Что такое пульсоксиметр?

Что такое пульсоксиметр?

Рисунок 1. Обзор измерителя кислорода

Пульсоксиметры — это приборы, используемые для измерения концентрации кислорода в воздухе.

Иногда их называют датчиком кислорода или монитором кислорода. Поскольку кислород необходим для жизни человека, крайне важно контролировать концентрацию кислорода в окружающей среде.

Кроме того, существует множество случаев, когда требуется точный контроль концентрации кислорода в различных научных и промышленных областях, и приборы производятся для удовлетворения конкретных задач.

Применение пульсоксиметров

Пульсоксиметры используются в следующих двух основных областях применения

• Мониторинг (обнаружение и мониторинг) концентрации кислорода с целью предотвращения дефицита кислорода
• Контроль концентрации кислорода в промышленных процессах и т. д.

При профилактике дефицита кислорода, концентрация кислорода контролируется с целью жизнеобеспечения в закрытых помещениях, таких как туннели. Говорят, что если концентрация кислорода упадет ниже 15%, у человека возникнут трудности с дыханием, если она упадет ниже 7%, нарушится работа мозга, а если она упадет ниже 4%, наступит смерть. Оборудование поставляется в переносном и настенном вариантах.

В некоторых промышленных процессах термообработки, таких как химическая промышленность, керамика и металлургия, уровень кислорода должен поддерживаться на низком уровне. Процессы сжигания в промышленных печах также требуют мониторинга и контроля концентрации кислорода для оптимизации эффективности сгорания и окислительно-восстановительного процесса. Пульсоксиметры для этих промышленных целей должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать суровые условия, такие как высокотемпературные поля химических реакций.

Принцип работы пульсоксиметров

Два основных принципа работы пульсоксиметров — это «тип гальванического элемента» и «тип твердого электролита на основе циркония». Другие типы включают «магнитный тип» и «тип спектрометра с настраиваемой длиной волны полупроводникового лазера».

1. Тип гальванической батареи

Рисунок 2. Принципиальная схема анализатора кислорода на основе гальванической ячейки

Гальваническая ячейка состоит из смоляной мембраны, которая пропускает кислород из внешнего мира, золотых (Au) и свинцовых (Pb) электродов и электролита (раствор гидроксида калия). На каждом электроде происходят следующие реакции

• Анод: Pb + 2OH- → Pb2+ +H2O + 2e-
• Катод: O2 + 2H2O + 4e- → 4H2O

Электроны, испускаемые на аноде, достигают катода, где кислород, поступающий из воздуха, забирает электроны, испускаемые на аноде. Поскольку поток электронов (ток) пропорционален концентрации кислорода, концентрацию кислорода можно измерить, измеряя ток. Поскольку эта реакция происходит спонтанно, для работы датчика не требуется источник питания.

2. Метод твердого электролита циркония

Рисунок 3. Принципиальная схема циркониевого твердоэлектролитного кислородомера

В этом методе используется циркониевая ячейка, что позволяет использовать тот факт, что цирконий проявляет свойства твердого электролита при температурах 500 °C и выше.

Цирконий может проводить отрицательные ионы кислорода (O2-) в твердом состоянии, и ионы проводятся из газа с высокой концентрацией кислорода (в воздухе) в атмосферу с низкой концентрацией кислорода (например, в промышленной печи).

Эта ионная проводимость создает разность потенциалов, и электроды размещаются на стороне с высокой концентрацией O2 и стороне с низкой концентрацией O2 соответственно, чтобы генерировать электродвижущую силу. Соотношение такое же, как у положительных и отрицательных электродов батареи.

• Сторона с высокой концентрацией O2: O2 + 4e- → 2O2-
• Сторона с низкой концентрацией O2: 2O2- → O2 + 4e-

Электродвижущая сила, возникающая между электродами, подчиняется уравнению Нернста (см. ниже), поэтому можно определить парциальное давление кислорода на каждом электроде.

• E=(RT/4F)-ln(PA/PB)
• (R: газовая постоянная, T: температура, F: постоянная Фарадея, PA: парциальное давление кислорода при высокой концентрации (в воздухе), PB: парциальное давление кислорода при низкой концентрации)

Температура измеряется термопарами, прикрепленными к цирконию.

В атмосфере с температурой около 400°C или ниже целевой газ вводится в устройство через пробоотборную трубку, а циркониевая ячейка нагревается до заданной температуры с помощью платинового нагревателя и т. д. (метод отбора проб). Это связано с тем, что цирконию требуется температура 500°C или выше для функционирования в качестве твердого электролита.

Как выбрать пульсоксиметр

Для профилактики дефицита кислорода и поддержания низких концентраций кислорода в промышленных процессах следует использовать различные пульсоксиметры.

Портативные и стационарные измерители кислорода, предназначенные для профилактики дефицита кислорода, используют гальванические элементы, которым не требуется источник питания для питания датчика. Срок службы датчика составляет приблизительно от 2 до 3 лет. Однако пригодная для использования среда ограничена атмосферой, аналогичной общей среде, а точность составляет около ±0,5% O2. Некоторые изделия взрывобезопасны.

С другой стороны, изделия на основе циркония используются для измерения концентрации кислорода в высокотемпературных промышленных процессах, таких как промышленные печи и т. д. При температуре атмосферы 700 °C или выше используется тип прямой вставки, при котором датчик вставляется непосредственно в атмосферу, тогда как при температуре ниже 400 °C используется отдельная циркониевая ячейка, при которой атмосферный газ втягивается внутрь печи через пробоотборную трубку и т. д. Для температур ниже 400 °C подходит метод отбора проб, при котором атмосферный газ втягивается из печи через пробоотборную трубку и отдельно нагревается циркониевая ячейка.