Principio de funcionamiento y mantenimiento del analizador de oxígeno de zirconio

Tipo de estructura y principio de funcionamiento de la sonda de oxígeno de zirconio

Según los diferentes métodos de detección, las sondas de oxígeno de zirconio se dividen en dos categorías: sonda de oxígeno de detección de muestreo y sonda de oxígeno de inserción directa.

1. Sonda de oxígeno de tipo de detección de muestreo

El modo de detección de muestreo es que el gas medido se conduce a la cámara de detección de óxido de zirconio a través de un tubo guía, y el óxido de zirconio se calienta a la temperatura de trabajo (por encima de 750 °C) a través de un elemento calefactor. La zirconia generalmente adopta forma tubular, y el electrodo adopta un electrodo de platino poroso. La invención tiene las ventajas de que la invención no se ve afectada por la temperatura del gas detectado, y el contenido de oxígeno en gases de varias temperaturas se puede detectar mediante la adopción de diferentes tubos guía de flujo, y la flexibilidad se aplica a muchas detecciones industriales en línea. La desventaja es el tiempo de reacción lento. La estructura es compleja, lo que puede afectar fácilmente la precisión de la detección. El tubo de muestreo es fácil de bloquear cuando hay más impurezas en el gas detectado. El electrodo de platino poroso es susceptible a la corrosión del azufre y el arsénico en el gas y al bloqueo del polvo fino. El calentador generalmente se calienta mediante cable eléctrico, y su vida útil es corta.

Cuando la temperatura del gas detectado es baja (0-650 °C) o el gas detectado está limpio, el método de detección de tipo muestreo es adecuado, como la medición de oxígeno mediante una máquina de producción de nitrógeno y la medición de oxígeno en un laboratorio, etc.

2.Sonda de oxígeno de detección de inserción directa

La detección por inserción directa consiste en insertar zirconio directamente en el gas a medir a alta temperatura para detectar directamente el contenido de oxígeno. Este método de detección es adecuado para temperaturas del gas detectado de 700 °C a 1150 °C (la estructura especial también puede utilizarse para temperaturas de hasta 1400 °C). La alta temperatura del gas a medir se utiliza para que el zirconio alcance la temperatura de trabajo sin necesidad de un calentador (figura 3). La tecnología clave de la sonda de oxígeno de inserción directa es el sellado a alta temperatura y la protección del electrodo del material cerámico. Se describen dos tipos de sondas de oxígeno de inserción directa.

(1) Tubo de zirconio integral

Esta forma se basa en la del tubo de óxido de circonio utilizado en el método de detección de muestreo. Es decir, el tubo original se alarga para que el óxido de circonio pueda extenderse directamente al gas medido a alta temperatura. Esta estructura no requiere considerar el problema del sellado a alta temperatura.

(2) Sonda de oxígeno de zirconio de inserción recta

Debido a la necesidad de insertar directamente la zirconia en el gas de detección, la longitud de la sonda de oxígeno tiene un requisito más alto, su longitud efectiva es de aproximadamente 500 mm ~ 1000 mm, y la longitud ambiental especial puede alcanzar los 1500 mm. La precisión de la prueba, la estabilidad de trabajo y la vida útil son requisitos muy altos, por lo que la sonda de oxígeno de inserción directa es difícil de adoptar toda la estructura tubular de zirconia de la sonda de oxígeno de zirconia tradicional, y más adopta la estructura de la conexión entre la zirconia y el tubo de alúmina con mayores requisitos técnicos. El rendimiento de sellado es una de las tecnologías más importantes de esta sonda de oxígeno de zirconia. En la actualidad, la forma de conexión más avanzada del mundo es soldar la zirconia y el tubo de alúmina permanentemente juntos, su rendimiento de sellado es excelente, en comparación con el método de detección de muestreo, la detección de inserción directa tiene ventajas obvias: el óxido de zirconio está en contacto directo con el gas y tiene las ventajas de alta precisión de detección, velocidad de reacción rápida y pequeña cantidad de mantenimiento.

Aplicación industrial de la sonda de oxígeno

1. Aplicación de calderas industriales y hornos de calefacción

Al utilizar la sonda de oxígeno, existen dos métodos para introducir el gas medido: inserción directa y detección por muestreo. El tiempo de respuesta de la inserción directa es corto, no requiere calentador, su estructura es simple, su tamaño compacto y portátil, pero es necesario detectar simultáneamente la temperatura del gas medido. Dado que la temperatura de la sonda de oxígeno se controla mediante el calentador, la precisión de la medición es alta y el funcionamiento es fiable; sin embargo, el tiempo de respuesta depende del caudal del gas.

El analizador de oxígeno de inserción directa se ha utilizado ampliamente para determinar el contenido de oxígeno en los gases de combustión de calderas y hornos de recalentamiento (Figura 4). La sonda de oxígeno utilizada para este propósito adopta principalmente una estructura tubular, y el tubo puede abrirse por ambos extremos o por uno solo; este último es el método más común en el mercado. Los electrodos porosos de Pt recubren las paredes interna y externa del tubo de ZrO₂, extendiéndose hasta el extremo del tubo. Los cables de NiCr se conectan al extremo del tubo como señal de salida, controlando así el sistema de combustión para lograr una combustión con bajo contenido de oxígeno, reduciendo la pérdida de calor y ahorrando energía.

Instalación de un sensor de oxígeno

Una instalación adecuada es fundamental para garantizar el funcionamiento confiable del sensor de oxígeno. Muchos problemas de uso se deben a una instalación incorrecta del sensor.

1. punto de medición de muestreo

La determinación del punto de medición es el trabajo principal, que debe seguir los siguientes principios:

(1) El punto de medición seleccionado requiere que el gas detectado en el horno pueda reflejarse correctamente, a fin de garantizar la autenticidad de la señal de salida del sensor de oxígeno y evitar el ángulo muerto del aire de retorno tanto como sea posible;

（2）El punto de medición no puede estar demasiado cerca del punto de combustión o la boquilla, y el gas en estas partes está en reacción intensa, lo que hará que el valor de detección del sensor de oxígeno fluctúe y se distorsione bruscamente; No esté demasiado cerca de equipos generadores de aire, como ventiladores, para no dañar el sensor por la vibración del motor;

(3) La invención puede evitar ser colocada en la posición de posible colisión para evitar dañar la sonda por colisión y garantizar la seguridad del sensor.

2.Modo de instalación y conexión del sensor de oxígeno

（1）La sonda de oxígeno se puede instalar en horizontal o vertical, siendo ideal la instalación vertical. Independientemente de la orientación, la placa guía del tubo de muestreo de la sonda debe estar lo más cerca posible de la dirección del flujo de aire medido. En la instalación inicial, la dirección básica se determina conociendo el proceso. Tras encender el sistema para calentar la sonda, se gira la dirección del tubo de muestreo y se observa la fluctuación del potencial de oxígeno de salida con un multímetro digital para determinar la mejor dirección de guía.

(2) La unión utilizada para la instalación del sensor de oxígeno es una unión de brida especial, y la almohadilla de asbesto está dispuesta para presionarse para garantizar el sellado; de lo contrario, debido a que el horno común tiene presión negativa, la fuga en la unión de la brida puede afectar la precisión de la medición o causar fluctuación de la señal.

(3) La línea de salida de señal del sensor de oxígeno es preferiblemente una línea blindada para eliminar interferencias. La mejor opción es usar dos cables de dos hilos: uno blindado para la salida del potencial de oxígeno y un cable de control KVV de dos hilos para controlar la sonda y calentar el extremo de conexión. Si no se dan las condiciones de campo, se puede usar un cable KVV de 4 hilos para conectar directamente la señal del potencial de oxígeno de la sonda al extremo de calentamiento.

(4) El puerto de gas estándar de la sonda de oxígeno está normalmente cerrado y solo se utiliza cuando el gas está calibrado. El puerto de aire de soplado está conectado a una bomba de aire o a una tubería de aire comprimido. La entrada de aire del puerto de aire de soplado generalmente se controla mediante una válvula, como una electroválvula. Esta válvula se abre una vez cada cierto tiempo para introducir el gas en un tubo de muestreo de soplado. La válvula se cierra cuando la sonda detecta correctamente el gas y no permite la entrada de ningún otro gas. La sonda de escaneo de aire comprimido del fabricante debe garantizar que el aire comprimido no contenga agua, es decir, que esté separado del agua.

Uso y mantenimiento de sensores de oxígeno

1. Conexión del control de calefacción

La sonda de oxígeno con detección de muestreo solo funciona correctamente después de conectar el sensor de oxígeno al control de calefacción. La salida en frío es una señal aleatoria sin significado. Una vez conectado el sensor de oxígeno al control de calefacción, la detección de gas normal se inicia a temperatura ambiente. El ajuste a cero de la sonda se realiza generalmente a temperatura ambiente. Tras calentar la sonda, midiendo el aire, se utiliza un multímetro digital para medir el valor de milivoltios de salida de la sonda. Este valor representa la desviación de la posición cero de la sonda. Esta desviación debe añadirse al indicador para corregir la concentración de oxígeno mostrada.

2. Consideraciones al instalar o reemplazar un sensor de oxígeno

Al instalar o reemplazar un sensor de oxígeno, se debe corregir el valor de concentración de oxígeno que muestra el analizador. Sin esta corrección, la concentración de oxígeno detectada por el analizador podría diferir de la concentración real tras reemplazar el nuevo sensor, lo que afectaría la medición.

3. El principio y método de corrección de la concentración de oxígeno.

La salida del sensor de oxígeno es la concentración del gas medido y el valor potencial de diferencia de aire estándar, lo llamamos potencial de oxígeno, este valor potencial en el punto cero (es decir, medición de aire), la desviación del potencial de salida inicial de la sonda diferente y el potencial de salida a través de la conversión del modelo de la concentración de oxígeno de salida pueden tener error, por lo que en el analizador de oxígeno calibrar la señal de la sonda es un trabajo muy necesario; de lo contrario, la concentración de oxígeno y la concentración de gas medida real existirán una gran desviación, no se pueden satisfacer las necesidades de la producción en el campo, incluso se puede controlar erróneamente la influencia de la producción.

La corrección específica generalmente se lleva a cabo mediante gas estándar, el método es que el gas estándar confirmado por la medición se introduce en la sonda a través del puerto de gas estándar, se miden el potencial de oxígeno de salida y la concentración de oxígeno que muestra el instrumento en este momento, la concentración de oxígeno que muestra el instrumento debe ser la misma que la concentración de gas estándar, si hay alguna desviación, se corrige el parámetro lineal del instrumento, la medición estándar requiere al menos tres sistemas de calibración de gas estándar de concentración diferentes, de modo que la linealidad del sistema se corrige repetidamente a través de tres veces de calibración y se garantiza el funcionamiento normal del sistema.

4. Efecto de la acumulación de polvo en el sensor de oxígeno y método de purga y limpieza.

Debido a que el sensor de oxígeno es un dispositivo de detección y medición en línea a largo plazo, el polvo producido por la caldera y otros equipos (especialmente el horno de combustión de carbón o el horno de quema de polvo, etc.) bloqueará la tubería de muestreo de guía de gas, lo que resultará en la distorsión numérica de la medición, incluso incapaz de medir, en este momento, es necesario escanear regularmente el polvo en la tubería de muestreo, la longitud y la duración del tiempo de escaneo para determinar el grado de deposición de cenizas, este tipo de método de barrido requiere que el analizador de oxígeno tenga la función correspondiente o el dispositivo de mantenimiento del sensor de oxígeno correspondiente, si no, estos dispositivos solo pueden instalar válvulas manuales para controlar el aire comprimido o la bomba de aire para ingresar regularmente al puerto de soplado para desempolvar la sonda, pero en este momento debe prestar atención a las siguientes situaciones:

（1）Debido a que el potencial de oxígeno del sensor de oxígeno disminuirá en el proceso de purga, el mínimo posible se reducirá a 1,2 mV, en este momento el potencial de oxígeno detectado no representa la atmósfera en el horno, este punto debe tenerse en cuenta.

(2) El caudal de aire de barrido debe garantizar la eliminación del hollín. El valor de salida del potencial de oxígeno del sensor de oxígeno se puede observar durante el barrido. Si el valor del potencial de oxígeno no disminuye, indica que el caudal de aire es demasiado bajo y que el polvo no se ha eliminado, por lo que se debe ajustar o revisar la tubería de barrido.

(3) El canal de la abertura de soplado se comunica directamente con el horno y, una vez finalizado el soplado, se debe cerrar la válvula, bloquear el orificio de soplado y evitar que entre aire de presión negativa en el horno, lo que afectará la detección del sensor de oxígeno.

El sensor de oxígeno debe considerarse un componente de detección independiente al analizar su calidad. Para detectar el potencial de oxígeno, se deben desconectar todos los cables conectados al sensor. Este potencial se detecta directamente en la salida del sensor mediante un medidor digital de alta resistencia interna. Al detectar el potencial de oxígeno, los valores se comparan con los de uso normal.

Operación real

Desde 2003, el horno de craqueo de nuestra planta incorpora el analizador de zirconio de inserción directa de alta temperatura ZGP2+ZDT, utilizado principalmente para la medición del contenido de oxígeno en los gases de combustión. Este analizador participa en el control de combustión del horno, con un funcionamiento estable y fiable. En mayo de 2005, se detectó una desviación relativamente grande del valor indicado, con todas las desviaciones positivas. Se determinó una fuga en la ruta de gas, el gas de punto cero se comunica en la ruta de gas estándar y se detectó una fuga en el caudalímetro de rotor. Debido a la presión negativa en el sistema de medición, entra aire exterior. Debido a la alta fracción volumétrica de oxígeno en el aire, el valor medido es alto y el procesamiento es normal. A continuación, se resumen varios puntos a considerar en la práctica:

⑴Se requiere que el tubo de circonio funcione normalmente a 750 °C, por lo que el instrumento debe mantener una temperatura constante.

⑵Sin fugas en los gasoductos

⑶Mantenga la presión del inyector estable a 0,15 MPa

⑷ La fuente de gas eyector debe estar cerrada cuando se verifica el gas estándar y abierta durante la medición.

⑸La existencia de H2, CO, CH4 y otros gases combustibles en el gas de medición hará que el resultado de la medición sea menor.

Conclusión

El instrumento de medición de oxígeno de zirconio tiene las ventajas de una estructura simple, un tiempo de respuesta corto, un amplio rango de medición, una alta temperatura de uso, una operación confiable, una instalación conveniente, un pequeño mantenimiento, etc.

Por lo tanto, se ha utilizado ampliamente en metalurgia, industria química, energía eléctrica, cerámica, automóviles, protección del medio ambiente y otros departamentos industriales.