کاربردهای فناوری پایش آنلاین رطوبت گاز دودکش -2

جریان یونی (زیرکونیا)

بر اساس تحقیقات نظری عمیق و آزمایش‌های متعدد، تأیید شده است که حسگرهای جریان یونی می‌توانند اندازه‌گیری رطوبت دقیقی را انجام دهند. اندازه‌گیری رطوبت را می‌توان با تنظیم ولتاژ اعمال شده به کاتد و آند حسگر انجام داد. این کشف به این مسئله می‌پردازد که حسگرهای رطوبت معمولی نمی‌توانند در محیط‌های با دمای بالا (مانند محیط‌های بالای ۱۰۰ درجه سانتیگراد) به طور مؤثر عمل کنند.

الکترودهای پلاتینی در دو طرف ZrO2 پایدار شده پوشش داده شده‌اند. سمت کاتد با پوششی مجهز به سوراخ‌های انتشار گاز مونتاژ شده است تا یک حفره کاتدی تشکیل دهد. در دمای معین، یک ولتاژ عملیاتی خاص به آند و کاتد ZrO2 اعمال می‌شود، سپس مولکول‌های اکسیژن داخل حفره، الکترون‌ها را در کاتد به دست می‌آورند و یون‌های اکسیژن (O2-) را تشکیل می‌دهند. O2- از طریق جای خالی اکسیژن در ZrO2 به آند مهاجرت می‌کند، الکترون‌ها را آزاد می‌کند و به مولکول‌های اکسیژن تبدیل می‌شود که به بیرون تخلیه می‌شوند. این پدیده به عنوان یک پمپ الکتروشیمیایی شناخته می‌شود. به این ترتیب، اکسیژن موجود در حفره کاتد به طور مداوم توسط الکترولیت ZrO2 از حفره خارج می‌شود و یون‌های اکسیژن از کاتد از طریق ZrO2 به آند جریان می‌یابند و یک جریان یون اکسیژن تشکیل می‌دهند. هنگامی که غلظت اکسیژن در جو اندازه‌گیری شده ثابت باشد، جریان خروجی سنسور زیرکونیا دیگر با افزایش ولتاژ اعمال شده افزایش نمی‌یابد، بلکه به یک مقدار ثابت می‌رسد. این مقدار جریان ثابت، به عنوان مقدار جریان محدودکننده برای آن غلظت اکسیژن شناخته می‌شود که ما آن را اولین مقدار جریان محدودکننده می‌نامیم (همانطور که در شکل 1-A نشان داده شده است). بر اساس این اصل عملیاتی، هنگامی که جو اندازه‌گیری شده حاوی بخار آب است، افزایش ولتاژ عملیاتی اعمال شده باعث یونیزه شدن بخار آب به یون‌های اکسیژن می‌شود. به طور مشابه، هنگامی که غلظت بخار آب در جو اندازه‌گیری شده ثابت است، حسگر زیرکونیا یک مقدار جریان ثابت را تولید می‌کند که به عنوان دومین مقدار جریان محدودکننده شناخته می‌شود (همانطور که در شکل 1-B نشان داده شده است). مقدار جریان مرحله اول I1 و مقدار جریان مرحله دوم I2 به ترتیب متناسب با فشار جزئی اکسیژن و فشار جزئی اکسیژن در جو حاوی بخار آب هستند.

میزان اکسیژن موجود در گاز دودکش را می‌توان بر اساس جریان محدودکننده اول محاسبه کرد، در حالی که رطوبت موجود در گاز دودکش را می‌توان بر اساس اختلاف بین جریان‌های محدودکننده دوم و اول محاسبه کرد. بنابراین، رطوبت‌سنج‌هایی که از اصل جریان محدودکننده زیرکونیا استفاده می‌کنند، نسبت به رطوبت‌سنج‌هایی که از اصول دیگر استفاده می‌کنند، مزیت متمایزی دارند. از آنجایی که عملکرد اصلی آن تشخیص اکسیژن است و اندازه‌گیری اکسیژن پیش‌نیاز آزمایش رطوبت است، کاربران نیازی به نصب یک آنالایزر اکسیژن جداگانه ندارند. یک رطوبت‌سنج واحد می‌تواند هر دو مجموعه داده‌های اندازه‌گیری را به طور همزمان ارائه دهد.

آنالایزرهای رطوبت دمای بالای مکشی توسط چندین شرکت در چین تولید می‌شوند. در اینجا، محصولات شرکت چانگ آی به عنوان نمونه معرفی می‌شوند.

برای مقابله با تأثیر اتمسفرهای خورنده بر الکترودهای حسگر، چانگ آی مواد الکترود کاتالیزوری زیرکونیا-پلاتین را بهبود بخشیده و از طریق فناوری سنتز نانوشیمیایی، یک ماده الکترولیت جدید را به کار گرفته است. این روش، خوردگی الکترود و عمر کوتاه آن را در گاز دودکش با SO2 بالا از کارخانه‌های سوزاندن زباله، کلسیناسیون سنگ معدن، کارخانه‌های سرامیک و نیروگاه‌ها برطرف می‌کند. علاوه بر این، چانگ آی با تکیه بر پایه حسگرهای جریان محدودکننده، با شلیک همزمان حسگرهای اکسیژن دوگانه روی یک تراشه واحد، نوآوری جسورانه‌ای انجام داد و این چالش را که یک حسگر اکسیژن واحد نمی‌تواند همزمان اکسیژن پویا و اکسیژن مرطوب الکترولیتی را اندازه‌گیری کند، به طور کامل حل کرد.

دستگاه جریان یونی سه‌بعدی از یک واحد حسگر جریان یونی دوگانه استفاده می‌کند. یک واحد محتوای بخار آب و اکسیژن را اندازه‌گیری می‌کند، در حالی که واحد دیگر محتوای اکسیژن خالص را اندازه‌گیری می‌کند. با اعمال ولتاژهای مختلف برای یونیزه کردن یون‌های اکسیژن و مخلوط کردن آنها با بخار آب، می‌توان محتوای یون‌های اکسیژن و بخار آب را از طریق اندازه‌گیری جریان به دست آورد. این حسگر با مقاومت در برابر دمای بالا و عملکرد ضد آلودگی، می‌تواند در محیط‌های گازی خشن به طور پایدار عمل کند. اصول و ساختار آن در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل (4) ساختار یک حسگر رطوبت جریان یونی

آنالایزر رطوبت جریان یونی سه بعدی CI-PC196 شامل یک پراب نمونه‌برداری دمای بالا و واحد کنترل دستگاه (مطابق شکل 5) است. واحد کنترل از عملکردهای شستشوی معکوس خودکار و کالیبراسیون خودکار پشتیبانی می‌کند. پراب به عملکرد ردیابی گرما مجهز شده است تا از تشکیل میعان در داخل آن جلوگیری شود و انتهای آن به یک فیلتر استیل ضد زنگ یا سرامیکی متخلخل مجهز شده است.

شکل (5) رطوبت سنج دمای بالا CI-PC196

این کاوشگر شامل یک فیلتر اولیه است که در داخل دودکش قرار می‌گیرد، یک لوله نمونه‌برداری، یک واحد اجرای پاکسازی و یک حسگر که در انتهای دمای معمولی خارج از دودکش قرار دارد. گاز دودکش با دمای بالا توسط یک پمپ اجکتور که توسط هوای فشرده کار می‌کند، از دودکش خارج می‌شود. گاز دودکش از طریق ورودی حسگر وارد شده و از خروجی هوا تخلیه می‌شود. با کنترل فشار و سرعت جریان هوای فشرده، سرعت جریان گاز مکش شده قابل تنظیم است. این کاوشگر یک حسگر اکسیژن از نوع جریانی است که اصول عملکرد آن با کاوشگرهای زیرکونیایی از نوع غلظتی با درج مستقیم متفاوت است. در شرایط دمای بالا، ماده زیرکونیا (ZrO2) به دلیل مهاجرت یون‌های اکسیژن رسانا می‌شود. هنگامی که دما از 650 درجه سانتیگراد فراتر می‌رود، یون‌های اکسیژن مهاجرت می‌کنند. با افزایش غلظت اکسیژن، جریان به طور متناسب با افزایش جریان یون افزایش می‌یابد.

در مقایسه با حسگرهای رطوبت پلیمری، الکترولیتی و سرامیکی مرسوم، این دستگاه از نظر طراحی ساختاری، روش‌های آزمایش و اصول عملکرد کاملاً متفاوت است و در نتیجه مزایای قابل توجهی را ارائه می‌دهد: مقاومت دمایی و مقاومت در برابر خوردگی عالی (سنسور در دمای بیش از 600 درجه سانتیگراد کار می‌کند) را نشان می‌دهد که امکان استفاده از آن را در محیط‌های با دمای بالا بالاتر از 200 درجه سانتیگراد فراهم می‌کند. این دستگاه میزان رطوبت را بر اساس مقدار تجزیه بخار آب تحت ولتاژ تجزیه اندازه‌گیری می‌کند و در نتیجه گزینش‌پذیری بالایی را ارائه می‌دهد. علاوه بر این، این اصل می‌تواند رطوبت و غلظت اکسیژن خروجی را به طور همزمان اندازه‌گیری کند. این دستگاه به طور گسترده در صنایع حفاظت از محیط زیست، چاپ و رنگرزی، چوب، مصالح ساختمانی، کاغذسازی، شیمیایی، الیاف و داروسازی و همچنین زمینه‌های فرآوری و ذخیره‌سازی مواد غذایی، تنباکو، سبزیجات و غلات استفاده می‌شود.