مبدأ عمل وصيانة محلل الأكسجين المصنوع من الزركونيا
نوع بنية ومبدأ عمل مسبار الأكسجين المصنوع من الزركونيا
وفقًا لطرق الكشف المختلفة، تنقسم مجسات الأكسجين المصنوعة من الزركونيا إلى فئتين: مجس الأكسجين للكشف عن العينات ومجس الأكسجين للإدخال المباشر.
1. مسبار الأكسجين من نوع الكشف عن العينات
تعتمد طريقة الكشف عن العينات على توجيه الغاز المراد قياسه إلى حجرة الكشف المصنوعة من أكسيد الزركونيوم عبر أنبوب توجيه، ثم تسخين أكسيد الزركونيوم إلى درجة حرارة التشغيل (أعلى من 750 درجة مئوية) بواسطة عنصر تسخين. يتخذ الزركونيوم عادةً شكلاً أنبوبياً، بينما يستخدم قطب البلاتين المسامي. يتميز هذا الابتكار بأنه لا يتأثر بدرجة حرارة الغاز المراد الكشف عنه، ويمكن قياس محتوى الأكسجين في غازات ذات درجات حرارة مختلفة باستخدام أنابيب توجيه تدفق متنوعة، مما يجعله مرنًا وقابلًا للتطبيق في العديد من عمليات الكشف الصناعية المباشرة. أما عيوبه فتتمثل في بطء زمن الاستجابة، وتعقيد التركيب الذي قد يؤثر سلبًا على دقة الكشف، وسهولة انسداد أنبوب أخذ العينات عند وجود شوائب كثيرة في الغاز المراد الكشف عنه، بالإضافة إلى أن قطب البلاتين المسامي عرضة للتآكل بفعل الكبريت والزرنيخ الموجودين في الغاز، فضلًا عن انسداده بالغبار الناعم. كما أن عنصر التسخين يُسخّن عادةً بواسطة سلك كهربائي، مما يحد من عمره الافتراضي.
عندما تكون درجة حرارة الغاز المكتشف منخفضة (0-650 درجة مئوية) أو يكون الغاز المكتشف نظيفًا، فإن طريقة الكشف من نوع أخذ العينات تكون مناسبة، مثل قياس الأكسجين بواسطة آلة صنع النيتروجين وقياس الأكسجين في المختبر، وما إلى ذلك.
2. مسبار الأكسجين للكشف عن الأكسجين عن طريق الإدخال المباشر
تعتمد تقنية الكشف المباشر على إدخال الزركونيا مباشرةً في الغاز المراد قياس درجة حرارته العالية، وذلك للكشف المباشر عن محتوى الأكسجين فيه. هذه الطريقة مناسبة لدرجات حرارة تتراوح بين 700 و1150 درجة مئوية (ويمكن استخدام بنية خاصة لدرجات حرارة تصل إلى 1400 درجة مئوية). تُستغل درجة حرارة الغاز لتسخين الزركونيا إلى درجة حرارة التشغيل المطلوبة دون الحاجة إلى سخان (الشكل 3). تعتمد التقنية الأساسية لمسبار الأكسجين ذي الإدخال المباشر على منع التسرب عند درجات الحرارة العالية ومعالجة مشكلة قطب السيراميك. فيما يلي شرح لبنية نوعين من مسابير الأكسجين ذات الإدخال المباشر.
(1) أنبوب الزركونيا المتكامل
تم تطوير هذا التصميم انطلاقاً من تصميم أنبوب أكسيد الزركونيوم المستخدم في طريقة الكشف عن العينات، حيث تم إطالة أنبوب أكسيد الزركونيوم الأصلي، بحيث يمكن إدخال أكسيد الزركونيوم مباشرةً في الغاز المقاس عند درجة حرارة عالية. ولا يتطلب هذا التصميم مراعاة مشكلة منع التسرب عند درجات الحرارة العالية.
(2) مسبار أكسجين من الزركونيا من النوع الذي يتم إدخاله مباشرة
نظراً لضرورة إدخال الزركونيا مباشرةً في غاز الكشف، فإن طول مسبار الأكسجين يتطلب دقة عالية، حيث يتراوح طوله الفعال بين 500 و1000 ملم، وقد يصل إلى 1500 ملم في ظروف بيئية خاصة. ونظراً لأهمية دقة الاختبار، واستقرار التشغيل، وعمر الخدمة، يصعب اعتماد بنية أنبوب الزركونيا الكاملة في مسبار الأكسجين التقليدي، بل يُفضل استخدام بنية وصلة بين الزركونيا وأنبوب الألومينا، والتي تتطلب معايير تقنية أعلى. وتُعد كفاءة منع التسرب من أهم تقنيات هذا المسبار. حالياً، تُعد طريقة اللحام الدائم لأنبوبي الزركونيا والألومينا الطريقة الأكثر تطوراً عالمياً، وتتميز بكفاءة منع تسرب ممتازة. وبالمقارنة مع طريقة الكشف بالعينات، يتميز الكشف بالإدخال المباشر بمزايا واضحة: حيث يتلامس أكسيد الزركونيوم مباشرةً مع الغاز، مما يوفر دقة عالية في الكشف، وسرعة استجابة فائقة، وصيانة قليلة.
التطبيقات الصناعية لمسبار الأكسجين
1. استخدام الغلايات الصناعية وأفران التسخين
عند استخدام مسبار الأكسجين، توجد طريقتان لإدخال الغاز المراد قياسه: الإدخال المباشر وأخذ العينات. يتميز الإدخال المباشر بسرعة الاستجابة، وعدم الحاجة إلى سخان، وبساطة التركيب، وصغر الحجم، وسهولة الحمل، ولكنه يتطلب قياس درجة حرارة الغاز في الوقت نفسه. أما طريقة الإدخال المباشر، فتعتمد على التحكم في درجة حرارة مسبار الأكسجين بواسطة السخان، مما يوفر دقة قياس عالية وموثوقية في التشغيل، إلا أن سرعة الاستجابة تعتمد على معدل تدفق الغاز.
يُستخدم محلل الأكسجين المُدخل مباشرةً على نطاق واسع لتحديد محتوى الأكسجين في غازات المداخن للغلايات وأفران إعادة التسخين (الشكل 4). يعتمد مسبار الأكسجين المستخدم لهذا الغرض بشكل أساسي على بنية أنبوبية، ويمكن فتح الأنبوب من كلا الطرفين أو من طرف واحد، وهو الأكثر شيوعًا في السوق حاليًا. تُطلى أقطاب البلاتين المسامية على الجدران الداخلية والخارجية لأنبوب أكسيد الزركونيوم، ويمتد كل قطب داخلي إلى نهاية الأنبوب، بينما تُوصل أسلاك النيكل والكروم في نهاية الأنبوب كمخرج إشارة، مما يسمح بالتحكم في نظام الاحتراق لتحقيق احتراق منخفض الأكسجين، وبالتالي تقليل فقد الحرارة وتوفير الطاقة.
تركيب مستشعر الأكسجين
يُعدّ التركيب السليم أساسياً لضمان التشغيل الموثوق لحساس الأكسجين. وتنتج العديد من مشاكل الاستخدام عن التركيب غير الصحيح لحساس الأكسجين.
1. نقطة قياس أخذ العينات
يُعد تحديد نقطة القياس العمل الأساسي، والذي ينبغي أن يتبع المبادئ التالية:
(1) تتطلب نقطة القياس المختارة أن ينعكس الغاز المكتشف في الفرن بشكل صحيح، وذلك لضمان صحة إشارة خرج مستشعر الأكسجين وتجنب الزاوية الميتة للهواء العائد قدر الإمكان؛
(2) لا ينبغي أن تكون نقطة القياس قريبة جدًا من نقطة الاحتراق أو الفوهة، حيث يكون الغاز في هذه الأجزاء في حالة تفاعل شديد، مما سيؤدي إلى تذبذب قيمة اكتشاف مستشعر الأكسجين وتشويهها بشكل حاد؛ لا تقترب كثيرًا من معدات توليد الهواء مثل المراوح، حتى لا تتلف المستشعر بسبب اهتزاز المحرك؛
(3) يمكن للاختراع تجنب وضعه في موضع احتمال الاصطدام لتجنب إتلاف المجس نتيجة الاصطدام وضمان سلامة المستشعر
2. طريقة تركيب وتوصيل مستشعر الأكسجين
(1) يمكن تركيب مسبار الأكسجين أفقيًا أو رأسيًا، ويُفضل التركيب الرأسي. بغض النظر عن طريقة التركيب، يجب أن يكون اتجاه لوحة توجيه أنبوب أخذ العينات للمسبار في اتجاه تدفق الهواء المقاس قدر الإمكان. في التركيب الأولي، يُحدد الاتجاه الأساسي بناءً على معرفة العملية. بعد تشغيل النظام لتسخين المسبار، يُدار أنبوب أخذ العينات، ويُرصد تذبذب جهد الأكسجين الناتج بواسطة مقياس متعدد رقمي لتحديد اتجاه التوجيه الأمثل.
(2) الوصلة المستخدمة لتركيب مستشعر الأكسجين هي وصلة شفة خاصة، ويتم ترتيب وسادة الأسبستوس بحيث يتم ضغطها لضمان الإحكام، وإلا، نظرًا لأن الفرن الشائع هو ضغط سلبي، فإن التسرب عند وصلة الشفة يمكن أن يؤثر على دقة القياس أو يتسبب في تذبذب الإشارة.
(3) يُفضّل أن يكون خط إخراج الإشارة لمستشعر الأكسجين محميًا لتجنب التداخل. وأفضل طريقة هي استخدام كابلين ثنائيي النواة، أحدهما محمي ثنائي النواة لإخراج جهد الأكسجين، والآخر ثنائي النواة للتحكم في المجس وتسخين طرف التوصيل. في حال عدم توفر هذه الظروف، يمكن استخدام كابل رباعي النواة للتحكم في المجس مباشرةً لتوصيل إشارة جهد الأكسجين بطرف التسخين.
(4) يكون منفذ الغاز القياسي لمسبار الأكسجين مغلقًا عادةً، ولا يُستخدم إلا عند معايرة الغاز. أما منفذ نفخ الهواء، فيتصل بمضخة هواء أو خط أنابيب هواء مضغوط، ويُتحكم في مدخل الهواء لهذا المنفذ عادةً بواسطة صمام، مثل الصمام الكهرومغناطيسي. يُفتح الصمام مرة واحدة كل فترة زمنية محددة، فيُدخل الغاز إلى أنبوب أخذ عينات نفخ الغاز. يُغلق الصمام عند اكتشاف المسبار بشكل طبيعي، ولا يمكن لأي غاز آخر دخول أنبوب أخذ العينات. يجب على مسبار مسح الهواء المضغوط من الشركة المصنعة التأكد من خلو الهواء المضغوط من الماء، أي يجب فصل الهواء المضغوط المستخدم عن الماء.
استخدام وصيانة أجهزة استشعار الأكسجين
1. التحكم في التدفئة المتصلة
لا يعمل مسبار الأكسجين من نوع أخذ العينات بشكل طبيعي إلا بعد توصيل مستشعر الأكسجين بوحدة التحكم في التسخين، ويكون خرج المسبار في حالة البرودة إشارة عشوائية لا تحمل أي دلالة. بعد توصيل مستشعر الأكسجين بوحدة التحكم في التسخين، يمكن بدء عملية الكشف عن الغاز بشكل طبيعي عند درجة حرارة الغرفة. يتم ضبط المسبار على الصفر عند درجة حرارة الغرفة، وبعد تسخينه، يتم قياس تركيز الأكسجين في الهواء باستخدام مقياس متعدد رقمي لقياس قيمة خرج المسبار بالمللي فولت. تمثل هذه القيمة انحراف موضع الصفر للمسبار، ويجب إضافة هذا الانحراف إلى شاشة العرض لتصحيح تركيز الأكسجين المعروض.
2. اعتبارات عند تركيب أو استبدال مستشعر الأكسجين
عند تركيب أو استبدال حساس الأكسجين، يجب تصحيح قيمة تركيز الأكسجين المعروضة على جهاز تحليل الأكسجين. فبدون ذلك، قد ينحرف تركيز الأكسجين الذي يقيسه جهاز التحليل عن التركيز الفعلي بعد استبدال الحساس، مما يؤثر على دقة القياس.
3. مبدأ تصحيح تركيز الأكسجين وطريقة تصحيحه.
يُخرج مستشعر الأكسجين تركيز الغاز المقاس وقيمة فرق الجهد القياسي للهواء، والتي تُسمى جهد الأكسجين. هذه القيمة عند نقطة الصفر (أي عند قياس الهواء). يختلف جهد الخرج الأولي للمسبار، وقد يكون هناك خطأ في جهد الخرج الناتج عن تحويل تركيز الأكسجين في النموذج. لذلك، فإن معايرة إشارة المسبار في محلل الأكسجين ضرورية للغاية، وإلا سيحدث انحراف كبير بين تركيز الأكسجين وتركيز الغاز المقاس فعليًا، مما لا يلبي احتياجات الإنتاج الميداني، بل قد يُضلل عملية التحكم في الإنتاج.
عادةً ما يتم إجراء التصحيح المحدد باستخدام غاز قياسي، وتتمثل الطريقة في إدخال الغاز القياسي الذي تم تأكيده بواسطة القياس إلى المسبار من خلال منفذ الغاز القياسي، ويتم قياس جهد الأكسجين الناتج وتركيز الأكسجين المعروض على الجهاز في هذا الوقت، ويجب أن يكون تركيز الأكسجين المعروض على الجهاز هو نفسه تركيز الغاز القياسي، وإذا كان هناك أي انحراف، يتم تصحيح المعلمة الخطية للجهاز، ويتطلب القياس القياسي ثلاثة أنظمة معايرة على الأقل بغاز قياسي بتراكيز مختلفة، بحيث يتم تصحيح خطية النظام بشكل متكرر من خلال ثلاث عمليات معايرة، ويتم ضمان التشغيل الطبيعي للنظام.
4. تأثير تراكم الغبار على مستشعر الأكسجين وطريقة التطهير والتنظيف
نظرًا لأن مستشعر الأكسجين جهازٌ للكشف والقياس عبر الإنترنت على المدى الطويل، فإن الغبار الناتج عن الغلاية والمعدات الأخرى (خاصةً أفران احتراق الفحم أو أفران حرق المساحيق، وما إلى ذلك) قد يسد أنبوب أخذ عينات الغاز، مما يؤدي إلى تشويه رقمي في القياس، بل وقد يتعذر القياس تمامًا. في هذه الحالة، من الضروري مسح الغبار الموجود في أنبوب أخذ العينات بانتظام، وتحديد درجة ترسب الرماد من خلال طول أنبوب المسح ومدة المسح. تتطلب هذه الطريقة أن يحتوي محلل الأكسجين على الوظيفة المناسبة أو جهاز صيانة مستشعر الأكسجين المتوافق. في حال عدم توفر هذه الأجهزة، يمكن تركيب صمامات يدوية للتحكم في الهواء المضغوط أو مضخة هواء لضخ الهواء بانتظام إلى منفذ النفخ لتنظيف المسبار من الغبار. ولكن في هذه الحالة، يجب مراعاة الحالات التالية:
(1) نظرًا لأن جهد الأكسجين لمستشعر الأكسجين سينخفض في عملية التطهير، إلى أدنى مستوى ممكن يصل إلى 1.2 ملي فولت، فإن جهد الأكسجين المكتشف في هذا الوقت لا يمثل الغلاف الجوي في الفرن، ويجب ملاحظة هذه النقطة.
(2) يجب أن يضمن معدل تدفق هواء الكنس إزالة السخام، ويمكن ملاحظة قيمة جهد الأكسجين المُخرجة من مستشعر الأكسجين أثناء عملية الكنس. إذا لم تنخفض قيمة جهد الأكسجين، فهذا يدل على أن معدل تدفق الهواء منخفض جدًا، وأن الغبار لم يُنظف، ويجب تعديل أو فحص خط أنابيب الكنس.
(3) تتصل قناة فتحة النفخ مباشرةً بالفرن، وبعد انتهاء النفخ، يجب إغلاق الصمام، وسد فتحة النفخ، ومنع دخول هواء الضغط السلبي الموجود في الفرن، مما قد يؤثر على كشف مستشعر الأكسجين.
يجب اعتبار مستشعر الأكسجين مكونًا منفصلاً للكشف عند تحليل جودته. عند قياس جهد الأكسجين في المستشعر، يجب فصل جميع الأسلاك المتصلة به، ثم يُقاس الجهد مباشرةً عند مخرج المستشعر باستخدام مقياس رقمي ذي مقاومة داخلية عالية. بعد ذلك، تُقارن القيم المقاسة بقيم الاستخدام العادي.
التشغيل الفعلي
منذ عام 2003، اعتمد فرن التكسير في مصنعنا محلل الزركونيا عالي الحرارة ZGP2+ZDT المُدخل مباشرةً، والذي يُستخدم بشكل أساسي لقياس محتوى الأكسجين في غازات الاحتراق، ويُساهم في التحكم في احتراق فرن التكسير، ويتميز تشغيله بالاستقرار والموثوقية. في مايو 2005، لوحظ انحراف كبير نسبيًا في القيمة المُشار إليها، وكانت جميعها انحرافات موجبة. تبين وجود تسرب في مسار الغاز، حيث يتم توصيل غاز نقطة الصفر عبر مسار الغاز القياسي، كما تم اكتشاف تسرب في مقياس تدفق الدوار. نتيجةً للضغط السلبي في نظام القياس، دخل الهواء الخارجي، وبسبب ارتفاع نسبة الأكسجين في الهواء، كانت القيمة المقاسة مرتفعة، وكان التشغيل طبيعيًا. فيما يلي ملخص لعدة نقاط يجب مراعاتها عمليًا:
⑴ يجب أن يعمل أنبوب الزركونيوم بشكل طبيعي عند درجة حرارة 750 درجة مئوية، لذا يجب أن يحافظ الجهاز على درجة حرارة ثابتة
⑵ لا يوجد تسرب في أنابيب الغاز
⑶ حافظ على استقرار ضغط الحاقن عند 0.15 ميجا باسكال
⑷ يجب إغلاق مصدر غاز الطرد عند فحص الغاز القياسي وفتحه أثناء القياس.
⑸ إن وجود غازات قابلة للاحتراق مثل H2 و CO و CH4 وغيرها في غاز القياس سيؤدي إلى انخفاض نتيجة القياس.
خاتمة
يتميز جهاز قياس الأكسجين المصنوع من الزركونيا بمزايا عديدة منها: بساطة التركيب، وسرعة الاستجابة، ونطاق القياس الواسع، وارتفاع درجة حرارة الاستخدام، والتشغيل الموثوق، وسهولة التركيب، وقلة الصيانة، وما إلى ذلك.
لذلك، فقد تم استخدامه على نطاق واسع في مجالات التعدين، والصناعات الكيميائية، والطاقة الكهربائية، والسيراميك، والسيارات، وحماية البيئة، وغيرها من القطاعات الصناعية.
