تطبيقات تقنية المراقبة عبر الإنترنت لرطوبة غازات المداخن -2

تدفق الأيونات (الزركونيا)

استنادًا إلى بحث نظري معمق وتجارب عديدة، تم التحقق من قدرة مستشعرات تدفق الأيونات على قياس الرطوبة بدقة. ويمكن تحقيق ذلك من خلال ضبط الجهد المطبق على قطبي المستشعر (الكاثود والأنود). ويعالج هذا الاكتشاف مشكلة عدم كفاءة مستشعرات الرطوبة التقليدية في العمل بكفاءة في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة (مثل تلك التي تتجاوز 100 درجة مئوية).

تُطلى أقطاب البلاتين على جانبي أكسيد الزركونيوم المُستقر. يُركّب جانب الكاثود بغطاء مزود بفتحات لتهوية الغاز لتشكيل تجويف الكاثود. عند درجة حرارة معينة، يُطبّق جهد تشغيل محدد بين قطبي الأنود والكاثود في أكسيد الزركونيوم، فتكتسب جزيئات الأكسجين داخل التجويف إلكترونات عند الكاثود لتكوين أيونات الأكسجين (O2-). تنتقل أيونات الأكسجين (O2-) إلى الأنود عبر فراغات الأكسجين في أكسيد الزركونيوم، وتُطلق إلكترونات، وتتحول إلى جزيئات أكسجين تُفرّغ إلى الخارج. تُعرف هذه الظاهرة بالمضخة الكهروكيميائية. بهذه الطريقة، يُضخ الأكسجين الموجود في تجويف الكاثود باستمرار إلى خارجه بواسطة إلكتروليت أكسيد الزركونيوم، وتتدفق أيونات الأكسجين من الكاثود عبر أكسيد الزركونيوم إلى الأنود، مُشكّلةً تيارًا من أيونات الأكسجين. عندما يكون تركيز الأكسجين في الجو المقاس ثابتًا، لا يزداد تيار خرج مستشعر الزركونيا مع زيادة الجهد المُطبّق، بل يصل إلى قيمة ثابتة. تُعرف قيمة التيار الثابتة هذه بقيمة التيار الحدية لتركيز الأكسجين هذا، والتي نسميها قيمة التيار الحدية الأولى (كما هو موضح في الشكل 1-أ). وبناءً على مبدأ التشغيل هذا، عندما يحتوي الغلاف الجوي المقاس على بخار ماء، تؤدي زيادة جهد التشغيل المطبق إلى تأين بخار الماء إلى أيونات أكسجين. وبالمثل، عندما يكون تركيز بخار الماء في الغلاف الجوي المقاس ثابتًا، يُخرج مستشعر الزركونيا قيمة تيار ثابتة، تُعرف بقيمة التيار الحدية الثانية (كما هو موضح في الشكل 1-ب). تتناسب قيمة التيار في المرحلة الأولى I1 وقيمة التيار في المرحلة الثانية I2، على التوالي، مع الضغط الجزئي للأكسجين في الغلاف الجوي المحتوي على بخار الماء.

يمكن حساب محتوى الأكسجين في غازات الاحتراق بناءً على التيار الحدي الأول، بينما يمكن حساب الرطوبة فيها وفقًا للفرق بين التيارين الحديين الأول والثاني. ولذلك، تتميز أجهزة قياس الرطوبة التي تعتمد على مبدأ التيار الحدي للزركونيا بميزة واضحة على تلك التي تستخدم مبادئ أخرى. ولأن وظيفتها الأساسية هي الكشف عن الأكسجين، وقياس الأكسجين شرط أساسي لاختبار الرطوبة، فلا يحتاج المستخدمون إلى تركيب محلل أكسجين منفصل. إذ يمكن لجهاز قياس رطوبة واحد توفير مجموعتي بيانات القياس في آن واحد.

تُصنّع العديد من الشركات في الصين أجهزة تحليل الرطوبة عالية الحرارة من نوع الشفط. وفيما يلي، نعرض منتجات شركة تشانغ آي كمثال.

لمعالجة تأثير الأجواء المسببة للتآكل على أقطاب المستشعرات، طوّرت شركة تشانغ آي مواد الأقطاب التحفيزية المصنوعة من الزركونيا والبلاتين، واعتمدت مادة إلكتروليتية جديدة بتقنية التخليق النانوي الكيميائي. تُعالج هذه الطريقة مشكلة تآكل الأقطاب وقصر عمرها الافتراضي في غازات المداخن عالية التركيز بثاني أكسيد الكبريت الناتجة عن محطات حرق النفايات، وتكليس الخامات، ومصانع السيراميك، ومحطات توليد الطاقة. علاوة على ذلك، وانطلاقًا من مبدأ مستشعرات التيار المحدود، حققت تشانغ آي ابتكارًا جريئًا بدمج مستشعري أكسجين على شريحة واحدة، ما حلّ تمامًا مشكلة عدم قدرة مستشعر الأكسجين الواحد على قياس الأكسجين الديناميكي والأكسجين الرطب الإلكتروليتي في آنٍ واحد.

يعتمد جهاز قياس تدفق الأيونات ثلاثي الأبعاد على وحدة استشعار مزدوجة لتدفق الأيونات. تقيس إحدى الوحدتين محتوى بخار الماء والأكسجين، بينما تقيس الأخرى محتوى الأكسجين النقي. ومن خلال تطبيق جهود كهربائية مختلفة لتأيين أيونات الأكسجين وخلطها ببخار الماء، يمكن الحصول على محتوى أيونات الأكسجين وبخار الماء عن طريق قياس التيار. يتميز هذا المستشعر بمقاومته العالية لدرجات الحرارة وأدائه المقاوم للتلوث، مما يُمكّنه من العمل بثبات في بيئات الغازات القاسية. يوضح الشكل 4 مبدأ عمله وبنيته.

الشكل (4) بنية مستشعر رطوبة تدفق الأيونات

يتكون جهاز تحليل الرطوبة ثلاثي الأبعاد بتقنية التدفق الأيوني CI-PC196 من مسبار أخذ عينات عالي الحرارة ووحدة تحكم الجهاز (كما هو موضح في الشكل 5). تدعم وحدة التحكم وظائف التنظيف العكسي والمعايرة التلقائية. المسبار مزود بوظيفة تتبع حراري لمنع تكثف الرطوبة داخله، ونهايته مزودة بمرشح من الفولاذ المقاوم للصدأ أو السيراميك.

الشكل (5) مقياس الرطوبة عالي الحرارة CI-PC196

يشتمل المسبار على مرشح أولي يُدخل في المدخنة، وأنبوب أخذ عينات، ووحدة تنظيف، ومستشعر يقع عند الطرف ذي درجة الحرارة العادية خارج المدخنة. يُسحب غاز المدخنة ذو درجة الحرارة العالية من المدخنة بواسطة مضخة طرد تعمل بالهواء المضغوط. يدخل غاز المدخنة عبر مدخل المستشعر ويخرج من مخرج الهواء. من خلال التحكم في ضغط ومعدل تدفق الهواء المضغوط، يمكن تنظيم معدل تدفق الغاز المسحوب. المسبار عبارة عن مستشعر أكسجين من نوع التيار، ويختلف مبدأ تشغيله عن مبدأ عمل مسابير الزركونيا ذات التركيز المباشر. في ظروف درجات الحرارة العالية، تصبح مادة الزركونيا (ZrO2) موصلة للكهرباء نتيجة لهجرة أيونات الأكسجين. عندما تتجاوز درجة الحرارة 650 درجة مئوية، تهاجر أيونات الأكسجين؛ ومع زيادة تركيز الأكسجين، يزداد التيار بشكل متناسب مع زيادة تدفق الأيونات.

بالمقارنة مع مستشعرات الرطوبة التقليدية المصنوعة من البوليمرات والإلكتروليتات والسيراميك، يختلف هذا الجهاز تمامًا من حيث التصميم الهيكلي وطرق الاختبار ومبادئ التشغيل، مما يوفر مزايا ملحوظة: فهو يتميز بمقاومة ممتازة للحرارة والتآكل (يعمل المستشعر عند درجات حرارة تتجاوز 600 درجة مئوية)، مما يسمح باستخدامه في بيئات ذات درجات حرارة عالية تزيد عن 200 درجة مئوية. يقيس الجهاز محتوى الرطوبة وفقًا لكمية بخار الماء المتحلل تحت جهد التحلل، مما يوفر انتقائية فائقة. علاوة على ذلك، يمكن لهذا المبدأ قياس الرطوبة وإخراج تركيز الأكسجين في آن واحد. يُستخدم هذا الجهاز على نطاق واسع في مجالات حماية البيئة، والطباعة والصباغة، والأخشاب، ومواد البناء، وصناعة الورق، والصناعات الكيميائية والألياف والصيدلانية، بالإضافة إلى مجالات معالجة وتخزين الأغذية والتبغ والخضراوات والحبوب.