Principe de fonctionnement et maintenance de l'analyseur d'oxygène à zircone

Type de structure et principe de fonctionnement d'une sonde à oxygène en zircone

Selon les différentes méthodes de détection, les sondes à oxygène en zircone sont divisées en deux catégories : les sondes à oxygène à détection par échantillonnage et les sondes à oxygène à insertion directe.

1. Sonde à oxygène de type détection par échantillonnage

Le mode de détection par échantillonnage consiste à acheminer le gaz mesuré vers la chambre de détection à oxyde de zirconium via un tube de guidage. L'oxyde de zirconium est ensuite chauffé à la température de fonctionnement (supérieure à 750 °C) par un élément chauffant. L'oxyde de zirconium est généralement de forme tubulaire et l'électrode est en platine poreux. Ce dispositif présente l'avantage d'être insensible à la température du gaz analysé et de permettre la mesure de la teneur en oxygène dans des gaz à différentes températures grâce à l'utilisation de tubes de guidage adaptés. Sa flexibilité le rend applicable à de nombreuses applications industrielles de détection en ligne. Cependant, il présente l'inconvénient d'un temps de réaction lent et d'une structure complexe, susceptible d'affecter la précision de la détection. Le tube d'échantillonnage est sujet au colmatage en présence d'impuretés dans le gaz analysé. L'électrode en platine poreux est sensible à la corrosion par le soufre et l'arsenic présents dans le gaz, ainsi qu'à l'encrassement par les poussières fines. L'élément chauffant, généralement un fil électrique, a une durée de vie limitée.

Lorsque la température du gaz détecté est basse (0-650°C) ou que le gaz détecté est propre, la méthode de détection par échantillonnage est appropriée, comme la mesure de l'oxygène par une machine à fabriquer de l'azote et la mesure de l'oxygène en laboratoire, etc.

2. Sonde à oxygène à insertion directe

La détection par insertion directe consiste à insérer directement de la zircone dans le gaz à haute température afin de mesurer directement sa teneur en oxygène. Cette méthode est adaptée aux gaz dont la température est comprise entre 700 °C et 1150 °C (une structure spécifique permet également d'atteindre 1400 °C). La température élevée du gaz permet à la zircone d'atteindre sa température de fonctionnement sans nécessiter de dispositif de chauffage (figure 3). Les principaux défis technologiques de cette sonde à oxygène à insertion directe résident dans l'étanchéité à haute température et la conception des électrodes en céramique. La structure de deux types de sondes à oxygène à insertion directe est présentée.

(1) Tube en zircone intégrale

Cette forme est dérivée de celle du tube en oxyde de zirconium utilisé pour l'échantillonnage ; autrement dit, le tube original en oxyde de zirconium est allongé, permettant ainsi à l'oxyde de zirconium d'être directement immergé dans le gaz à haute température à analyser. Cette structure ne nécessite pas de prendre en compte les problèmes d'étanchéité à haute température.

(2) Sonde à oxygène en zircone à insertion directe

Du fait de la nécessité d'insérer directement la zircone dans le gaz de détection, la longueur de la sonde à oxygène doit être plus importante. Sa longueur utile est d'environ 500 à 1000 mm, et peut atteindre 1500 mm dans des conditions environnementales particulières. La précision des mesures, la stabilité de fonctionnement et la durée de vie sont des exigences très élevées. De ce fait, la sonde à oxygène à insertion directe adopte rarement la structure tubulaire entièrement en zircone des sondes traditionnelles, et privilégie une structure de connexion entre la zircone et un tube en alumine, répondant à des exigences techniques supérieures. L'étanchéité est un aspect crucial de cette sonde. Actuellement, la méthode de connexion la plus performante au monde consiste à souder définitivement les tubes en zircone et en alumine. Son étanchéité est excellente. Comparée à la méthode de détection par échantillonnage, la détection par insertion directe présente des avantages considérables : l'oxyde de zirconium est en contact direct avec le gaz, ce qui garantit une haute précision de détection, une grande réactivité et un entretien réduit.

Application industrielle de la sonde à oxygène

1. Application des chaudières industrielles et des fours de chauffage

Lors de l'utilisation d'une sonde à oxygène, deux méthodes d'introduction du gaz à mesurer sont possibles : l'insertion directe et la détection par échantillonnage. L'insertion directe offre un temps de réponse court, ne nécessite pas de dispositif de chauffage, et sa structure est simple, compacte et portable. Cependant, elle exige la mesure simultanée de la température du gaz. La température de la sonde étant régulée par un dispositif de chauffage, la précision de mesure est élevée et le fonctionnement fiable, mais le temps de réponse dépend du débit du gaz.

L' analyseur d'oxygène à insertion directe est largement utilisé pour la détermination de la teneur en oxygène des gaz de combustion des chaudières et des fours de réchauffage (Figure 4). La sonde à oxygène utilisée à cet effet est généralement de structure tubulaire, le tube pouvant être ouvert aux deux extrémités ou à une seule extrémité (cette dernière configuration étant la plus courante sur le marché). Des électrodes poreuses en platine sont déposées sur les parois interne et externe du tube en ZrO₂. Ces électrodes s'étendent respectivement jusqu'à l'extrémité du tube, où des fils de NiCr sont connectés pour la sortie du signal. Ce dispositif permet de contrôler le système de combustion afin d'obtenir une combustion pauvre en oxygène, réduisant ainsi les pertes de chaleur et la consommation d'énergie.

Installation d'un capteur d'oxygène

Une installation correcte est essentielle pour garantir le bon fonctionnement de la sonde à oxygène. De nombreux problèmes d'utilisation sont dus à une installation incorrecte de cette sonde.

1. Point de mesure d'échantillonnage

La détermination du point de mesure est l'étape primordiale, qui doit respecter les principes suivants :

(1) Le point de mesure sélectionné exige que le gaz détecté dans le four puisse être correctement réfléchi, afin de garantir l'authenticité du signal de sortie du capteur d'oxygène et d'éviter autant que possible l'angle mort de l'air de retour ;

(2) Le point de mesure ne doit pas être trop proche du point de combustion ou de la buse, car le gaz dans ces parties est en réaction intense, ce qui entraînera des fluctuations et une distorsion importante de la valeur de détection du capteur d'oxygène ; Ne pas placer trop près d'équipements générateurs d'air tels que des ventilateurs, afin de ne pas endommager le capteur par les vibrations du moteur ;

(3) L'invention permet d'éviter d'être placée dans une position de collision potentielle afin d'éviter d'endommager la sonde par un choc et d'assurer la sécurité du capteur.

2. Mode d'installation et de connexion du capteur d'oxygène

(1) L'installation de la sonde à oxygène peut se faire horizontalement ou verticalement, la position verticale étant optimale. Quelle que soit l'orientation choisie, la plaque de guidage du tube d'échantillonnage doit être orientée autant que possible dans le sens du flux d'air mesuré. Lors de l'installation initiale, l'orientation de base est déterminée en fonction du processus. Après la mise sous tension du système pour chauffer la sonde, l'orientation du tube d'échantillonnage est modifiée et la fluctuation du potentiel d'oxygène de sortie est observée à l'aide d'un multimètre numérique afin de déterminer l'orientation optimale.

(2) Le joint utilisé pour l'installation du capteur d'oxygène est un joint à bride spécial, et le coussin en amiante est disposé à être pressé pour assurer l'étanchéité, sinon, étant donné que le four commun est à pression négative, la fuite au niveau du joint à bride peut affecter la précision de la mesure ou provoquer une fluctuation du signal.

(3) Le câble de sortie du signal du capteur d'oxygène est de préférence blindé afin d'éliminer les interférences. L'idéal est d'utiliser deux câbles à deux conducteurs : un câble blindé à deux conducteurs pour la transmission du potentiel d'oxygène et un câble de commande KVV à deux conducteurs pour le chauffage de l'extrémité de connexion de la sonde. En l'absence de conditions particulières, un câble KVV à quatre conducteurs peut être utilisé directement pour connecter le signal de potentiel d'oxygène de la sonde et l'extrémité chauffante.

(4) L'orifice de gaz standard de la sonde à oxygène est normalement fermé et n'est utilisé que lors de l'étalonnage du gaz. L'orifice d'air de soufflage est relié à une pompe à air ou à une conduite d'air comprimé. L'arrivée d'air de cet orifice est généralement contrôlée par une vanne, par exemple une électrovanne. Cette vanne s'ouvre une fois par intervalle de temps déterminé, introduisant ainsi le gaz dans un tube de prélèvement. La vanne se ferme lorsque la sonde effectue une détection normale, empêchant ainsi tout autre gaz de pénétrer dans le tube de prélèvement. Le fabricant de la sonde à air comprimé doit s'assurer que l'air comprimé utilisé est exempt d'eau.

Utilisation et entretien des capteurs d'oxygène

1. Raccordement de la commande de chauffage

La sonde à oxygène à échantillonnage ne fonctionne correctement qu'après connexion du capteur d'oxygène à la commande de chauffage. À froid, le signal de sortie est aléatoire et sans signification. Une fois le capteur connecté à la commande de chauffage, la détection de gaz peut démarrer à température ambiante. Le réglage du zéro de la sonde s'effectue généralement à température ambiante. Après chauffage, la sonde est testée en mesurant la tension de sortie (en millivolts) à l'aide d'un multimètre numérique. Cette valeur correspond à l'écart du zéro de la sonde et doit être prise en compte par l'instrument d'affichage pour corriger la concentration d'oxygène affichée.

2. Considérations relatives à l'installation ou au remplacement d'une sonde à oxygène

Lors de l'installation ou du remplacement d'une sonde à oxygène, la valeur affichée par l'analyseur d'oxygène doit être corrigée. Sans cette correction, la concentration d'oxygène mesurée par l'analyseur peut différer de la concentration réelle après le remplacement de la sonde, ce qui fausse la mesure.

3. Le principe et la méthode de correction de la concentration en oxygène.

Le signal de sortie du capteur d'oxygène correspond à la concentration du gaz mesuré par rapport à la valeur de potentiel différentiel de l'air ambiant. Ce potentiel, mesuré au point zéro (c'est-à-dire au niveau de l'air ambiant), peut varier en fonction de la sonde initiale. La conversion du potentiel de sortie en concentration d'oxygène peut donc engendrer des erreurs. Par conséquent, l'étalonnage du signal de la sonde est une opération essentielle dans l'analyseur d'oxygène. À défaut, la concentration d'oxygène mesurée présentera un écart important avec la concentration réelle du gaz, ce qui ne permettra pas de répondre aux exigences de production sur le terrain et pourrait même induire en erreur le contrôle de la production.

La correction spécifique est généralement effectuée à l'aide d'un gaz étalon. La méthode consiste à introduire dans la sonde, via l'orifice prévu à cet effet, le gaz étalon validé par le système de mesure. Le potentiel d'oxygène de sortie et la concentration d'oxygène affichée par l'instrument sont alors mesurés. Cette dernière doit correspondre à la concentration du gaz étalon. En cas d'écart, le paramètre de linéarité de l'instrument est corrigé. Le système de mesure standard requiert au moins trois systèmes d'étalonnage de gaz étalon de concentrations différentes, afin de garantir la linéarité du système par trois étalonnages successifs et d'assurer son bon fonctionnement.

4. Effet de l'accumulation de poussière sur le capteur d'oxygène et méthode de purge et de nettoyage

Étant donné que la sonde à oxygène est un dispositif de détection et de mesure en continu, la poussière produite par la chaudière et d'autres équipements (notamment les fours à combustion de charbon ou de poudre, etc.) peut obstruer la conduite d'échantillonnage, entraînant une distorsion des mesures, voire une impossibilité de mesurer. Il est alors nécessaire de contrôler régulièrement la poussière dans la conduite d'échantillonnage, en déterminant la longueur et la durée du contrôle afin d'évaluer le niveau d'encrassement. Cette méthode de nettoyage requiert un analyseur d'oxygène doté de la fonction correspondante ou un dispositif de maintenance adapté à la sonde. À défaut, il est possible d'installer des vannes manuelles pour contrôler l'arrivée d'air comprimé ou d'une pompe à air afin de dépoussiérer régulièrement la sonde. Toutefois, il convient de prêter attention aux points suivants :

(1) Parce que le potentiel d'oxygène du capteur d'oxygène diminuera au cours du processus de purge, le plus bas possible étant réduit à 1, 2 mV, à ce moment-là le potentiel d'oxygène détecté ne représente pas l'atmosphère dans le four, ce point doit être noté.

(2) Le débit d'air de balayage doit permettre l'élimination de la suie. La valeur du potentiel d'oxygène mesurée par le capteur d'oxygène peut être observée pendant le balayage. Si cette valeur ne diminue pas, cela indique un débit d'air insuffisant, un nettoyage incomplet de la poussière et un réglage ou une vérification du circuit de balayage.

(3) Le canal de soufflage communique directement avec le four. Une fois le soufflage terminé, la vanne doit être fermée, l'orifice de soufflage obturé et l'air comprimé à l'intérieur du four doit être empêché de pénétrer, car cela perturberait le fonctionnement du capteur d'oxygène.

Lors de l'analyse de la qualité d'un capteur d'oxygène, celui-ci doit être considéré comme un élément de détection distinct. Pour mesurer le potentiel d'oxygène du capteur, tous les fils qui y sont connectés doivent être déconnectés. Le potentiel d'oxygène est ensuite mesuré directement à la sortie du capteur à l'aide d'un multimètre numérique à haute impédance. Les valeurs obtenues sont comparées à celles mesurées en fonctionnement normal.

Fonctionnement réel

Depuis 2003, le four de craquage de notre usine est équipé d'un analyseur de zircone à insertion directe haute température ZGP2+ZDT, principalement utilisé pour la mesure de la teneur en oxygène des gaz de combustion. Cet analyseur contribue au contrôle de la combustion du four et son fonctionnement est stable et fiable. En mai 2005, un écart important et positif des valeurs mesurées a été constaté. Il a été déterminé que le circuit de gaz présentait une fuite : du gaz de point zéro était injecté sur le circuit normalisé, et une fuite au niveau du débitmètre à rotor a également été identifiée. La dépression dans le système de mesure entraînait l'entrée d'air extérieur. La forte concentration d'oxygène dans cet air expliquait la valeur mesurée élevée, mais le processus de fabrication restait normal. Voici quelques points importants à prendre en compte :

⑴ Le tube en zirconium doit fonctionner normalement à 750 °C ; l'instrument doit donc maintenir une température constante.

⑵Aucune fuite des gazoducs

⑶ Maintenir la pression de l'injecteur stable à 0,15 MPa

⑷ La source de gaz éjecteur doit être fermée lors du contrôle du gaz standard et ouverte pendant la mesure.

⑸La présence de H2, CO, CH4 et d'autres gaz combustibles dans le gaz de mesure diminuera le résultat de la mesure.

Conclusion

L'instrument de mesure d'oxygène en zircone présente les avantages suivants : structure simple, temps de réponse court, large plage de mesure, température d'utilisation élevée, fonctionnement fiable, installation facile, maintenance réduite, etc.

Par conséquent, il a été largement utilisé dans la métallurgie, l'industrie chimique, l'énergie électrique, la céramique, l'automobile, la protection de l'environnement et d'autres secteurs industriels.