Перавагі 3D-аналізатара кіслароду з іённым патокам пры выяўленні высокага ўтрымання

Перавагі 3D- аналізатара кіслароду з іённым патокам пры выяўленні высокага ўтрымання

Янь Хуай Чжы

(Шанхайская кампанія па электронных тэхналогіях Чан Ай, ТАА)

Рэзюмэ: З гадамі параметры высокага ўтрымання кіслароду сталі асновай прамысловых кантролераў газу/паветра. У цяперашні час асноўнымі метадамі вымярэння лішку кіслароду з'яўляюцца метад абсарбцыі раствора медзі і аміяку, парамагнітны датчык лішку кіслароду, электрахімічны датчык кіслароду, цырконіевы (ZrO2) і гэтак далей. У гэтым артыкуле прадстаўлены сем прынцыпаў вымярэння кіслароду і вымярэнне асяроддзя з высокім утрыманнем кіслароду.

Ключавыя словы: метад абсарбцыі ў медна-аміячным растворы, аксід цырконія, іённы ток, высокае ўтрыманне кіслароду, магнітна-механічны тып.

Агульныя прынцыпы вымярэння кіслароду:

1. Метад абсорбцыі медна-аміячнага раствора

Медна-аміячны раствор рыхтуецца з хларыду амонію, чыстай медзі і аміячнай вады. Калі пэўная колькасць газу (кіслароду) кантактуе з медна-аміячным растворам, у прысутнасці аміячнай вады кісларод (O2) рэагуе з меддзю (Cu) з утварэннем аксіду медзі (CuO) і аксіду медзі (Cu2O), і адбываюцца наступныя хімічныя рэакцыі:

Аксід медзі (CuO) і аксід медзі (Cu2O) утвараюцца адпаведна пад уздзеяннем аміячнай вады і хларыду амонію, прычым утвараюцца растваральная высокавалентная соль медзі Cu(NH3)2Cl2 і нізкавалентная соль медзі Cu(NH3)2Cl. Танная соль медзі паглынае кісларод і ператвараецца ў дарагую соль медзі, дарагая соль медзі аднаўляецца меддзю ў танную соль медзі, а танная соль медзі рэагуе з кіслародам. Цыкл працягваецца да таго часу, пакуль не скончыцца спажыванне кіслароду ў газе, а затым аб'ёмная працэнтная канцэнтрацыя кіслароду ў газе можа быць атрымана ў залежнасці ад памяншэння аб'ёму газу. Пакуль ва ўсім працэсе прысутнічае дастаткова чыстай медзі, хімічная рэакцыя можа працягвацца.

2. Метад канцэнтрацыі аксіду цырконія ў батарэі

Плацінавыя (Pt) электроды спякаюцца з абодвух бакоў электраліта з аксіду цырконія (трубка ZrO2). Пры пэўнай тэмпературы, калі канцэнтрацыя кіслароду з абодвух бакоў электраліта розная, малекулы кіслароду з боку высокай канцэнтрацыі (паветра) адсарбуюцца на плацінавым электродзе і злучаюцца з электронамі (4e), утвараючы іоны кіслароду O2-, што прыводзіць да станоўчага зараду электрода. Іоны O2- пераносяцца на Pt-электрод з боку нізкай канцэнтрацыі праз вакансіі іонаў кіслароду ў электраліце, вызваляючы электроны, якія пераўтвараюцца ў малекулы кіслароду, у выніку чаго электрод зараджаецца адмоўна. Рэжымы рэакцыі двух электродаў наступныя: Бак апоры: O2+4e——2O2- Бак вымярэння: 2O2-－4e——O2

Такім чынам, паміж двума электродамі ўзнікае пэўная электрарухальная сіла: цырконіевы электраліт, плацінавы электрод і газ з рознай канцэнтрацыяй кіслароду з абодвух бакоў, што ўтварае кіслародны зонд, а менавіта так званую цырконіевую батарэю канцэнтрацыі. Электрарухальная сіла E паміж двума каскадамі атрымліваецца па формуле Нернста:

У E=RT/nFln(P0/P1), E — канцэнтрацыя выйсця батарэі; n — лік пераносу электронаў (4 у гэтай формуле); R — ідэальная газавая пастаянная, 8,314 Вт·С/моль; T — абсалютная тэмпература (K); F — пастаянная Фарадэя, 96500 C; P1 — працэнт канцэнтрацыі кіслароду ў вымяраемым газе; P0 — працэнт канцэнтрацыі кіслароду ў эталонным газе.

Формула з'яўляецца асновай вымярэння кіслароду ў батарэі канцэнтрацыі аксіду цырконію. Пры награванні тэмпературы трубкі з аксіду цырконію да 600-1400°C у якасці эталоннага газу з вядомай канцэнтрацыяй кіслароду выкарыстоўваецца газ на баку высокай канцэнтрацыі, напрыклад, паветра (P0 = 20,60%), які знаходзіцца на баку высокай канцэнтрацыі, і вымяраецца выходная электрарухальная сіла E батарэі канцэнтрацыі і абсалютная тэмпература T вымяранага газу, і можна разлічыць парцыяльны ціск (канцэнтрацыю) кіслароду P0 вымяранага газу, што з'яўляецца асноўным прынцыпам батарэі канцэнтрацыі аксіду цырконію.

3. Цырконій шырокага профілю

Кампаненты шырокапалоснага кіслароднага датчыка складаюцца з дзвюх частак: адна - гэта ўпускная камера, другая - кіслародны помпа.

Датчык, адзін бок якога датыкаецца з атмасферай, а другі бок — выпрабавальнай камерай, датыкаецца з выхлапнымі газамі праз дыфузійную адтуліну, як і звычайны цырконіевы кіслародны датчык. Паколькі ўтрыманне кіслароду ў абодвух баках датчыка рознае, генеруецца электрарухальная сіла Us. Звычайны цырконіевы датчык прымае напружанне ў якасці ўваходнага сігналу блока кіравання для кіравання суадносінамі паветра і паліва. Але шырокапалосны кіслародны датчык адрозніваецца ад гэтага: блок кіравання рухавіком падтрымлівае напружанне на ўзроўні 0,45 В, каб забяспечыць аднолькавае ўтрыманне кіслароду ў абодвух баках індукцыйнай камеры. Гэта напружанне з'яўляецца толькі эталонным стандартным значэннем камп'ютара, для завяршэння працы патрэбна іншая частка датчыка.

Кіслародны помпа падключаны да выпрабавальнай камеры з аднаго боку, а да выхлапной сістэмы з другога. Кіслародны помпа выкарыстоўвае прынцып рэакцыі цырконіевага датчыка для падачы напружання на цырконіевы кампанент (кіслародны помпа), што выклікае рух іёнаў кіслароду, перапампоўваючы кісларод з выхлапных газаў у выпрабавальную камеру, так што значэнне напружання з абодвух бакоў індукцыйнай камеры падтрымліваецца на ўзроўні 0,45 В, напружанне, якое прыкладаецца да кіслароднага помпы, з'яўляецца сігналам патрэбнага ўтрымання кіслароду. Калі сумесь занадта густая, утрыманне кіслароду ў выхлапных газах памяншаецца, і кіслароду з дыфузійнай адтуліны становіцца больш, і напружанне індукцыйнай камеры павялічваецца. Для дасягнення балансу блок кіравання рухавіком павялічвае кіруючы ток, каб павялічыць эфектыўнасць кіслароднага помпы і ўтрыманне кіслароду ў выпрабавальнай камеры, так што напружанне індукцыйнай камеры можна рэгуляваць да 0,45 В; і наадварот, калі сумесь занадта разрэджаная, утрыманне кіслароду ў выхлапных газах павялічваецца. У гэты час кісларод будзе паступаць у выпрабавальную камеру з дыфузійнай адтуліны, і напружанне індукцыйнай камеры будзе зніжацца. У гэты час кісларод з помпы будзе выкідвацца, каб збалансаваць утрыманне кіслароду ў выпрабавальнай камеры, такім чынам напружанне ў індукцыйнай камеры будзе падтрымлівацца на ўзроўні 0,45 В. Карацей кажучы, напружанне, дададзенае да кіслароду з помпы, можа гарантаваць, што калі кіслароду ў выпрабавальнай камеры больш, кісларод у поласці выкідваецца, тады кіруючы ток блока кіравання рухавіком будзе дадатным; калі кіслароду ў поласці мала, кісларод падаецца, і кіруючы ток блока кіравання рухавіком будзе адмоўным. Ток, які падаецца на кісларод з помпы ў вышэйзгаданым працэсе, адлюстроўвае каэфіцыент лішку паветра ў выхлапных газах.

4.Электрахімічны

Электрахімічны датчык складаецца з металічнага электрода + свінцовага (або графітавага) электрода + электраліта, кантактны металічны ліст у якасці вываду электрода злучаны адпаведна з катодам і анодам, і электраліт перацякае праз мноства круглых адтулін на верхняй паверхні катода, утвараючы тонкі пласт электраліта. Пласт электраліта пакрыты газапранікальнай плёнкай з політэтрафторэтылену (ПТФЭ). Газападобная проба трапляе ў тонкі пласт электраліта праз пранікальную мембрану і ўступае ў хімічную рэакцыю. Напрыклад, калі ў якасці металічнага электрода выкарыстоўваецца срэбра, кісларод у газавай пробе ўступае ў наступную электрахімічную рэакцыю на электродзе:

сярэбраны катод: O2+2H2O+4e-→4OH-

Свінцовы анод: 2Pb+4OH-→2PbO+2H2O+4e-

рэакцыя сінтэзу батарэі: O2+2Pb→2PbO

Ток, які генеруецца іонамі OH-, прапарцыйны канцэнтрацыі кіслароду ў газавай пробе.

5. Магнітна-механічны тып

Любое рэчыва можа намагнічыцца пад дзеяннем знешняга магнітнага поля. Магнітная ўспрымальнасць k і адносная пранікальнасць μr розных матэрыялаў таксама адрозніваюцца з-за рознага структурнага складу рэчыва.

Калі μr>1,k>0, рэчыва або газ могуць прыцягвацца магнітным полем, што называецца парамагнітным рэчывам. Кісларод — гэта парамагнітнае рэчыва, і яго аб'ёмная ўспрымальнасць k=106,2×10⁻⁶ пры 20°C. Калі μr<1, k<0, рэчыва або газ адштурхоўваюцца магнітным полем, што называецца дыямагнітным рэчывам. Азот — гэта дыямагнітнае рэчыва, і аб'ёмная ўспрымальнасць k=-0,34×10⁻⁶ пры 20°C. Толькі магнітная ўспрымальнасць O2 у розных газах з'яўляецца найбольшай, а магнітная ўспрымальнасць іншых газаў вельмі малая ў параўнанні з аб'ёмнай магнітнай успрымальнасцю кіслароду (акрамя NO). Аб'ёмная магнітная ўспрымальнасць змешанага газу ў асноўным вызначаецца аб'ёмнай магнітнай успрымальнасцю кіслароду і яго працэнтным утрыманнем. Працэнтнае ўтрыманне кіслароду ў змешаным газе можна атрымаць, пакуль можна вымераць аб'ёмную магнітную ўспрымальнасць k-змешанага газу.

Магнітны кіслародамер заснаваны на прынцыпе парамагнетызму кіслароду і максімальнай магнітнай успрымальнасці для аналізу ўтрымання кіслароду ў газавай сумесі.

Магнітна-механічны датчык складаецца з пары кварцавых шкляных шарыкаў-гантэляў, напоўненых азотам. Шарыкі-гантэлі акружаны плацінавым дротам, утвараючы электрычную пятлю зваротнай сувязі. Шарыкі-гантэлі падвешаны ў магнітным полі, а пасярэдзіне шарыкаў-гантэляў размешчаны невялікі адбівальнік. Калі вакол гантэлі ёсць малекулы кіслароду, малекулы штурхаюць сферу гантэлі, каб яна адхілілася пад дзеяннем магнітнага поля. Чым вышэй канцэнтрацыя кіслароду, тым большы вугал адхілення. Дакладная аптычная сістэма, якая складаецца з крыніцы святла, адбівальніка і фотаадчувальнага элемента, вымярае гэта адхіленне і пераўтварае яго ў электрычны сігнал. Пасля ўзмацнення сігналу ўзмацняльнікам праз ланцуг зваротнай сувязі ўтвараецца пятля току, і пад дзеяннем магнітнага поля гантэля вымушана вяртацца ў зыходнае раўнаважнае становішча. Значэнне току ў гэтым ланцугу прапарцыйнае канцэнтрацыі кіслароду.

6. Лазер

Прынцып лазернага вымярэння кіслароду наступны: інфрачырвоны лазер, размешчаны на адным баку перадатчыка, выпраменьваецца на прыёмнік, размешчаны на процілеглым баку. Тэхніка вымярэння заснавана на рознасці паглынання святла малекуламі газу. Большасць газаў паглынаюць толькі святло пэўнай даўжыні хвалі, і паглынанне святла з'яўляецца прамым адлюстраваннем утрымання газу.

Даўжыню хвалі лазера можна атрымаць шляхам сканавання абранай лініі паглынання, а выяўленая інтэнсіўнасць святла змяняецца ў залежнасці ад даўжыні хвалі лазера з-за паглынання пэўных малекул газу дыёдным лазерам і дэтэктарам. Для павышэння яго адчувальнасці можна выкарыстоўваць тэхніку мадуляцыі даўжыні хвалі: пры сканаванні лініі паглынання даўжыня хвалі лазера злёгку карэктуецца. Сігнал другой гармонікі выкарыстоўваецца для вымярэння канцэнтрацыі паглынальнага газу. Паколькі лініі паглынання іншых газаў не існуюць на пэўнай даўжыні хвалі, няма прамых перашкод ад іншых газаў. Канцэнтрацыя вымяранага газу прапарцыйная амплітудзе лініі паглынання.

7. Паток іонаў цырконія

Прынцып працы іённага датчыка кіслароду паказаны на малюнку 1.

Плацінавыя электроды пакрытыя з абодвух бакоў стабілізаваным ZrO2, а бок катода злучаны вечкам з адтулінай для газавай дыфузіі, утвараючы катодную поласць. Пры пэўнай тэмпературы, калі да двух бакоў электрода ZrO2 прыкладаецца пэўнае напружанне, малекулы кіслароду ў поласці атрымліваюць электрон, утвараючы іоны кіслароду (O2-) на катодзе. O2- перамяшчаецца да анода праз кіслародную вакансію ZrO2, вызваляецца электрон і ператвараецца ў газападобны кісларод. Гэта з'ява называецца электрахімічным помпай, таму кісларод у поласці катода бесперапынна выпампоўваецца з поласці электралітам ZrO2, і ў контуры ўтвараецца ток. Калі мольная доля кіслароду пастаянная, напружанне павялічваецца, а сіла току павялічваецца. Калі напружанне перавышае пэўнае значэнне, сіла току дасягае насычэння, што з'яўляецца вынікам дыфузіі кіслароду праз малую адтуліну ў поласць катода, абмежаваную малой адтулінай. Гэты ток насычэння называецца гранічным токам. Механізм дыфузіі газу ў малых адтулінах вызначае ўласцівасці датчыка. Існуюць дзве мяжы дыфузіі малых адтулін, а менавіта малекулярная дыфузія і дыфузія Кнудсена. Калі дыяметр пор большы за сярэдні дыяметр малекулы газу, лімітавы ток IL у вобласці дыфузіі складае:

У формуле F — пастаянная Фарадэя; D — каэфіцыент дыфузіі малекул кіслароду ў вольнай прасторы; S — плошча папярочнага сячэння дыфузійнай адтуліны; L — даўжыня дыфузійнай адтуліны; C — мольная доля кіслароду вакол датчыка; CT — мольная доля ўсяго газападобнага рэчыва. Калі C/CT < 1, з формулы (1) вынікае, што гранічнае значэнне току прапарцыйна мольнай долі кіслароду, гранічнае значэнне току IL роўнае:

З формулы (2) вынікае, што лімітавы ток і мольная доля кіслароду практычна лінейныя. Мольную долю кіслароду ў вымераным газе можна вызначыць у залежнасці ад выходнага току.

Порыстая керамічная падкладка выкарыстоўваецца ў якасці дыфузійнага пласта для кантролю кіслароду, які падаецца на катод датчыка, а структура кіслароднага датчыка з порыстай паверхняй паказана на малюнку 2.

Малюнак 2. Датчык кіслароду з порыстым пластом

Гранічны ток кіслароднага датчыка з порыстай структурай такі ж, як і ў формуле (2).

У формуле F — пастаянная Фарадэя; эфектыўны каэфіцыент дыфузіі кіслароду ў Deff — порысты пласт. S — плошча катода; L — таўшчыня падложкі порыстага пласта; C — мольная доля кіслароду вакол датчыка. З формулы (3) вынікае, што гранічнае значэнне току датчыка кіслароду порыстага пласта лінейна залежыць ад мольнай долі кіслароду.

Вымярэнне кіслароду высокай канцэнтрацыі

Вышэйзгаданыя прынцыпы вымярэння канцэнтрацыі кіслароду не ўсе выкарыстоўваюцца для вымярэння высокага ўтрымання кіслароду. Напрыклад, цырконій мае шырокую зону вымярэння, канцэнтрацыя кіслароду складае каля 80%, максімальны ток датчыка, калі канцэнтрацыя кіслароду працягвае расці, гэта прывядзе да пашкоджання датчыка, і гэты тып датчыка патрабуе нагрэву цырконіевай трубкі да 600-1400°C для дакладнага вымярэння, што мае вялікія абмежаванні; электрахімічны датчык належыць да паліўных элементаў, унутраная хімічная рэакцыя датчыка незваротная, анод (свінец або графіт) бесперапынна акісляецца (ператвараецца ў аксід свінцу або CO2) у рэакцыі, пакуль анод не вычарпаецца, гэтак жа, як частка паліва акісляецца і згарае, таму тэрмін службы электрахімічнага датчыка залежыць ад канцэнтрацыі вымеранага кіслароду, чым большая канцэнтрацыя, тым большае спажыванне анода, тым карацейшы тэрмін службы датчыка, а штомесячны дрэйф складае каля 1%, калі канцэнтрацыя кіслароду вышэйшая за 90%.

Такім чынам, для вымярэння высокай канцэнтрацыі кіслароду звычайна выкарыстоўваюць метад патоку іёнаў аксіду цырконія, магнітна-механічны метад, метад абсорбцыі раствора медзі і аміяку і гэтак далей.

Магнітна-механічнае вымярэнне кіслароду - гэта сталая тэхналогія, яе асноўныя перавагі:

На яго не ўплываюць змены невымяраных кампанентаў у змешаным газе

Хуткая рэакцыя

Добрая стабільнасць

Асноўныя недахопы:

Папярэдняя апрацоўка пробы газу патрабуе больш высокага ціску, пыл, смалы, пары і г.д. могуць лёгка паўплываць на дакладнасць вымярэнняў і нават пашкодзіць датчык.

Уразлівы да ўздзеяння навакольнага асяроддзя, такіх як гарызантальныя ўплывы, вібрацыя, магнітнае поле навакольнага асяроддзя.

У працэсе эксперыменту метад паглынання раствора медзі і аміяку можа быць выкарыстаны для змены спажывання меднага дроту, тэмпературы навакольнага асяроддзя, ціску навакольнага асяроддзя і кампанентаў газу.

Аб'ёмны працэнт кіслароду ў газавай сумесі, вымераны метадам абсорбцыі раствора медзі і аміяку, не залежыць ад тэмпературы і ціску навакольнага асяроддзя, адпавядае аднолькавым кампанентам газу, і вымераныя значэнні ў розных атмасферных асяроддзях павінны быць аднолькавымі. Аднак, калі газ утрымлівае іншыя акісляльныя газы, ён будзе больш парушаны.

Калі для вымярэння канцэнтрацыі кіслароду з высокім утрыманнем кіслароду выкарыстоўваецца паток іонаў аксіду цырконія, толькі кісларод можа зараджацца ў катодзе цвёрдага электраліта і праходзіць праз яго, а значэнне гранічнага току прама прапарцыйнае мольнай долі кіслароду, таму датчык мае высокую дакладнасць вымярэнняў і шырокі дыяпазон вымярэнняў (0-100%), не залежыць ад прымешак, ціску і тэмпературы навакольнага асяроддзя, мае добрую стабільнасць і нізкае энергаспажыванне.

У цяперашні час у краіне і за мяжой існуе няшмат аналізатараў кіслароду з высокім утрыманнем кіслароду на аснове цырконіевых іённых датчыкаў патоку, толькі 3-4 кампаніі ў свеце, такія як брытанская Shi Fu Mei, нямецкая Bille і гэтак далей. З-за высокай цаны гэты тып аналізатара цяжка шырока выкарыстоўваць у галіне вымярэння высокага ўтрымання кіслароду. Кампанія Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd., абапіраючыся на шматгадовы вопыт распрацоўкі і праектавання газавых аналізатараў, прадставіла серыю цырконіевых іённых датчыкаў патоку кіслароду на аснове CI2000-CY, GNL-2100L, SP-980L, GNL-6100 і іншых аналізатараў кіслароду з высокім утрыманнем кіслароду, якія не толькі маюць характарыстыкі аналагічных прадуктаў за мяжой, але і вырашаюць праблему высокай цаны гэтага тыпу аналізатараў, прапаноўваючы большы выбар для айчынных і замежных карыстальнікаў.

Тэхнічныя параметры аналізатара кіслароду з высокім утрыманнем Chang Ai:

Дыяпазон вымярэнняў: 10.000～99.999%

Дакладнасць вымярэння: ±2% поўнага дыяпазону

Час рэагавання: T90 ≤ 20 С

Стабільнасць: <±1% поўнага дыяпазону/7 дзён

Тэмпература навакольнага асяроддзя для выпрабаванняў: 0～50℃

Тэставая вільготнасць навакольнага асяроддзя: <80% вільготнасці

Паток газу ўзору: 400～600 мл/мін

Ціск узору газу: 0,05 МПа≤入口压力≤0,2 МПа

Прымяненне：

Прамысловасць падзелу паветра

Хімічная і плавільная прамысловасць

Выяўленне канцэнтрацыі кіслароду ў высокатэмпературнай печы

Выяўленне канцэнтрацыі кіслароду ў ахоўным газе паўправадніка

Вызначэнне канцэнтрацыі кіслароду ў працэсах вырошчвання жывёл і раслін, перапрацоўкі і захоўвання гародніны і прадуктаў харчавання

Вымярэнне канцэнтрацыі кіслароду ў сасудах, падземных камандных цэнтрах, тунэлях, глыбокіх свідравінах, праектах грамадзянскай супрацьпаветранай абароны і гарадскіх тунэлях і г.д.

Спасылка:

Вэн Сяо Пін. Удасканаленне сістэмы папярэдняй апрацоўкі магнітна-механічнага аналізатара кіслароду [J], Baoshan Iron & Steel Co., Ltd. (Шанхай), 201900.

Чжан Хуэй і Лю Іншу. Аналіз фактараў, якія ўплываюць на вызначэнне кіслароду метадам паглынання ў медна-аміячным растворы [J], Пекінскі ўніверсітэт навукі і тэхналогій, 2010.

У Цян і Лю Чжун. Даследаванне экстрэмальна токавага кіслароднага датчыка [A], 49-ы навукова-даследчы інстытут Кітайскай групы электронных тэхналогій.