مسطح اکسیژن می‌تواند به جای زمان گرم کردن معمولی 30 ثانیه سنسور سنتی زیرکونیا، سطح اکسیژن را در کمتر از 10 ثانیه شروع کند. این پیشرفت آن را جایگزین بهتری برای حسگرهای لامبدا خودرو برای کاهش گازهای NOX موجود در هنگام شروع سرد می کند.

 

3- سنسور اکسیژن نوری - Optical Oxygen Sensor
سنسورهای نوری اکسیژن بر اساس اصل خاموش شدن فلورسانس توسط اکسیژن هستند. آنها به استفاده از یک منبع نور، یک آشکارساز نور، و یک ماده شب تاب که به نور واکنش نشان می دهد متکی هستند. در بسیاری از زمینه ها، حسگرهای اکسیژن مبتنی بر لومینسانس جایگزین الکترود کلارک می شوند.

اصل خاموش کردن فلورسانس توسط اکسیژن مولکولی مدتهاست که درک شده است. برخی از مولکول ها یا ترکیبات، وقتی در معرض نور قرار می گیرند، فلورسانس می شوند (یعنی انرژی نوری ساطع می کنند). با این حال، اگر مولکول های اکسیژن وجود داشته باشند، انرژی نور به مولکول اکسیژن منتقل می شود و در نتیجه فلورسانس کمتری ایجاد می شود. با استفاده از یک منبع نور شناخته شده، مقدار انرژی نوری شناسایی شده با تعداد مولکول های اکسیژن در نمونه نسبت معکوس دارد. بنابراین، هر چه فلوئورسانس کمتری شناسایی شود، مولکول های اکسیژن بیشتری باید در گاز نمونه وجود داشته باشد.

در برخی از حسگرها، فلورسانس دو بار در یک بازه زمانی مشخص تشخیص داده می شود. به جای اندازه گیری کل فلورسانس، افت در لومینسانس (یعنی خاموش شدن فلورسانس) در طول زمان اندازه گیری می شود. این روش زمان مبتنی بر پوسیدگی امکان طراحی حسگر ساده‌تری را فراهم می‌کند.

نمونه‌ای از حسگرهایی که سطوح اکسیژن محیط را با استفاده از خاموش کردن فلورسانس توسط اکسیژن اندازه‌گیری می‌کند، سنسور LuminOX LOX-02 است. در حالی که ردپایی مشابه حسگرهای الکتروشیمیایی سنتی دارد، اکسیژن را جذب نمی‌کند و از مزیت طول عمر بسیار بیشتری برخوردار است. این باعث می شود که برای دستگاه هایی مانند هشدارهای ایمنی کاهش اکسیژن اتاق که هوای داخل خانه را برای افت ناگهانی سطح اکسیژن از گازهای فشرده ذخیره شده کنترل می کنند مفید باشد. کاربردهای متداولی که شامل حسگرهای نوری می شود شامل امکانات پزشکی، لیزر، سیستم های تصویربرداری و فیبرها می باشد. با توجه به مزایای حسگر، بسیاری حسگرهای نوری را برای داشتن حساسیت بیشتر، دامنه دینامیکی گسترده تر، پیکربندی توزیع شده و قابلیت های چندگانه پیدا می کنند. نمونه دیگر آنالایزر اکسیژن دستی بسته بندی اتمسفر اصلاح شده TecPen است. TecPen از یک پوشش نازک رنگ شب تاب بر روی حسگر و یک میکروپمپ برای کشیدن نمونه هوا از رنگ فلورسنت استفاده می کند. رنگ در 507 میکرومتر برانگیخته می شود و رویداد فلورسانس حاصل در 650 میکرومتر ثبت می شود. مدت زمان این رویداد فلورسانس - که به عنوان طول عمر شناخته می شود - به مقدار اکسیژن جذب شده در لایه حسگر بستگی دارد و بنابراین می توان از آن برای تعیین غلظت اکسیژن استفاده کرد.

از آنجایی که از فناوری سنجش اپتوشیمیایی سریعتر استفاده می کند، می تواند در چند ثانیه اندازه گیری کند. علاوه بر این، سنسورهای اکسیژن نوری با توانایی اندازه گیری اکسیژن در قطعات در سطح میلیارد می توانند بسیار دقیق باشند. این امر باعث می‌شود که حسگرهای اکسیژن نوری در فرآیندهایی مانند بسته‌بندی اتمسفر اصلاح‌شده یا نظارت بر تصفیه جوش که نیاز به اندازه‌گیری عدم وجود اکسیژن تا ۳ تا ۴ قسمت در هر میلیارد مولکول اکسیژن دارند، مفید باشند.

 

4- الکترود کلارک - Clark Electrode Oxygen Sensor

نوعی حسگر اکسیژن الکتروشیمیایی است. سطح اکسیژن مایع را با استفاده از یک کاتد و یک آند غوطه ور در یک الکترولیت اندازه گیری می کند. الکترود کلارک برای اندازه گیری سطح اکسیژن خون در حین جراحی قلب اختراع شد. امروزه معمولاً در دستگاه های قابل حمل اندازه گیری قند خون که نیاز به یک قطره خون دارند استفاده می شود. این سنسور از یک لایه نازک گلوکز اکسیداز (GOx) روی یک الکترود اکسیژن استفاده می کند. با اندازه گیری میزان اکسیژن مصرفی GOx در طی واکنش آنزیمی با گلوکز، می توان سطح گلوکز خون را محاسبه و نمایش داد.

سنسورهای دیگری از نوع کلارک در دسترس هستند که شامل اندازه گیری ازن (O3)، پراکسید هیدروژن (H202)، هیدروژن (H) و سولفید هیدروژن (H2S) می شود. در حالی که دقت آنها تنها تا دهم درصد اکسیژن است، اما هزینه کم آنها باعث شده است که حسگرهای اکسیژن الکترود کلارک به عنوان محصولات مصرفی در دسترس باشند.

 

 

5- پالس اکسی متر مادون قرمز - Infrared Oxygen Sensor

که معمولاً اکسیمترهای انگشتی یا پالس اکسیمتر انگشتی نامیده می شوند، حسگرهای اکسیژن هستند که میزان اکسیژن خون را با نور اندازه گیری می کنند. آنها اغلب در دستگاه های ارزان قیمت نوک انگشت یا لاله گوش برای اندازه گیری اشباع اکسیژن در بدن برای مصارف پزشکی خانگی استفاده می شوند.

برای کار، نور مادون قرمز و قرمز هر دو از طریق لایه نازکی از پوست عبور می کنند و توسط یک دیود عکس اندازه گیری می شوند. از آنجایی که طول موج 2 منبع نور متفاوت است، نسبت جذب نور از طریق پوست با مقدار هموگلوبین اکسیژن موجود در شریان ها متناسب است.

مزایای خرید سنسورهای اکسیژن مادون قرمز به این دلیل است که آنها غیرتهاجمی، مقرون به صرفه، فشرده هستند و به راحتی می توانند سطوح پایین اکسیژن خون را به سرعت تشخیص دهند. نقطه ضعف آنها این است که برخی از مدل های ارزان قیمت به دلیل دقت و تکرارپذیری کم به عنوان تجهیزات پزشکی مورد تایید قرار نمی گیرند.

 

 

6- سنسور اکسیژن الکترو گالوانیکی - Electro Galvanic Sensor

یک پیل سوختی مبتنی بر اکسیداسیون سرب است که خروجی الکتریکی متناسب با سطح اکسیژن داخل سنسور تولید می کند. این شبیه به یک حسگر الکتروشیمیایی است که در طی چندین ماه در معرض اکسیژن قرار می گیرد.

از آنجایی که سنسورهای الکترو گالوانیکی دستگاه‌های نسبتا کم‌هزینه و قابل اعتمادی هستند که می‌توانند سطح اکسیژن 0 تا 100 درصد را اندازه‌گیری کنند، از آن‌ها به عنوان سنسور اکسیژن پزشکی در بسیاری از دستگاه‌های تنفس مصنوعی بیمارستانی و همچنین تجهیزات غواصی استفاده می‌شود. نقطه ضعف حسگرهای اکسیژن الکتروگالوانیکی مانند سلول های اکسیژن پزشکی این است که طول عمر آنها معمولاً در ماه ها اندازه گیری می شود. این حسگرها در عرض یک دهم درصد اکسیژن دقیق هستند.

 

7- سنسورهای اکسیژن اولتراسونیک - Ultrasonic Oxygen Sensor

از سرعت صدا برای اندازه گیری میزان اکسیژن در نمونه گاز یا مایع استفاده می کنند. در حسگرهای مایع، بالادست و پایین دست، اختلاف سرعت بین امواج صوتی با فرکانس بالا را اندازه گیری می کنند. تغییر سرعت متناسب با مقدار اکسیژن موجود در نمونه است. در گازها، با تغییر ترکیب مولکولی گاز، سرعت صوت تغییر می کند. این باعث می شود که حسگرهای اکسیژن اولتراسونیک برای ونتیلاتورهای بیهوشی یا ژنراتورهای اکسیژن که در آن خروجی غلظت مشخصی از گاز اکسیژن است مفید باشد. کاربردهای معمولی که به روش‌های سنجش اکسیژن اولتراسونیک نیاز دارند، بیمارستان‌ها، تجزیه و تحلیل گاز، یا برنامه‌های کاربردی شامل متمرکزکننده‌های اکسیژن یا ژنراتورهای اکسیژن قابل حمل هستند.

 

 

8- سنسورهای اکسیژن لیزر - Laser Oxygen Sensor

دیود قابل تنظیم (TDL) بر تجزیه و تحلیل طیفی متکی هستند. یک پرتو لیزر در طول موج اکسیژن از طریق یک نمونه گاز به یک آشکارساز نوری هدایت می شود. مقدار نور جذب شده توسط مولکول های اکسیژن متناسب با تعداد مولکول های نمونه است.

مکانیسم حسگر اکسیژن لیزری برای طراحی آنالایزرهایی برای اندازه‌گیری بی‌درنگ گازهایی مانند H20، H2S، CO2، NH3 و C2H2 در جریان‌های گاز ایجاد شد. بسیاری از حسگرها در کاربردهای مختلفی مانند سیستم های احتراق، نیروگاه ها، زغال سنگ و زباله سوزها استفاده شده اند.

مزایای سنسور اکسیژن لیزری زمان پاسخ سریع، دقت در عرض یک دهم درصد اکسیژن، بدون کالیبراسیون و عمر طولانی آنها است. معایب آنها در درجه اول حساسیت آنها به حساسیت متقاطع از گازهای دیگر است.

 

 

9. سنسور اکسیژن پارامغناطیس - Paramagnetic Oxygen Sensor
حسگرهای اکسیژن پارامغناطیس بر این واقعیت تکیه می کنند که مولکول های اکسیژن به سمت میدان های مغناطیسی قوی جذب می شوند. در برخی از طرح ها، گاز نمونه به سنسور وارد شده و از میدان مغناطیسی عبور می کند. سرعت جریان متناسب با سطح اکسیژن در گاز تغییر می کند. در یک تغییر در این طرح، اکسیژن در میدان مغناطیسی یک نیروی فیزیکی بر روی کره‌های شیشه‌ای که اندازه‌گیری می‌شوند، ایجاد می‌کند. اگرچه یک فناوری سنجش رایج نیست، اما می‌تواند در برنامه‌های کاربردی کنترل فرآیند صنعتی که سنسور اکسیژن زیرکونیا نمی‌تواند استفاده شود.

مزایای اضافی استفاده از سنسور اکسیژن پارامغناطیسی این است که حسگرها نسبت به شوک مکانیکی حساس نیستند، خطی بودن بالایی دارند و به طور باورنکردنی پایدار هستند. نقطه ضعف آن حساسیت به حساسیت متقاطع از گازهای دیگر است.

 

 

نویسنده: محسن لطفی صومعه / منبع: co2meter