산소의 농도가 레퍼런스 가스(공기) > 샘플 가스인 경우
그림 3: 지르코늄산화물법의 농도 셀형 산소가스분석기의 구조 및 동작원리
방정식 1: 네른스트 방정식(Nernst equation)
고체 전해질인 지르코니아(Zirconia) 소자는 고온 환경에서 산소 이온에 대한 전도성을 갖습니다..
지르코니아 소자의 양쪽 면에 백금 전극을 부착한 상태에서 400℃ 이상으로 가열하고, 서로 다른 산소 농도를 가진 가스가 양면에 접촉하면, 전기화학적 반응을 통해 기전력(Electromotive Force)이 발생합니다. 이를 산소 농도 셀(Oxygen Concentration Cell)이라고 합니다.
산소 농도가 높은 전극 측에서는 산소 분자가 전자를 받아 산소 이온이 되며, 이 이온은 지르코니아 소자를 통해 반대쪽 전극으로 이동합니다. 반대편 전극에서는 산소 이온이 전자를 방출하고 다시 산소 분자로 환원됩니다. 양쪽의 산소 농도 차이가 클수록 더 큰 기전력이 발생합니다. 또한, 지르코니아 소자의 온도가 높아질수록 생성되는 기전력도 증가합니다.
따라서, 이 기전력과 지르코니아 소자의 온도를 측정함으로써 시료 가스 내 산소 농도를 구할 수 있습니다.
이러한 전기화학 반응의 순서는 네른스트 방정식(식 1)으로 표현됩니다.
산소의 농도가 레퍼런스 가스(공기) > 샘플 가스인 경우
그림 3: 지르코늄산화물법의 농도 셀형 산소가스분석기의 구조 및 동작원리
방정식 1: 네른스트 방정식(Nernst equation)
가열된 지르코니아 소자의 양쪽 전극 사이에 전류를 인가하면, 산소 이온이 전극 사이를 이동하며 한 전극에서 다른 전극으로 산소가 이동하는 펌핑 작용이 발생합니다. 이 전기화학적 반응을 산소 펌핑 작용이라고 하며, 이때 이동하는 산소의 양은 인가된 전류에 비례합니다.
산소 펌핑 작용이 가스 확산 홀에 의해 제한된 가스 확산 챔버에서 이루어질 경우, 지르코니아 소자에 가해지는 전압을 증가시켜도 전류는 일정한 값을 유지합니다. 이 일정한 전류를 한계 전류라고 하며, 이는 시료 가스 내 산소 농도에 비례합니다. 따라서, 한계 전류를 측정함으로써 시료 가스의 산소 농도를 구할 수 있습니다.
이 분석기의 구조적 특징은 지르코니아 소자 내부에 시료 가스 확산 챔버, 기준 가스 챔버, 전극, 가스 확산 홀이 내장되어 있으며, 전체 지르코니아 소자가 히터에 의해 지속적으로 가열된다는 점입니다. (그림 4-1)
이러한 구조와 다음과 같은 작동 원리를 활용하여, 산소농도셀과 한계전류의 조합방법으로 산소농도를 측정할 수 있습니다. (그림 4-2, 그림 4-3, 그림 4-4)
그림 4-1: 지르코니아 방식의 한계 전류형을 사용한 산소 분석기의 구조
그림 4-2: 산소 펌핑 작용
전극 3과 4 사이에 전류(IP-34)를 인가하여 샘플 가스 확산 챔버의 일부 산소를 산소 펌핑 작용으로 기준 가스 챔버로 전달하고, 기준 가스 챔버는 100% 산소 농도로 채워진다.
산소 펌핑 작용에 필요한 전류를 펌핑 전류라고 합니다. (그림 4-2)
그림 4-3: 농도 셀 형성
동시에 전극 1과 2 사이에 펌핑 전류(IP-12)가 가해지고, 산소 펌핑 작용에 의해 시료 기체 확산 챔버의 산소가 외부로 배출되어 시료 기체 확산 챔버의 산소 농도를 0%로 감소시킵니다.
이는 기준 챔버와 시료 기체 확산 챔버 사이에 지르코니아 농도 셀을 생성하여 일정한 기전력(350mV)을 생성합니다.
기체 확산 챔버에서 0%의 산소 농도와 기준 기체 챔버에서 100%의 산소 농도는 분석기의 기준 조건을 생성합니다. (그림 4-3)
그림 4-4: 한계 전류에 의한 산소 농도 측정
외부 시료 가스와 시료 기체 확산 챔버 내의 산소 사이에 농도 차이가 있는 경우, 시료 가스는 기체 확산 구멍을 통해 시료 기체 확산 챔버로 흘러 들어가고 산소는 확산됩니다.
확산산소의 농도에 해당하는 펌핑 전류(IP-12)가 가해지고, 산소 펌핑 작용에 의해 모든 산소가 외부(0% 산소 농도)로 방출되어 그림 4-3에 표시된 기준 조건을 항상 유지합니다.
이 상태를 유지하는 정전류를 제한 전류(한계)라고 합니다.
제한 전류는 가스 확산 구멍을 통해 유입되는 산소의 농도에 비례하기 때문에 제한 전류를 감지하여 산소 농도를 측정합니다. (그림 4-4)
지르코니아 방식의 가스 분석기는 측정 지점에 직접 삽입할 수 있으며, 직접 측정에 의한 빠른 응답 시간이 필요한 열처리로, 산업용 용광로, 엔진, 보일러 및 기타 시설에서 산화물 측정을 사용할 수 있습니다. 또한 산화지르코늄 방법 가스 분석기는 검출기 센서에 움직이는 부품이 없는 간단한 구조로 되어 있어 진동의 영향에 대한 내성이 뛰어나 진동이 있는 측정 지점에서 사용할 수 있습니다.
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