Funktionsprinzip und Wartung des Zirkonoxid-Sauerstoffanalysators

Aufbau und Funktionsprinzip der Zirkonoxid-Sauerstoffsonde

Je nach den verschiedenen Nachweismethoden werden Zirkonoxid-Sauerstoffsonden in zwei Kategorien unterteilt: Sauerstoffsonden mit Probenahme und Sauerstoffsonden mit direkter Einfügung.

1. Sauerstoffsonde mit Probenahme- und Detektionsfunktion

Das Probenahmeverfahren sieht vor, dass das Messgas über ein Führungsrohr in die Zirkoniumdioxid-Messkammer geleitet und dort mittels eines Heizelements auf die Arbeitstemperatur (über 750 °C) erhitzt wird. Zirkoniumdioxid ist üblicherweise röhrenförmig, die Elektrode besteht aus porösem Platin. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass sie temperaturunabhängig ist und der Sauerstoffgehalt in Gasen unterschiedlicher Temperatur durch die Verwendung verschiedener Führungsrohre gemessen werden kann. Diese Flexibilität ermöglicht den Einsatz in vielen industriellen Online-Messungen. Zu den Nachteilen zählen die langsame Reaktionszeit, die komplexe Struktur, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen kann, und die Neigung zur Verstopfung des Probenahmerohrs bei hohem Verunreinigungsgrad des Messgases. Die poröse Platinelektrode ist anfällig für Korrosion durch Schwefel und Arsen im Gas sowie für Verstopfungen durch Feinstaub. Die Heizung erfolgt üblicherweise über ein elektrisches Kabel und hat daher eine begrenzte Lebensdauer.

Bei niedrigen Temperaturen des zu messenden Gases (0-650°C) oder bei sauberen Gasen eignet sich die Probenahmemethode, wie beispielsweise die Sauerstoffmessung mit einem Stickstoffgenerator oder die Sauerstoffmessung im Labor.

2. Direkteinführende Sauerstoffsonde

Bei der direkten Sauerstoffmessung wird Zirkonoxid direkt in das Hochtemperatur-Messgas eingeführt, um den Sauerstoffgehalt im Gas unmittelbar zu bestimmen. Dieses Messverfahren eignet sich für Gastemperaturen von 700 °C bis 1150 °C (mit einer speziellen Konstruktion ist auch eine Hochtemperaturmessung bis 1400 °C möglich). Die hohe Temperatur des Messgases wird genutzt, um das Zirkonoxid ohne zusätzliche Heizung auf die gewünschte Betriebstemperatur zu bringen (Abbildung 3). Die Schlüsseltechnologie der direkten Sauerstoffmessung liegt in der Hochtemperaturabdichtung und der Lösung von Elektrodenproblemen mit Keramikmaterial. Die Aufbauten zweier Arten von direkten Sauerstoffmessungen sind im Folgenden dargestellt.

(1) Integrales Zirkonoxidrohr

Die Form wurde aus der Form des Zirkonoxidrohrs, das bei der Probenahme und -detektion verwendet wird, entwickelt. Das ursprüngliche Zirkonoxidrohr wurde verlängert, sodass das Zirkonoxid direkt in das zu messende Hochtemperaturgas hineinragen kann. Diese Konstruktion erfordert keine Berücksichtigung der Hochtemperaturabdichtung.

(2) Zirkonoxid-Sauerstoffsonde mit gerader Einsteckrichtung

Da Zirkonoxid direkt in das Detektionsgas eingeführt werden muss, sind höhere Anforderungen an die Länge der Sauerstoffsonde gestellt. Ihre effektive Länge beträgt etwa 500 mm bis 1000 mm, in speziellen Umgebungen kann sie bis zu 1500 mm betragen. Die Anforderungen an Messgenauigkeit, Betriebsstabilität und Lebensdauer sind sehr hoch. Daher kann die herkömmliche Zirkonoxid-Sauerstoffsonde nicht vollständig aus Zirkonoxid bestehen, sondern verwendet häufiger eine Verbindung zwischen Zirkonoxid- und Aluminiumoxidrohr, die höhere technische Anforderungen stellt. Die Dichtigkeit ist eine der wichtigsten Technologien dieser Zirkonoxid-Sauerstoffsonde. Derzeit gilt das dauerhafte Verschweißen von Zirkonoxid- und Aluminiumoxidrohr als weltweit fortschrittlichste Verbindungsmethode. Diese bietet eine hervorragende Dichtigkeit. Im Vergleich zur Probenahmemethode bietet die Direkteinführung deutliche Vorteile: Das Zirkonoxid steht in direktem Kontakt mit dem Gas, was eine hohe Messgenauigkeit, schnelle Reaktionszeiten und einen geringen Wartungsaufwand ermöglicht.

Industrielle Anwendung der Sauerstoffsonde

1. Anwendung von Industriekesseln und Heizöfen

Bei der Verwendung der Sauerstoffsonde gibt es zwei Möglichkeiten zur Zufuhr des Messgases: die direkte Zufuhr und die Probenahme. Die direkte Zufuhr zeichnet sich durch kurze Reaktionszeiten, den Verzicht auf eine Heizung, eine einfache Bauweise, geringe Größe und Portabilität aus. Allerdings muss die Temperatur des Messgases gleichzeitig erfasst werden. Da die Temperatur der Sauerstoffsonde durch die Heizung geregelt wird, ist die Messgenauigkeit hoch und der Betrieb zuverlässig. Die Reaktionszeit hängt jedoch von der Gasdurchflussrate ab.

Der direkt einsetzbare Sauerstoffanalysator wird häufig zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Rauchgas von Kesseln und Wiedererhitzungsöfen verwendet (Abbildung 4). Die hierfür eingesetzte Sauerstoffsonde ist meist rohrförmig und kann entweder beidseitig oder einseitig geöffnet sein, wobei die einseitige Variante derzeit am weitesten verbreitet ist. Poröse Platinelektroden sind an der Innen- und Außenwand des ZrO₂-Rohrs aufgebracht und reichen jeweils bis zum Rohrende. Dort sind NiCr-Drähte als Signalausgang angeschlossen. Dadurch wird das Verbrennungssystem so gesteuert, dass eine sauerstoffarme Verbrennung erreicht wird, was zu geringeren Wärmeverlusten und Energieeinsparungen führt.

Einbau eines Sauerstoffsensors

Eine sachgemäße Installation ist entscheidend für den zuverlässigen Betrieb des Sauerstoffsensors. Viele Nutzungsprobleme werden durch eine unsachgemäße Installation verursacht.

1. Probenahme-Messpunkt

Die Bestimmung des Messpunktes ist die wichtigste Aufgabe und sollte nach folgenden Grundsätzen erfolgen:

(1) Der gewählte Messpunkt erfordert, dass das im Ofen detektierte Gas korrekt reflektiert wird, um die Authentizität des Ausgangssignals des Sauerstoffsensors zu gewährleisten und den Totraum der Rückluft so weit wie möglich zu vermeiden;

(2) Der Messpunkt darf nicht zu nahe am Brennpunkt oder an der Düse liegen, da das Gas in diesen Bereichen einer intensiven Reaktion unterliegt, was zu starken Schwankungen und Verzerrungen des Sauerstoffsensormesswerts führen kann; Er darf sich auch nicht zu nahe an lufterzeugenden Geräten wie Ventilatoren befinden, um eine Beschädigung des Sensors durch die Vibrationen des Motors zu vermeiden;

(3) Die Erfindung vermeidet eine Positionierung an einer Stelle, an der eine Kollision möglich ist, um eine Beschädigung der Sonde durch Kollisionen zu verhindern und die Sicherheit des Sensors zu gewährleisten.

2. Installations- und Anschlussmodus des Sauerstoffsensors

(1) Die Sauerstoffsonde kann horizontal oder vertikal installiert werden, wobei die vertikale Installation optimal ist. Unabhängig von der gewählten Ausrichtung sollte die Führungsplatte des Sonden-Probenrohrs möglichst in Richtung des zu messenden Luftstroms zeigen. Bei der Erstinstallation wird die grundlegende Ausrichtung anhand des Messvorgangs ermittelt. Nach dem Einschalten des Systems und dem Aufheizen der Sonde wird die Richtung des Probenrohrs gedreht und die Schwankung des Sauerstoffpotenzials am Ausgang mit einem Digitalmultimeter beobachtet, um die optimale Führungsrichtung zu bestimmen.

(2) Bei der für den Einbau des Sauerstoffsensors verwendeten Verbindung handelt es sich um eine spezielle Flanschverbindung. Die Asbestdichtung wird so angeordnet, dass sie fest angedrückt wird, um die Abdichtung zu gewährleisten. Andernfalls könnte es aufgrund des Unterdrucks in herkömmlichen Öfen zu Leckagen an der Flanschverbindung kommen, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen oder Signalschwankungen verursachen.

(3) Die Signalzuleitung des Sauerstoffsensors sollte vorzugsweise geschirmt sein, um Störungen zu vermeiden. Am besten verwendet man zwei zweiadrige Kabel: ein zweiadriges geschirmtes Kabel zur Ausgabe des Sauerstoffpotenzials und ein zweiadriges KVV-Steuerkabel zur Ansteuerung der Sonde und deren Heizanschluss. Falls dies vor Ort nicht möglich ist, kann ein vieradriges KVV-Kabel direkt zur Verbindung des Sauerstoffpotenzialsignals der Sonde mit dem Heizanschluss verwendet werden.

(4) Der Standard-Gasanschluss der Sauerstoffsonde ist normalerweise geschlossen und wird nur zur Gaskalibrierung verwendet. Der Blasluftanschluss ist mit einer Luftpumpe oder einer Druckluftleitung verbunden. Der Lufteinlass des Blasluftanschlusses wird üblicherweise durch ein Ventil, z. B. ein Magnetventil, gesteuert. Das Ventil öffnet sich in bestimmten Abständen, um Gas in ein Blasluft-Probenahmerohr einzuleiten. Im normalen Messbetrieb ist das Ventil geschlossen, sodass kein anderes Gas in das Probenahmerohr gelangen kann. Der Hersteller der Druckluftsonde muss sicherstellen, dass die verwendete Druckluft kein Wasser enthält.

Verwendung und Wartung von Sauerstoffsensoren

1. Anschluss Heizungssteuerung

Die Sauerstoffsonde mit Probenahmefunktion funktioniert nur, wenn der Sauerstoffsensor an die Heizungssteuerung angeschlossen ist. Im kalten Zustand liefert sie ein zufälliges, bedeutungsloses Signal. Nach dem Anschluss an die Heizungssteuerung kann die normale Gasmessung bei Raumtemperatur gestartet werden. Die Nullpunktjustierung der Sonde erfolgt üblicherweise bei Raumtemperatur. Nach dem Erwärmen der Sonde und der Messung der Luftkonzentration wird der Ausgangswert der Sonde in Millivolt mit einem Digitalmultimeter gemessen. Dieser Wert entspricht der Nullpunktabweichung der Sonde. Diese Nullpunktabweichung muss im Anzeigegerät berücksichtigt werden, um die angezeigte Sauerstoffkonzentration zu korrigieren.

2. Zu beachtende Punkte beim Einbau oder Austausch eines Sauerstoffsensors

Beim Einbau oder Austausch eines Sauerstoffsensors muss der vom Sauerstoffanalysator angezeigte Wert der Sauerstoffkonzentration korrigiert werden. Andernfalls kann die vom Sauerstoffanalysator gemessene Sauerstoffkonzentration nach dem Austausch des Sensors von der tatsächlichen Konzentration abweichen und somit die Messung verfälschen.

3. Das Korrekturprinzip und die Methode der Sauerstoffkonzentration.

Der Sauerstoffsensor liefert als Ausgangssignal die Konzentration des Messgases und den Differenzpotentialwert der Standardluft, das sogenannte Sauerstoffpotential. Dieser Potentialwert liegt am Nullpunkt (d. h. bei der Luftmessung). Aufgrund unterschiedlicher Ausgangspotentialabweichungen der Sonden und der Modellumrechnung des Ausgangspotentials in die Sauerstoffkonzentration kann es zu Fehlern kommen. Daher ist die Kalibrierung des Sondensignals im Sauerstoffanalysator unerlässlich. Andernfalls besteht eine große Abweichung zwischen der gemessenen Sauerstoffkonzentration und der tatsächlich gemessenen Gaskonzentration, was den Produktionsanforderungen im Feld nicht gerecht wird und sogar zu Fehlsteuerungen führen kann.

Die spezifische Korrektur erfolgt üblicherweise mit Standardgas. Dabei wird das durch die Messung bestätigte Standardgas über den Standardgasanschluss in die Sonde eingeführt. Anschließend werden das Sauerstoffpotential am Ausgang und die vom Gerät angezeigte Sauerstoffkonzentration gemessen. Die angezeigte Sauerstoffkonzentration sollte mit der Standardgaskonzentration übereinstimmen. Bei Abweichungen werden die linearen Parameter des Geräts korrigiert. Für die Standardmessung sind mindestens drei Kalibriersysteme mit unterschiedlichen Standardgaskonzentrationen erforderlich, um die Systemlinearität durch dreimalige Kalibrierung zu gewährleisten und den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems sicherzustellen.

4. Einfluss von Staubablagerungen auf den Sauerstoffsensor sowie Spül- und Reinigungsmethoden

Da der Sauerstoffsensor ein Gerät zur Langzeit-Online-Erkennung und -Messung ist, kann der von Kesseln und anderen Anlagen (insbesondere Kohle- oder Pulverfeuerungsanlagen usw.) erzeugte Staub die Gasleitung verstopfen und so die Messwerte verfälschen oder sogar unmöglich machen. Daher ist es notwendig, den Staub in der Probenahmeleitung regelmäßig zu überprüfen. Länge und Dauer der Überprüfung dienen der Bestimmung des Ascheablagerungsgrades. Für diese Methode ist ein Sauerstoffanalysator mit entsprechender Funktion oder ein passendes Wartungsgerät für den Sauerstoffsensor erforderlich. Andernfalls kann man manuell Ventile installieren, um Druckluft oder eine Luftpumpe regelmäßig über die Blasöffnung in die Sonde zu leiten und diese zu entstauben. Dabei sind folgende Punkte zu beachten:

(1) Da das Sauerstoffpotenzial des Sauerstoffsensors während des Spülvorgangs abnimmt, maximal auf 1,2 mV, repräsentiert das zu diesem Zeitpunkt gemessene Sauerstoffpotenzial nicht die Atmosphäre im Ofen. Dieser Punkt muss beachtet werden.

(2) Die Luftmenge der Kehrluft muss so bemessen sein, dass der Ruß entfernt werden kann. Der Sauerstoffpotentialwert des Sauerstoffsensors kann während des Kehrvorgangs abgelesen werden. Sinkt der Sauerstoffpotentialwert nicht, ist die Luftmenge zu gering, der Staub wurde nicht ausreichend entfernt, und die Kehrleitung muss überprüft oder angepasst werden.

(3) Der Kanal der Blasöffnung ist direkt mit dem Ofen verbunden. Nach Abschluss des Blasvorgangs muss das Ventil geschlossen, die Blasöffnung verschlossen und das Eindringen von Unterdruckluft in den Ofen verhindert werden, da diese die Messung des Sauerstoffsensors beeinträchtigen würde.

Bei der Analyse der Sensorqualität sollte der Sauerstoffsensor als separates Messbauteil betrachtet werden. Zur Messung des Sauerstoffpotenzials am Sensor müssen alle mit ihm verbundenen Kabel getrennt und das Potenzial direkt am Ausgang mit einem Digitalmultimeter mit hohem Innenwiderstand gemessen werden. Die Messwerte werden anschließend mit den Werten im Normalbetrieb verglichen.

Tatsächlicher Betrieb

Seit 2003 ist in unserem Werk im Crackofen ein Hochtemperatur-Direkteinbau-Zirkonoxid-Analysator ZGP2+ZDT im Einsatz, der hauptsächlich zur Messung des Sauerstoffgehalts im Rauchgas dient und in die Verbrennungssteuerung des Crackofens eingebunden ist. Der Betrieb ist stabil und zuverlässig. Im Mai 2005 wurde eine relativ große Abweichung der Messwerte festgestellt, wobei alle Abweichungen positiv waren. Es wurde festgestellt, dass ein Leck im Gasweg vorlag. Das Nullpunktgas gelangte über den Soll-Gasweg, und es wurde ein Leck im Rotor-Durchflussmesser gefunden. Aufgrund des Unterdrucks im Messsystem strömte Außenluft ein. Da der Volumenanteil von Sauerstoff in der Luft hoch ist, war der Messwert hoch, die Verarbeitung jedoch unproblematisch. Folgende Punkte sind in der Praxis zu beachten:

⑴Das Zirkoniumrohr muss bei 750 °C normal funktionieren, daher sollte das Instrument eine konstante Temperatur halten.

⑵Keine Leckagen in den Gasleitungen

⑶ Den Einspritzdruck konstant bei 0,15 MPa halten.

⑷ Die Ejektorgasquelle sollte bei der Überprüfung des Standardgases geschlossen und während der Messung geöffnet sein.

⑸Das Vorhandensein von H2, CO, CH4 und anderen brennbaren Gasen im Messgas führt zu niedrigeren Messergebnissen.

Abschluss

Das Sauerstoffmessgerät aus Zirkonoxid zeichnet sich durch eine einfache Struktur, kurze Ansprechzeit, einen großen Messbereich, hohe Einsatztemperatur, zuverlässigen Betrieb, bequeme Installation, geringen Wartungsaufwand usw. aus.

Daher findet es breite Anwendung in der Metallurgie, der chemischen Industrie, der Energiewirtschaft, der Keramikindustrie, der Automobilindustrie, im Umweltschutz und anderen Industriezweigen.