เซ็นเซอร์ไนโตรเจนออกไซด์

เซ็นเซอร์ไนโตรเจนออกไซด์หรือเซ็นเซอร์NO _xโดยทั่วไปเป็นอุปกรณ์ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูง สร้างขึ้นเพื่อตรวจจับไนโตรเจนออกไซด์ในสภาพแวดล้อมการเผาไหม้ เช่นท่อไอเสียรถยนต์รถ บรรทุก หรือปล่องควัน

คำว่าNO _xหมายถึงสารประกอบออกไซด์ของไนโตรเจนหลายรูปแบบ เช่น NO ( ไนตริกออกไซด์ ), NO ₂ ( ไนโตรเจนไดออกไซด์ ) และ N ₂ O ( ไนตรัสออกไซด์หรือที่รู้จักกันในชื่อก๊าซหัวเราะ) ในเครื่องยนต์เบนซิน NO เป็นสารประกอบNO _x ที่พบได้มากที่สุด ประมาณ 93% ในขณะที่ NO ₂มีประมาณ 5% และส่วนที่เหลือคือ N ₂ O นอกจากนี้ยังมีสารประกอบNO _x รูปแบบอื่นๆ เช่น N ₂ O ₄ ( ไดเมอร์ของ NO ₂ ) ซึ่งมีอยู่เฉพาะที่อุณหภูมิต่ำกว่า และ N ₂ O ₅เป็นต้น^{[ 1 ]}

ในขณะเดียวกัน สำหรับเครื่องยนต์ดีเซล สถานการณ์การปล่อยมลพิษนั้นแตกต่างออกไป เนื่องจากอุณหภูมิการเผาไหม้ที่สูงกว่ามาก (ซึ่งเป็นผลมาจากอัตราส่วนการอัดในกระบอกสูบที่สูง รวมถึงการใช้เทอร์โบชาร์จหรือซูเปอร์ชาร์จ) เครื่องยนต์ดีเซลจึงปล่อยก๊าซNO _xออกมามากกว่าเครื่องยนต์เบนซินแบบจุดระเบิดด้วยประกายไฟมาก อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเทคโนโลยีลดมลพิษแบบเลือกใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา (SCR) ในปัจจุบัน ทำให้เครื่องยนต์ดีเซลที่ติดตั้งอุปกรณ์อย่างเหมาะสมสามารถปล่อยก๊าซNO _x ออก มาในปริมาณที่ใกล้เคียงกับเครื่องยนต์เบนซินทั่วไปที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาแบบ 3 ทางได้ SCR จะเปลี่ยนสารประกอบไนโตรเจนออกไซด์ที่เป็นอันตรายโดยการเติมสารละลายAdBlueซึ่งช่วยลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมและปกป้องระบบไอเสีย นอกจากนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของดีเซลยังช่วยเพิ่มสัดส่วนของ NO ₂ใน " NO _x " อย่างมีนัยสำคัญ โดยการออกซิได ซ์ NO มากกว่า 50% โดยใช้ออกซิเจนส่วนเกินใน ก๊าซไอเสีย ของดีเซล

ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ทำให้ผู้คนสามารถตรวจสอบคุณภาพอากาศผ่านเซ็นเซอร์ราคาประหยัดที่กระจายอยู่ทั่วไป^{[ 2 ]} แรงผลักดันในการพัฒนา เซ็นเซอร์ NO _xเกิดจากปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม ก๊าซ NO _xสามารถก่อให้เกิดปัญหาต่างๆ เช่นหมอกควันและฝนกรดรัฐบาลหลายแห่งทั่วโลกได้ออกกฎหมายเพื่อจำกัดการปล่อยก๊าซเหล่านี้ (รวมถึงก๊าซจากการเผาไหม้อื่นๆ เช่นSOx (ออกไซด์ของกำมะถัน ), CO ( คาร์บอนมอนอกไซด์ ) และ CO ₂ ( คาร์บอนไดออกไซด์ ) และไฮโดรคาร์บอน ) บริษัทต่างๆ ตระหนักว่าวิธีหนึ่งในการลด การปล่อย NO _xคือการตรวจจับก่อน จากนั้นจึงใช้กลไกป้อนกลับบางอย่างในกระบวนการเผาไหม้ ซึ่งจะทำให้สามารถลด การผลิต NO _x ได้ เช่น การเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้หรือการสร้างกับ ดัก NO _x ขึ้นใหม่ ดังนั้น ในการใช้งานหลายๆ อย่างที่มีระบบบำบัดก๊าซไอเสีย จึงใช้เซ็นเซอร์ NOx หนึ่งตัวที่ต้นน้ำของระบบบำบัดก๊าซไอเสีย (ต้นน้ำ) และใช้เซ็นเซอร์ตัวที่สองที่ปลายน้ำของระบบบำบัดก๊าซไอเสีย เซ็นเซอร์ต้นทางใช้สำหรับวงจรป้อนกลับที่กล่าวถึงข้างต้น ในขณะที่เซ็นเซอร์ปลายทางใช้เพื่อยืนยันว่าไม่ได้เกินขีดจำกัดการปล่อยมลพิษตามที่กฎหมายกำหนด

เนื่องจากอุณหภูมิสูงของสภาพแวดล้อมการเผาไหม้ วัสดุบางประเภทเท่านั้นที่สามารถทำงานได้ในสภาพแวดล้อมนั้น เซ็นเซอร์ NO _xส่วนใหญ่ที่พัฒนาขึ้นมานั้นทำจาก โลหะออกไซด์ชนิด เซรามิกโดยชนิดที่พบมากที่สุดคือเซอร์โค เนียที่ เสถียร ด้วยอิตเทรียม ออกไซด์ (YSZ) ซึ่งปัจจุบันใช้ในเซ็นเซอร์ออกซิเจน ที่มีมานานหลายทศวรรษ แล้ว YSZ ถูกอัดแน่นเป็นเซรามิกที่มีความหนาแน่นสูงและนำไอออนออกซิเจน (O ²⁻ ) ได้ที่อุณหภูมิสูงของท่อไอเสีย เช่น ที่ 400 °C ขึ้นไป เพื่อให้ได้สัญญาณจากเซ็นเซอร์ จะวางอิเล็กโทรดทนความร้อนสูงคู่หนึ่ง เช่น โลหะมีค่า ( แพลทินัม ทองหรือแพลเลเดียม) หรือโลหะออกไซด์อื่นๆ ไว้บนพื้นผิว และวัดสัญญาณไฟฟ้า เช่น การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าเป็นฟังก์ชันของความเข้มข้น ของ NO _x

ระดับของ NO อยู่ที่ประมาณ 50–1000 ppm ( ส่วนในล้านส่วน ) และ NO₂ _อยู่ที่ 10–100 ppm ในช่วงความเข้มข้นของ O₂ 1–10% _{เซ็นเซอร์}จะต้องมีความไวสูงมากจึงจะตรวจจับระดับเหล่านี้ได้

ความท้าทายหลักในการพัฒนาเซนเซอร์ ได้แก่ ความสามารถในการเลือกจำแนก ความไว ความเสถียร ความสามารถในการทำซ้ำ เวลาตอบสนอง ขีดจำกัดการตรวจจับ และต้นทุน นอกจากนี้ เนื่องจากสภาพแวดล้อมที่รุนแรงของการเผาไหม้ อัตราการไหลของก๊าซที่สูงอาจทำให้เซนเซอร์เย็นลง ซึ่งส่งผลต่อสัญญาณ หรืออาจทำให้ขั้วไฟฟ้าหลุดลอกเมื่อเวลาผ่านไป และ อนุภาค เขม่าอาจทำให้วัสดุเสื่อมสภาพได้

หนึ่งในความท้าทายหลักที่เซ็นเซอร์ก๊าซดังกล่าวเผชิญคือความชื้น ผลกระทบต่อการตอบสนองของสัญญาณนั้นขึ้นอยู่กับประเภทของเซ็นเซอร์เป็นอย่างมาก เซ็นเซอร์ทางเคมีไฟฟ้าส่วนใหญ่จะไม่ได้รับผลกระทบจากความชื้น เนื่องจากโมเลกุลของน้ำช่วยควบคุมความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ แต่การสัมผัสกับก๊าซแห้งเป็นเวลานานสามารถลดความเข้มข้นของตัวทำละลายของอิเล็กโทรไลต์ได้ มีการสังเกตความไวต่อสารอื่นในปริมาณมากในเซ็นเซอร์ก๊าซเนื่องจาก กลไก การแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน ที่คล้ายคลึงกัน ระหว่างก๊าซเป้าหมายและโมเลกุลของน้ำ^{[ 3 ]}

• รายการเซ็นเซอร์