Прымяненне тэхналогіі анлайн-маніторынгу вільготнасці дымавых газаў -2

Іённы паток (цырконій)

На падставе глыбокіх тэарэтычных даследаванняў і шматлікіх эксперыментаў было пацверджана, што датчыкі іённага патоку могуць дасягаць дакладнага вымярэння вільготнасці. Вымярэнне вільготнасці можна ажыццявіць шляхам рэгулявання напружання, якое падаецца на катод і анод датчыка. Гэта адкрыццё вырашае праблему, заключаную ў тым, што звычайныя датчыкі вільготнасці не могуць эфектыўна працаваць у асяроддзях з высокай тэмпературай (напрыклад, вышэй за 100°C).

Плацінавыя электроды пакрытыя з абодвух бакоў стабілізаваным ZrO2. Катодны бок мае вечка з газадыфузійнымі адтулінамі, якія ўтвараюць катодную поласць. Пры пэўнай тэмпературы на анод і катод ZrO2 падаецца пэўнае працоўнае напружанне, пасля чаго малекулы кіслароду ўнутры поласці прымаюць электроны на катодзе, утвараючы іоны кіслароду (O2-). O2- мігруе да анода праз кіслародныя вакансіі ў ZrO2, вызваляе электроны і пераўтвараецца ў малекулы кіслароду, якія вылучаюцца вонкі. Гэта з'ява вядомая як электрахімічны помпа. Такім чынам, кісларод у катоднай поласці бесперапынна выпампоўваецца з поласці электралітам ZrO2, і іоны кіслароду цякуць з катода праз ZrO2 да анода, утвараючы ток іонаў кіслароду. Калі канцэнтрацыя кіслароду ў вымяранай атмасферы пастаянная, выходны ток цырконіевага датчыка больш не павялічваецца з павелічэннем прыкладзенай напругі, а дасягае пастаяннага значэння. Гэта пастаяннае значэнне току называецца гранічнымі значэннемі току для гэтай канцэнтрацыі кіслароду, якія мы называем першым гранічнымі значэннемі току (як паказана на малюнку 1-A). Зыходзячы з гэтага прынцыпу працы, калі вымяраная атмасфера ўтрымлівае вадзяную пару, павелічэнне прыкладзенага працоўнага напружання прыводзіць да іянізацыі вадзяной пары ў іоны кіслароду. Аналагічна, калі канцэнтрацыя вадзяной пары ў вымяранай атмасферы пастаянная, цырконіевы датчык выдае пастаяннае значэнне току, якое называецца другім гранічны значэннем току (як паказана на малюнку 1-B). Значэнне току першай ступені I1 і значэнне току другой ступені I2 адпаведна прапарцыйныя парцыяльнаму ціску кіслароду і парцыяльнаму ціску кіслароду ў атмасферы, якая змяшчае вадзяную пару.

Утрыманне кіслароду ў дымавых газах можна разлічыць, зыходзячы з першага абмежавальнага току, а вільготнасць у дымавых газах — па рознасці паміж другім і першым абмежавальнымі токамі. Такім чынам, вільготныя вымяральнікі, якія выкарыстоўваюць прынцып абмежавальнага току на аснове дыяксіду цырконія, маюць відавочную перавагу перад тымі, якія выкарыстоўваюць іншыя прынцыпы. Паколькі іх асноўнай функцыяй з'яўляецца выяўленне кіслароду, а вымярэнне кіслароду з'яўляецца неабходнай умовай для праверкі вільготнасці, карыстальнікам не трэба ўсталёўваць асобны аналізатар кіслароду. Адзін вільготны вымяральнік можа адначасова забяспечваць абодва наборы дадзеных вымярэнняў.

Высокатэмпературныя аналізатары вільготнасці ўсмоктвальнага тыпу вырабляюцца некалькімі кампаніямі ў Кітаі. Тут у якасці прыкладу прадстаўлена прадукцыя кампаніі Chang Ai.

Каб вырашыць праблему ўздзеяння каразійных атмасфер на электроды датчыкаў, Чанг Ай удасканаліў матэрыялы каталітычных электродаў з цырконію і плаціны і выкарыстаў новы электралітычны матэрыял з дапамогай тэхналогіі нанахімічнага сінтэзу. Гэты метад вырашае праблему карозіі электродаў і кароткага тэрміну службы ў дымавых газах з высокім утрыманнем SO2, якія ўзнікаюць у выніку спальвання адходаў, кальцынацыі руды, керамічных заводаў і электрастанцый. Акрамя таго, абапіраючыся на аснову датчыкаў абмежавальнага току, Чанг Ай зрабіў смелую інавацыю, сумесна абпаліўшы два датчыкі кіслароду на адным чыпе, цалкам вырашыўшы праблему, заключаную ў тым, што адзін датчык кіслароду не можа адначасова вымяраць дынамічны кісларод і электралітычны вільготны кісларод.

У трохмернай прыладзе для вымярэння патоку іонаў выкарыстоўваецца падвойны датчык патоку іонаў. Адзін блок вымярае ўтрыманне вадзяной пары і кіслароду, а другі — утрыманне чыстага кіслароду. Прыкладаючы розныя напружанні для іанізацыі іонаў кіслароду і змешвання іх з вадзяной парай, можна вымераць утрыманне іонаў кіслароду і вадзяной пары шляхам вымярэння току. Дзякуючы высокай тэрмаўстойлівасці і ўстойлівасці да забруджвання, гэты датчык можа стабільна працаваць у агрэсіўных газавых асяроддзях. Яго прынцып і структура паказаны на малюнку 4.

Малюнак (4) Структура датчыка вільготнасці іённага патоку

3D-аналізатар вільготнасці іённага патоку CI-PC196 складаецца з высокатэмпературнага зонда для адбору проб і блока кіравання прыборам (як паказана на малюнку 5). Блок кіравання падтрымлівае функцыі аўтаматычнай зваротнай прамыўкі і аўтаматычнай каліброўкі. Зонд абсталяваны функцыяй цеплаабменніка для прадухілення ўтварэння кандэнсату ўнутры яго, а яго канец абсталяваны фільтрам з спечанай нержавеючай сталі або керамікі.

Малюнак (5) CI-PC196 Высокатэмпературны вільготны вымяральнік

Зонд уключае ў сябе першасны фільтр, устаўлены ў комін, трубку для адбору проб, блок выканання прадуўкі і датчык, размешчаны на канцы з нармальнай тэмпературай звонку коміна. Высокатэмпературны дымавы газ адсмоктваецца з коміна эжекторным помпай, які прыводзіцца ў рух сціснутым паветрам. Дымавы газ паступае праз уваход датчыка і выходзіць праз выхад паветра. Рэгулюючы ціск і хуткасць патоку сціснутага паветра, можна рэгуляваць хуткасць патоку ўсмоктванага газу. Зонд уяўляе сабой кіслародны датчык токавага тыпу з прынцыпам працы, які адрозніваецца ад прынцыпу працы цырконіевых зондаў канцэнтрацыйнага тыпу з прамым увядзеннем. Ва ўмовах высокай тэмпературы матэрыял з цырконія (ZrO2) становіцца праводным з-за міграцыі іонаў кіслароду. Калі тэмпература перавышае 650°C, іёны кіслароду мігруюць; па меры павелічэння канцэнтрацыі кіслароду ток павялічваецца прапарцыйна павелічэнню патоку іонаў.

У параўнанні са звычайнымі палімернымі, электралітнымі і керамічнымі датчыкамі вільготнасці, гэты прыбор цалкам адрозніваецца з пункту гледжання структурнай канструкцыі, метадаў выпрабаванняў і прынцыпаў працы, тым самым прапаноўваючы значныя перавагі: ён валодае выдатнай тэмпературнай устойлівасцю і каразійнай устойлівасцю (датчык працуе пры тэмпературы вышэй за 600°C), што дазваляе выкарыстоўваць яго ў асяроддзях з высокай тэмпературай вышэй за 200°C. Ён вымярае ўтрыманне вільгаці ў адпаведнасці з колькасцю раскладання вадзяной пары пад напружаннем раскладання, тым самым забяспечваючы найвышэйшую селектыўнасць. Акрамя таго, гэты прынцып дазваляе сінхронна вымяраць вільготнасць і канцэнтрацыю кіслароду на выхадзе. Ён шырока выкарыстоўваецца ў ахове навакольнага асяроддзя, паліграфічнай і фарбавальнай прамысловасці, дрэваапрацоўчай прамысловасці, вытворчасці будаўнічых матэрыялаў, паперы, хімічнай, валаконнай і фармацэўтычнай прамысловасці, а таксама ў галінах апрацоўкі і захоўвання харчовых прадуктаў, тытуню, гародніны і збожжа.