산소 센서

산소 센서(또는 람다 센서, 여기서 람다(lambda)는 공기-연료 등가비를 말하며, 일반적으로 λ으로 표시됨)는 분석 중인 가스나 액체에서 산소(O₂)의 비율을 측정하는 전자 장치다.

1960년대 후반 로버트 보쉬 GmbH가 귄터 바우만 박사의 감독 아래 개발했다. 원래의 감지 요소는 배기 및 기준 면에 얇은 백금 층으로 코팅된 심블 모양의 지르코니아 세라믹으로 만들어지며 가열 및 가열되지 않은 형태로 제공된다. 평면형 센서는 1990년에 시장에 진입하여 세라믹 센싱 소자의 질량을 현저히 감소시켰으며, 세라믹 구조 내에 히터를 통합하였다.^[1] 이로 인해 센서가 더 빨리 시동되고 더 빠르게 반응하게 되었다.

가장 일반적인 적용은 자동차 및 기타 차량의 내연기관 산소 배기가스 농도를 측정하여 촉매변환기가 최적으로 작동할 수 있도록 공기 연료비를 동적으로 조정하고 또한 변환기가 제대로 작동하는지 여부를 결정하는 것이다. 산소 센서는 일반적으로 연료 혼합물이 풍부하고 배기구에 연소되지 않은 산소가 거의 없을 때 약 0.9V를 생성한다.

과학자들은 산소 센서를 사용하여 호흡이나 산소의 생산을 측정하고 다른 접근법을 사용한다. 산소 센서는 산소 분석기에 사용되며, 마취 모니터, 호흡기, 산소 집중기와 같은 의료 용도에 광범위하게 사용된다.

다이버들은 산소 센서(그리고 종종 ppO₂ 센서라고 부른다)를 사용하여 호흡 가스의 산소의 부분 압력을 측정한다. 개방 회로 스쿠버 다이버들은 다이빙하는 동안 혼합물이 변하지 않고 압력에 의한 부분적인 압력 변화는 간단히 예측할 수 있기 때문에 다이빙하기 전에 가스를 테스트하고, 혼합 가스 재호흡기 다이버들은 다이빙 내내 호흡 루프에 있는 산소의 부분적인 압력을 감시해야 하며, 그것이 변화하고 가속도 내에 머무르도록 제어되어야 한다.테이블 경계

산소 센서는 저산소 공기 화재 방지 시스템에도 사용되어 보호 용적 내부의 산소 농도를 지속적으로 감시한다.

산소를 측정하는 방법에는 여러 가지가 있다. 여기에는 지르코니아, 전기화학(일명 갈바닉), 적외선, 초음파, 파라마그네틱, 그리고 최근 레이저 방법과 같은 기술이 포함된다.

자동차 응용 프로그램

O₂("o 2") 센서로 통칭되는 자동차 산소 센서는 현대적인 전자 연료 분사 및 방출 제어를 가능하게 한다. 그것들은 연소 엔진의 공기-연료 비율이 농후한지 또는 희박한지 여부를 실시간으로 결정하는 데 도움이 된다. 산소 센서는 배기 스트림에 위치하기 때문에 엔진으로 들어가는 공기나 연료를 직접 측정하지는 않지만 산소 센서의 정보가 다른 출처의 정보와 결합될 경우 공기-연료 비율을 간접적으로 결정하는 데 사용할 수 있다. 폐쇄 루프 피드백 제어식 연료 분사기는 미리 정해진 (개방형) 연료 맵으로 작동하기 보다는 실시간 센서 데이터에 따라 연료 인젝터 출력을 변화시킨다. 전자 연료 주입이 효율적으로 작동할 수 있을 뿐만 아니라, 이 방출 제어 기법은 대기 중에 유입되는 미연소 연료와 질소 산화물 모두를 줄일 수 있다. 미연소 연료는 공기에 의한 탄화수소의 형태로 오염되며, 질소산화물(NO_x 가스)은 연소실 온도가 1,300 켈빈을 초과하는 결과로 연료 혼합물의 과도한 공기로 인해 스모그와 산성비의 원인이 된다. 볼보는 1970년대 후반 촉매변환기에 사용된 3방향 촉매와 함께 이 기술을 채택한 최초의 자동차 제조사였다.

이 센서는 실제로 산소 농도를 측정하는 것이 아니라 배기 가스의 산소 양과 공기 중의 산소 양의 차이를 측정한다. 풍부한 혼합물은 산소 수요를 유발한다. 이러한 수요는 센서층을 통한 산소 이온의 이동으로 인해 전압이 축적되는 원인이 된다. 희박한 혼합물은 산소 과잉이 있기 때문에 낮은 전압을 유발한다.

현대의 스파크 점화식 연소 엔진은 배기 가스 배출을 줄이기 위해 산소 센서와 촉매변환기를 사용한다. 산소 농도에 대한 정보는 엔진 관리 컴퓨터 또는 엔진 컨트롤 유닛(ECU)으로 전송되며, 이 유닛은 엔진으로 분사되는 연료의 양을 조정하여 과잉 공기 또는 과잉 연료를 보상한다. ECU는 산소 센서로부터 얻은 정보를 해석하여 평균적으로 특정 공기-연료 비율을 유지하려고 시도한다. 1차 목표는 전력, 연비, 배출량 사이의 절충이며, 대부분의 경우 계량계에 근접한 공기-연료 비율에 의해 달성된다. 스파크 점화 엔진(예: 가솔린 또는 LPG를 연소하는 엔진, 디젤과는 반대로)의 경우, 현대 시스템이 우려하는 세 가지 유형의 배출물은 탄화수소(오발 또는 연료가 완전히 연소되지 않을 때 방출됨), 일산화탄소(이것은 연료가 약간 풍부하게 작동한 결과_x), NO(약간 풍부하게 작동한 결과)이다. 혼합물이 희박할 때 지배하다. 예를 들어 정상적인 노화, 납 연료의 사용 또는 규실론이나 규산염에 오염된 연료에 의한 이러한 센서의 고장은 자동차의 촉매변환기 손상과 값비싼 수리로 이어질 수 있다.

산소 센서가 엔진 컴퓨터로 보내는 신호를 변조하거나 수정하는 것은 배기 가스 제어에 해로울 수 있고 심지어 차량을 손상시킬 수도 있다. 엔진이 저부하 상태일 때(예: 매우 부드럽게 가속하거나 일정한 속도를 유지하는 경우) "폐쇄 루프 모드"로 작동하고 있다. 이는 ECU와 산소 센서 사이의 피드백 루프를 말하며, ECU가 연료량을 조정하여 산소 센서의 반응에 변화가 있을 것으로 예상한다. 이 루프는 엔진이 평균적으로 대부분 기압계 비율을 유지하려고 시도하기 때문에 엔진이 약간 기울거나 연속적인 루프에서 약간 농후하게 작동하도록 한다. 개조를 통해 엔진이 적당히 기울어지게 되면 연료 효율이 약간 상승할 것이며_x, 때로는 NO 배출 증가, 훨씬 높은 배기 가스 온도, 그리고 때로는 오화와 급격한 전력 상실로 빠르게 전환될 수 있는 약간의 출력이 증가할 수 있으며, 잠재적 엔진과 촉매-c가 발생할 수 있다.극저온 공기-연료비에서 발생하는 (오발화로 인한) 손상 개조를 통해 엔진이 풍부하게 구동되는 경우, 연료 효율 저하 및 배기 가스 내 미연소 탄화수소가 증가하여 촉매변환기의 과열을 유발하는 원가가 발생할 수 있다(그 후 엔진은 연소되지 않은 연료로 범람하기 시작한다). 농후한 혼합물에서 장시간 작동하면 촉매변환기가 치명적인 고장을 일으킬 수 있다(백파이어 참조). ECU는 또한 연료 주입기 펄스 폭과 함께 스파크 엔진 타이밍을 제어하기 때문에 연소 사이클에서 연료가 너무 빨리 점화되거나 너무 늦게 점화될 때마다 엔진이 너무 희박하거나 너무 농후하게 작동하도록 변경하면 연료 소비량이 비효율적일 수 있다.

내연기관에서 높은 부하(예: 스로틀이 넓게 열린 상태)를 받는 경우 산소 센서의 출력은 무시되며, 부하를 받는 실화가 손상될 가능성이 훨씬 높기 때문에 ECU는 자동으로 혼합물을 농축하여 엔진을 보호한다. 이를 "개방 루프 모드"에서 작동하는 엔진이라고 한다. 센서 출력의 모든 변경은 이 상태에서 무시된다. (일부 터보차지 모델을 제외하고) 많은 자동차에서 공기 유량계의 입력은 또한 무시되는데, 그렇지 않으면 혼합물이 너무 농후하거나 너무 희박해서 엔진 성능이 저하될 수 있고, 혼합물이 너무 희박하면 폭발로 인한 엔진 손상 위험이 증가할 수 있기 때문이다.

람다 프로브의 기능

람다 프로브는 ECU에 피드백을 제공한다. 해당되는 경우, 가솔린, 프로판 및 천연 가스 엔진에 3방향 촉매가 장착되어 도로 차량 배기 가스 배출 법규를 준수한다. ECU는 람다 센서 신호를 사용하여 엔진을 약간 풍부한 람다 = 1로 작동할 수 있으며, 이는 3방향 촉매에 이상적인 작동 혼합물이다.^[2] 로버트 보쉬 GmbH는 1976년 최초의 차량용 람다 프로브를 선보였고,^[3] 그해 볼보와 사브가 처음 사용했다. 이 센서는 약 1979년부터 미국에서 도입되었으며 1993년 유럽의 많은 국가에서 모든 차종에 장착되었다.

ECU는 남은 배기 가스의 산소 비율을 측정하고, 무엇보다도 실린더로 유입되는 공기의 부피와 온도를 파악함으로써, 완전한 연소를 보장하기 위해 계량비(14.7:1 공기:휘발유에 의한 질량별 연료)에서 연소하는 데 필요한 연료량을 결정하기 위해 룩업 표를 사용할 수 있다.

탐침

센서 소자는 내부와 외부에 다공성 백금 전극으로 도금된 세라믹 실린더로, 전체 어셈블리는 금속 거즈에 의해 보호된다. 배기가스와 외부공기의 산소차이를 측정해 작동하며, 둘의 차이에 따라 전압을 발생시키거나 저항을 변화시킨다.

센서는 약 316 °C(600 °F)까지 가열될 때만 효과적으로 작동하므로 대부분의 최신 람다 프로브는 세라믹 팁을 빠르게 온도까지 끌어올리는 가열 소자를 세라믹에 내장하고 있다. 가열 소자가 없는 구형 프로브는 결국 배기구에 의해 가열되지만, 엔진이 시동되는 시점과 배기 시스템의 구성 요소가 열 평형 상태에 도달하는 시점 사이에는 시차가 있다. 배기 가스가 프로브를 온도에 도달하는 데 필요한 시간은 주변 공기의 온도와 배기 시스템의 형상에 따라 달라진다. 히터가 없으면 몇 분 정도 걸릴 수 있다. 촉매변환기의 작동 온도와 유사한 문제를 포함하여, 이러한 느린 시동 프로세스에서 기인하는 오염 문제가 있다.

프로브에는 일반적으로 람다 출력용 2개, 히터 전원용 2개 등 4개의 와이어가 부착되어 있지만, 일부 자동차 제조업체는 금속 케이스를 센서 소자 신호의 접지로 사용하므로 3개의 와이어가 발생한다. 이전의 비전기 가열 센서에는 하나 또는 두 개의 전선이 있었다.

프로브 작동

지르코니아 센서

이산화지르코늄, 즉 지르코니아 람다 센서는 네른스트 셀이라고 불리는 고체 상태의 전기화학 연료 전지를 기반으로 한다. 그것의 두 전극은 대기 중의 산소와 비교하여 배기 내 산소의 양에 해당하는 출력 전압을 제공한다.

0.2V(200mV) DC의 출력 전압은 연료와 산소의 "희박 혼합물"을 나타내며, 여기서 실린더로 들어가는 산소의 양은 공기와 연료를 태우는 과정에서 생성된 일산화탄소(CO)를 완전히₂ 산화시키기에 충분하다. 0.8V(800mV) DC의 출력 전압은 "농축 혼합물"을 나타내며, 연료는 연소되지 않고 산소는 낮다. 이상적인 설정점은 대략 0.45V(450mV) DC이다. 이때 공기와 연료의 양이 최적 비율인 곳은 배기가스 출력에 일산화탄소가 최소한으로 함유되도록 스토오치메트릭 포인트의 ~0.5% 희박하다.

센서에 의해 생성되는 전압은 산소 농도와 관련하여 비선형이다. 센서는 스토오치메트릭 포인트(여기서 λ = 1) 근처에서 가장 민감하며 매우 희박하거나 매우 농후할 때는 덜 민감하다.

ECU는 센서로부터의 피드백을 사용하여 연료/공기 혼합물을 조정하는 제어 시스템이다. 모든 제어 시스템에서와 같이 센서의 시간 상수가 중요하다. 연료-공기비를 제어하는 ECU의 능력은 센서의 응답 시간에 따라 달라진다. 노화 또는 오염 센서는 응답 시간이 더 느린 경향이 있으므로 시스템 성능이 저하될 수 있다. 기간이 짧을수록 이른바 '크로스 카운트'^[4]가 높고 시스템 반응도 좋다.

이 센서는 내부와 외부로 튼튼한 스테인리스강 구조를 가지고 있다. 이 때문에 이 센서는 부식에 대한 내성이 높아 온도/압력이 높은 공격적인 환경에서 효과적으로 사용할 수 있다.

지르코니아 센서는 반응하는 연료/공기 비율의 좁은 범위를 가리키는 "나선 밴드" 유형이다.

광대역 지르코니아 센서

"광대역" 센서라고 불리는 지르코니아 센서의 변형은 NTK에 의해 1992년에^[5] 도입되었고 동시에 연비 개선, 배기 가스 저감, 엔진 성능 향상에 대한 증가하는 수요를 충족시키기 위해 자동차 엔진 관리 시스템에 널리 사용되어 왔다.^[6] 평면 지르코니아 원소를 기반으로 하지만 전기화학 가스 펌프를 통합하기도 한다. 피드백 루프를 포함하는 전자 회로는 전기화학 셀의 출력을 일정하게 유지하기 위해 가스 펌프 전류를 제어하여 펌프 전류가 배기 가스의 산소 함량을 직접 표시한다. 이 센서는 협대역 센서 고유의 희박한 사이클링을 제거하여 제어 장치가 엔진의 연료 공급과 점화 타이밍을 훨씬 더 빠르게 조정할 수 있도록 한다. 자동차 산업에서 이 센서는 UEGO(범용 배기 가스 산소) 센서라고도 불린다. UEGO 센서는 애프터마켓 다이노 튜닝 및 고성능 드라이버 공기 연료 디스플레이 장비에도 일반적으로 사용된다. 광대역 지르코니아 센서는 성층 연료 분사 시스템에 사용되며, 이제 다가올 EURO 및 ULEV 배출 한도를 충족하기 위해 디젤 엔진에도 사용할 수 있다.

광대역 센서에는 세 가지 요소가 있다.

1. 이온 산소 펌프,
2. 협대역 지르코니아 센서,
3. 난방 요소

광대역 센서의 배선 다이어그램에는 일반적으로 다음과 같은 6개의 와이어가 있다.

1. 저항성 가열 요소,
2. 저항성 가열 요소,
3. 센서,
4. 펌프,
5. 교정 저항기,
6. 통상의

타이타니아 센서

덜 일반적인 형태의 협대역 람다 센서에는 타이타니아(이산화 타이타늄)로 만들어진 세라믹 소자가 있다. 이 유형은 자체 전압을 발생시키지 않고 산소 농도에 반응하여 전기 저항을 변화시킨다. 타이타니아 저항은 산소 부분 압력과 온도의 함수다. 따라서 일부 센서는 가스 온도 센서와 함께 사용하여 온도에 따른 저항 변화를 보상한다. 어떤 온도에서든 저항값은 산소 농도 변화량 약 1000분의 1이다. 다행히 λ = 1에서는 산소 변화가 크므로 저항 변화는 일반적으로 온도에 따라 농후한 것과 희박한 것 사이에서 1000배 정도 변한다.

타이타니아는 구조 TiO를_2−x 가진 N형 반도체인 만큼 크리스털 격자의 x결함이 전하를 전도한다. 그래서 연료가 풍부한 배기가스(산소농도 낮음)의 경우 저항이 낮고, 연료유린 배기가스(산소농도 높음)의 경우 저항이 높다. 컨트롤 유닛은 센서에 소량의 전류를 공급하고 센서 전체의 전압 강하를 측정하는데, 이는 거의 0V에서 약 5V로 변화한다. 지르코니아 센서와 마찬가지로 이 형식은 비선형적이어서 때때로 "rich" 또는 "lean"을 읽는 이진 표시기로 단순하게 설명되기도 한다. 타이타니아 센서는 지르코니아 센서보다 비싸지만 반응 속도도 빠르다.

자동차 애플리케이션의 경우, 티타니아 센서는 지르코니아 센서와 달리, 적절하게 작동하기 위해 대기 공기의 기준 샘플을 참조할 필요가 없다. 이는 센서 어셈블리를 물 오염에 대비하여 설계하기 쉽게 한다. 대부분의 자동차 센서는 잠수식이지만, 지르코니아 기반 센서는 대기로부터 매우 적은 양의 기준 공기를 공급해야 한다. 이론적으로 센서 와이어 하니스와 커넥터는 씰링되어 있다. 와이어 하니스를 통해 센서로 흘러 들어가는 공기는 하니스 내 개방 지점(일반적으로 ECU)에서 나오는 것으로 가정하며, ECU는 트렁크나 차량 내부와 같이 밀폐된 공간에 수용된다.

시스템에서 프로브의 위치

프로브는 일반적으로 배기 시스템의 분기 매니폴드가 결합한 후 촉매변환기 앞에 위치한 배기 시스템의 나사형 구멍에 나사로 고정된다. 신차에는 배기 촉매 전후에 센서를 장착하여 모든 배기 가스 구성 요소의 고장을 모니터링해야 하는 미국 규정을 충족해야 한다. 전방 및 후방 촉매 신호를 모니터링하여 촉매 효율을 판단하며, 변환기가 예상대로 작동하지 않는 경우, 예를 들어 차량 대시보드의 표시등을 점등하여 온보드 진단 시스템을 통해 사용자에게 경보를 보고한다. 또한 일부 촉매 시스템은 촉매를 로드하고 바람직하지 않은 배기 구성 요소의 추가적인 산화 감소를 촉진하기 위해 짧은 사이클의 희박(산소 함유) 가스를 필요로 한다.

센서 감시

공기-연료비 및 자연스레 센서의 상태는 센서의 출력 전압을 표시하는 공기-연료비 계량기를 사용하여 모니터링할 수 있다.

센서 고장

보통, 가열되지 않은 센서의 수명은 약 3만에서 5만 마일 (50,000에서 80,000 km)이다. 열선내장 센서 수명은 일반적으로 160,000km(100,000마일)이다. 가열되지 않은 센서의 고장은 대개 세라믹 소자에 그을음이 축적되어 반응 시간이 길어지고 산소 감지 능력이 완전히 상실될 수 있기 때문에 발생한다. 가열식 센서의 경우 작동 중 정상 침전물이 연소되며 촉매 고갈로 인한 고장이 발생한다. 그러면 탐사선은 희박한 혼합물을 보고하고, ECU는 혼합물을 풍부하게 하고, 배기가스는 일산화탄소와 탄화수소로 풍부해지고, 연비는 악화되는 경향이 있다.

납이 함유된 휘발유는 산소 센서와 촉매변환기를 오염시킨다. 대부분의 산소 센서는 납 가솔린이 있는 상태에서 일부 사용 수명을 정하지만 센서 수명은 납 농도에 따라 15,000마일(2만 4,000km)까지 짧아진다. 납으로 손상된 센서는 일반적으로 끝이 빛으로 변색되어 녹슬어 있다.

람다 프로브의 조기 고장의 또 다른 일반적인 원인은 규실론(일부 씰링 및 그리스에서 사용됨)이나 규산염(일부 부동액에서 부식 억제제로 사용됨)으로 연료가 오염되기 때문이다. 이 경우 센서의 침전물은 반짝이는 흰색과 곡물처럼 밝은 회색 사이에 색을 입힌다.

엔진으로 오일이 누출되면 프로브 팁을 기름진 검은색 침전물로 덮을 수 있으며, 그에 따라 반응 손실이 발생할 수 있다.

지나치게 농후한 혼합물은 탐침에 검은 가루 침전물이 쌓이게 한다. 이는 프로브 자체의 고장 또는 연료 주입 시스템의 다른 곳에서 발생한 문제 때문일 수 있다.

예를 들어 일부 유형의 저항계를 사용하여 지르코니아 센서에 외부 전압을 인가하면 센서가 손상될 수 있다.

일부 센서는 납의 센서에 공기 흡입구가 있어 수분이나 오일 누출로 인한 납의 오염이 센서로 빨려 들어가 고장을 일으킬 수 있다.^[7]

산소 센서^[8] 고장 증상에는 다음이 포함된다.

• 대시보드의 센서 표시등이 문제를 나타내며,
• 테일파이프 배기 가스 증가,
• 연료 소비 증가,
• 가속을 망설이고,
• 기다림,
• 거친 공회전

다이빙 애플리케이션

대부분의 수중 다이빙 어플리케이션에 사용되는 산소 센서의 종류는 연료전지의 일종인 전기-갈바닉 산소 센서인데, 이것을 산소 분석기 또는₂ ppO 미터라고 부르기도 한다. 그것들은 니트로스와 트리믹스와 같은 호흡 가스 혼합물의 산소 농도를 측정하는 데 사용된다.^[9] 그것들은 또한 산소의 부분 압력을 안전한 한계 이내로 유지하기 위해 폐쇄 회로 재호흡기의 산소 조절 메커니즘 내에서 사용된다.^[10] 그리고 포화 잠수 시스템과 표면 공급된 혼합 가스의 호흡 가스의 산소 함량을 감시한다. 이 유형의 센서는 소형 전기 갈바닉 연료 전지에서 발생하는 전압을 측정하여 작동한다.

Scientific & Programme

토양 호흡

토양 호흡 연구에서는 산소 센서를 이산화탄소 센서와 함께 사용하여 토양 호흡의 특성화를 개선할 수 있다. 일반적으로 토양 산소 센서는 갈바닉 셀을 사용하여 측정되는 산소 농도에 비례하는 전류 흐름을 생성한다. 이 센서들은 다양한 깊이에 묻혀서 시간 경과에 따른 산소 고갈을 감시하는데, 이것은 토양 호흡수를 예측하는 데 사용된다. 일반적으로 이들 토양센서에는 흙에서 상대습도가 100%에 이를 수 있기 때문에 투과성 막에 응결이 생기는 것을 방지하기 위해 내장형 히터가 장착돼 있다.^[11]

해양생물학

해양생물학이나 림프학에서 산소 측정은 보통 공동체나 유기체의 호흡을 측정하기 위해 이루어지지만, 조류 1차 생성을 측정하는 데도 사용되어 왔다. 물 샘플에서 산소 농도를 측정하는 전통적인 방법은 습식 화학 기법(예: 윙클러 적정법)을 사용하는 것이었다. 그러나 매우 정확하게 액체의 산소 농도를 측정하는 상업용 산소 센서가 있다. 산소 센서에는 전극(전기화학 센서)과 광학 센서(광학 센서)의 두 가지 유형이 있다.

양조

양조장에서 용존 산소는 맥주 생산 작업 중 여러 곳에서 측정되며, 통조림에서 DO(용해산소) 제어부터 충전 라인에서 미량 산소 센서(저PPB, 10억분의 저부품)^{[clarification needed]}로 측정한다. 이러한 측정은 인라인 용존 산소 센서 또는 휴대용 용존 산소 측정기를 사용하여 수행된다.^[12]

제약 프로덕션

산소 센서는 세포배양이나 발효에 의해 생체작용제로 만들어진 활성제약성분의 생산에 중요한 역할을 한다. 산소는 세포호흡에서 중요하기 때문에, 산소센서는 생물작용제 내의 세포가 생성을 극대화하는데 필요한 산소를 얻을 수 있도록 중요한 측정을 제공한다. 산소 센서의 정확성은 매우 중요하다. 산소 부족은 생산성에 부정적인 영향을 미치고 산소가 과다하면 세포 신진대사에 변화를 초래할 수 있기 때문이다. 바이오 액터에서는 산소 센서를 수직 또는 각도로 설치할 수 있다. 수직 설치의 경우 각진 산소 센서는 정확한 판독값을 제공하는 데 도움이 된다.^[13]

산소 센서 기술

전극

클라크형 전극은 액체 속에 용해된 산소를 측정하는 데 가장 많이 사용되는 산소 센서다. 기본 원리는 전해액에 음극과 양극이 함몰되어 있다는 것이다. 산소는 확산에 의해 투과성 막을 통해 센서로 들어가 음극에서 감소하여 측정 가능한 전류를 생성한다.

산소 농도와 전류 사이에는 선형 관계가 있다. 2점 보정(0% 및 100% 공기 포화)으로 샘플 내 산소 측정이 가능하다.

이 접근방식의 한 가지 단점은 측정 중에 산소가 센서의 확산과 동일한 속도로 소비된다는 것이다. 이는 정확한 측정을 받고 정체된 물을 피하기 위해 센서를 교반해야 함을 의미한다. 센서 크기가 증가하면 산소 소비량이 증가하며 교반 민감도도 증가한다. 대형 센서의 경우 전해질 소모로 인해 시간이 지남에 따라 신호가 이동하는 경향이 있다. 그러나 클라크형 센서는 팁 크기가 10µm로 매우 작게 만들 수 있다. 그러한 마이크로센서의 산소 소비량은 너무 적어 교반에는 사실상 무감각하며 퇴적물이나 식물 조직 내부 등 정체된 매체에 사용할 수 있다.

옵토드

산소 옵티드는 산소 농도의 광학적 측정에 기초한 센서다. 화학 필름은 광케이블 끝에 접착되어 있으며, 이 필름은 산소 농도에 따라 형광 특성이 달라진다. 형광은 산소가 없을 때 최대치를 나타낸다. 산소 농도가 높을수록 형광의 수명은 짧아진다.^[14]O₂ 분자가 나오면 필름과 충돌하고, 이것이 광채 발광을 가라앉힌다. 주어진 산소 농도에서는 주어진 시간에 필름과 충돌하는 특정한₂ 수의 O 분자가 있을 것이고 형광 성질은 안정적일 것이다.

신호(불색) 대 산소 비율은 선형적이지 않으며, 낮은 산소 농도에서는 옵토드가 가장 민감하다. 즉, Stern-Volmer 관계에 따라 산소 농도가 증가함에 따라 민감도가 감소한다. 그러나 광극 센서는 물 속 산소 포화도가 0%~100%인 전체 영역에서 작동할 수 있으며, 보정은 클라크형 센서와 동일한 방식으로 이루어진다. 산소가 소비되지 않아 교반에는 무감각하지만 샘플에 넣고 교반하면 신호가 더 빨리 안정된다. 이러한 유형의 전극 센서는 물 분쇄 반응에서 산소 생성의 상황 및 실시간 모니터링에 사용될 수 있다. 플래틴화된 전극은 물 분쇄 장치에서 수소 생성의 실시간 모니터링을 수행할 수 있다.

평판형광도(planar optode)는 평판형 호일 내 산소 농도의 공간 분포를 검출하는 데 사용된다. 옵토드 프로브와 동일한 원리에 기초하여 디지털 카메라를 사용하여 특정 부위에 대한 형광 강도를 캡처한다.

참고 항목

• 배기가스분석기
• 이산화탄소 센서
• 디지판트 엔진 관리 시스템
• 연료 분사
• 제트트로닉
• 모트로닉
• 산소 포화도
• 용존산소에 대한 윙클러 시험
• 맥박산소측정법

참조