फ्लू गैस में नमी (आर्द्रता) की ऑनलाइन निगरानी तकनीक के अनुप्रयोग
ईंधन सेल सेंसर प्रौद्योगिकी
विभिन्न बर्नरों, औद्योगिक और वाणिज्यिक बॉयलरों से निकलने वाली द्रव गैसों के उत्सर्जन से वायुमंडल में गंभीर प्रदूषण फैल रहा है। द्रव गैस में मौजूद विषैली और हानिकारक गैसों की निगरानी पर्यावरण संरक्षण प्रयासों का एक महत्वपूर्ण पहलू है। इस आवश्यकता को पूरा करने के लिए सतत उत्सर्जन निगरानी प्रणाली (CEMS) विकसित की गई है, जो सामान्यतः शुष्क द्रव गैस की स्थिति के आधार पर द्रव गैस प्रदूषकों की मात्रा निर्धारित करती है। हालांकि, औद्योगिक रूप से उत्सर्जित द्रव गैस आदर्श शुष्क गैस नहीं होती और इसमें हमेशा कुछ मात्रा में नमी मौजूद होती है। इसलिए, द्रव गैस की नमी द्रव गैस प्रदूषण स्रोत निगरानी में एक आवश्यक मापन पैरामीटर बन गई है, और इसके मापन की सटीकता कुल प्रदूषक उत्सर्जन और सांद्रता की गणना के साथ-साथ द्रव गैस शुद्धिकरण प्रणाली की दक्षता के मूल्यांकन को भी सीधे प्रभावित करती है।
इसके अलावा, आर्द्रता अंशांकन भी एक महत्वपूर्ण चुनौती है। इसका कारण उच्च तापमान वाले आर्द्रता जनरेटरों के निर्माण में कठिनाई है, जो ऑनलाइन आर्द्रता उपकरणों से प्राप्त मापन मूल्यों की अनुरेखणीयता को प्रभावित करती है। फ्लू गैस आर्द्रता मीटरों के सत्यापन और अंशांकन के लिए, मानक आर्द्रता स्रोत उत्पन्न करने में सक्षम उपकरणों के साथ-साथ आर्द्रता बेंचमार्क और मानकों का होना आवश्यक है। निरपेक्ष आर्द्रता निर्धारण में सक्षम आर्द्रता मापन विधियाँ आर्द्रता बेंचमार्क के रूप में कार्य कर सकती हैं, और ज्ञात आर्द्रता स्तर वाली गैसें भी आर्द्रता बेंचमार्क के रूप में कार्य कर सकती हैं। मानक "स्थिर स्रोत की निकास गैस से उत्सर्जित गैसीय प्रदूषकों के कणों का निर्धारण और नमूनाकरण विधियाँ" (GB/T 16157-1996) फ्लू गैस आर्द्रता मापने की तीन विधियाँ निर्दिष्ट करता है: वेट-ड्राई-बल्ब विधि, संघनन विधि और गुरुत्वाकर्षण विधि। फ्लू गैस आर्द्रता का पता लगाने के लिए संदर्भ विधियों के रूप में कार्य करते हुए, इन तीनों विधियों का उपयोग फ्लू गैस आर्द्रता मीटरों के अंशांकन के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, आर्द्रता जनरेटर विशिष्ट तापमान और दबाव की स्थितियों में स्थिर नम गैस उत्पन्न कर सकते हैं, और इनका उपयोग फ्लू गैस आर्द्रता मीटरों के अंशांकन के लिए भी किया जा सकता है। प्रौद्योगिकी की प्रगति और पर्यावरण संरक्षण पर देश के बढ़ते जोर के साथ, चीन में उच्च तापमान वाली फ्लू गैस की नमी के ऑनलाइन मापन के लिए वर्तमान में चार प्राथमिक तरीके हैं: निरंतर प्रवाह इंजेक्शन विधि (गीला-सूखा बल्ब), प्रतिरोध-धारिता विधि, ज़िरकोनिया-आधारित आयन प्रवाह (सीमित धारा) विधि और अवरक्त स्पेक्ट्रल अवशोषण विधि।
फ्लू गैस की नमी मापने की विधियों का परिचय
>> गीले-सूखे बल्ब विधि
गीले और शुष्क बल्ब विधि गीले बल्ब और शुष्क बल्ब तापमान के अंतर के प्रभाव के आधार पर हवा की सापेक्ष आर्द्रता को मापती है। गीले बल्ब की सतह से जल के अणु वाष्पीकृत होकर जल वाष्प बन जाते हैं, जिन्हें वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा को अवशोषित करने की आवश्यकता होती है। निरंतर वाष्पीकरण सतह से ऊष्मा को अवशोषित करता रहता है और गीले बल्ब को ठंडा करता है। शीतलन की मात्रा आसपास की हवा की सापेक्ष आर्द्रता, वायुमंडलीय दबाव और हवा की गति द्वारा निर्धारित होती है। यदि वायुमंडलीय दबाव और हवा की गति स्थिर रहती है, तो सापेक्ष आर्द्रता जितनी अधिक होगी, गीले बल्ब की सतह से जल वाष्पीकरण की दर उतनी ही कम होगी, और गीले बल्ब की सतह का तापमान उतना ही कम होगा, जो गीले बल्ब के तापमान और शुष्क बल्ब के तापमान का अंतर है; इसके विपरीत, गीले बल्ब और शुष्क बल्ब के तापमान के बीच का अंतर जितना अधिक होगा, सापेक्ष आर्द्रता उतनी ही कम होगी। तदनुसार, गीले बल्ब और शुष्क बल्ब के तापमान के बीच के अंतर को मापकर और सापेक्ष आर्द्रता और इस तापमान अंतर के बीच संबंध निर्धारित करके, सापेक्ष आर्द्रता की गणना की जा सकती है।2,3
>> गीले-सूखे बल्ब विधि द्वारा आर्द्रता मापन का सिद्धांत
ऊष्मा और नमी स्थानांतरण के सिद्धांतों के अनुसार, जब ऊष्मीय और नमी संतुलन प्राप्त हो जाता है, तो हवा से गीले बल्ब में ऊष्मा स्थानांतरण की मात्रा Q1, जाली से नमी के वाष्पीकरण के लिए आवश्यक गुप्त ऊष्मा Q2 के बराबर होती है, अर्थात्: Q1 = Q2 (1)
ऊष्मा स्थानांतरण सिद्धांत के आधार पर: Q1=α（t-tw）F (2)
सूत्र में: α वायु और जल सतह के बीच ऊष्मा विनिमय गुणांक है (वेट-बल्ब, W/m2 ·℃); t शुष्क बल्ब तापमान है (°C); tw वेट-बल्ब तापमान है (°C); F वेट-बल्ब सतह क्षेत्र है (m²)।
नमी स्थानांतरण सिद्धांत और डाल्टन के वाष्पीकरण नियम के अनुसार, वाष्पीकृत जल का द्रव्यमान आसपास की हवा की वाष्प संतृप्ति कमी और वाष्पीकरण क्षेत्र के सीधे समानुपाती होता है, और उस समय के वायुमंडलीय दबाव के व्युत्क्रमानुपाती होता है। इसलिए, नमी विनिमय दर[4] को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:
सूत्र में: W नमी विनिमय दर है, kg/s; r वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा है, J/kg; β नमी विनिमय गुणांक है, kg/(m²·s·Pa); F आर्द्र बल्ब का पृष्ठीय क्षेत्रफल है, m²; B वास्तविक वायुमंडलीय दाब है, Pa; P´q,b आर्द्र बल्ब तापमान पर संतृप्त जल वाष्प का आंशिक दाब है, Pa; Pq वायु में जल वाष्प का आंशिक दाब है, Pa।
सूत्र (1), (2) और (3) से व्युत्पन्न:
सूत्र में: साइक्रोमीटर गुणांक
अतः, सापेक्ष आर्द्रता इस प्रकार है:
प्रदूषण स्रोतों से निकलने वाली द्रव गैस की निगरानी के लिए उपयोग की जाने वाली वेट-ड्राई बल्ब विधि में आमतौर पर तापमान मापने के लिए दो समान थर्मोकपल का उपयोग किया जाता है, एक ड्राई-बल्ब तापमान मापने के लिए और दूसरा वेट-बल्ब तापमान मापने के लिए। ड्राई-बल्ब तापमान मापने वाला सेंसर मुख्य द्रव गैस प्रवाह के भीतर स्थित होता है, जबकि वेट-बल्ब तापमान मापने वाला सेंसर सूती जाली से लिपटा होता है और एक जल पात्र से जुड़ा होता है। वेट-बल्ब और आसपास की द्रव गैस को एक ही प्रणाली माना जाता है, जिसमें विकिरण ऊष्मा चालन पर कोई विचार नहीं किया जाता है। ड्राई-वेट बल्ब सिद्धांत पर आधारित एक स्वचालित नमी मापन उपकरण, वेट-बल्ब और ड्राई-बल्ब की सतह के तापमान, साथ ही वेट-बल्ब की सतह पर दबाव और निकास स्थिर दबाव जैसे मापदंडों को मापने और एकत्र करने वाले सेंसर को नियंत्रित करने के लिए एक माइक्रोप्रोसेसर का उपयोग करता है। यह वेट-बल्ब की सतह के तापमान पर संतृप्त जल वाष्प दबाव ज्ञात करता है और इनपुट वायुमंडलीय दबाव के साथ मिलाकर, सूत्र का उपयोग करके द्रव गैस की नमी की मात्रा की गणना स्वचालित रूप से करता है।
1- फ्लू;
2- ड्राई-बल्ब थर्मामीटर;
3- वेट-बल्ब थर्मामीटर;
4- असंलग्न नमूना ट्यूब;
5- वैक्यूम प्रेशर गेज;
6-रोटामीटर;
7- एयर सक्शन पंप
1- फ्लू; 2- ड्राई-बल्ब थर्मामीटर; 3- वेट-बल्ब थर्मामीटर; 4- इंसुलेटेड सैंपलिंग ट्यूब; 5- वैक्यूम प्रेशर गेज; 6- रोटामीटर; 7- एयर सक्शन पंप
| सिल्वर कैथोड | O₂+2H₂O+4e-→4OH- |
| सीसा एनोड | 2Pb + 4OH- → 2 PbO + 2H₂O + 4e- |
| कुल मिलाकर कोशिका प्रतिक्रिया | O₂+ 2Pb→2 PbO |
OH- आयन प्रवाह से उत्पन्न धारा नमूना गैस में ऑक्सीजन की मात्रा के समानुपाती होती है। उपरोक्त रासायनिक अभिक्रियाओं से यह स्पष्ट है कि यदि ऑक्सीजन मौजूद नहीं है, तो कोई अभिक्रिया नहीं होती और कोई धारा उत्पन्न नहीं होती। अतः, सैद्धांतिक रूप से सेंसर का एक निरपेक्ष शून्य बिंदु होता है। फिर भी, सांद्रता-कोशिका ज़िरकोनिया सेंसरों के समान, जिनका वायु में सैद्धांतिक विद्युत-प्रेरक बल शून्य होना चाहिए, लेकिन पदार्थ के कारण आमतौर पर गैर-शून्य आउटपुट देता है, ईंधन कोशिका ऑक्सीजन सेंसरों का संकेत आमतौर पर डीऑक्सीजनेशन तकनीक द्वारा उपचारित उच्च-शुद्धता नाइट्रोजन की आपूर्ति के बाद भी शून्य तक नहीं पहुंच पाता है, और यहां तक कि नकारात्मक संकेत भी उत्पन्न कर सकता है। चूंकि एनोड पर मौजूद सीसा लगातार लेड ऑक्साइड में परिवर्तित होता रहता है, इसलिए सीसा इलेक्ट्रोड के पूरी तरह से नष्ट हो जाने पर सेंसर का सेवा जीवन समाप्त हो जाता है।
>> प्रदर्शन विश्लेषण
क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट विलयन में, सिल्वर कैथोड पर ऑक्सीजन का OH- में अपचयन निम्नलिखित सूत्र द्वारा व्यक्त किया जा सकता है।
सूत्र में:
I - गैल्वेनिक सेल के इलेक्ट्रोडों से प्रवाहित होने वाली धारा
K - स्थिरांक
[O₂] मापे गए नमूना गैस में ऑक्सीजन की सांद्रता
[OH-] इलेक्ट्रोलाइट में OH⁻ आयनों की सक्रियता (प्रभावी सांद्रता)
e - प्राकृतिक लघुगणक का आधार
चांदी के इलेक्ट्रोड की φ- ध्रुवीकरण प्रतिक्रिया क्षमता
F - फैराडे स्थिरांक
R - गैस स्थिरांक
S - ऊष्मागतिक तापमान
यह सूत्र क्षारीय ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर की सभी प्रतिक्रियाओं को कवर करता है, लेकिन इसका उपयोग ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर की विशेषताओं की गुणात्मक व्याख्या के लिए किया जा सकता है।
जैसा कि सूत्र और चित्र 6-2 से देखा जा सकता है
① ऑक्सीजन की सांद्रता जितनी अधिक होगी, गैर-रैखिक संबंध उतना ही अधिक स्पष्ट होगा।
2. तापमान विशेषताएँ: ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर की डिस्चार्ज धारा ऊष्मागतिक तापमान T के साथ एक घातीय संबंध प्रदर्शित करती है। तापमान बढ़ने पर डिस्चार्ज धारा में उल्लेखनीय वृद्धि होती है।
इसलिए, माप की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए, दो विधियों का उपयोग किया जा सकता है: स्थिर तापमान बनाए रखना या तापमान क्षतिपूर्ति। वर्तमान में, बाज़ार में उपलब्ध अधिकांश ऑक्सीजन विश्लेषक, जो ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर से सुसज्जित हैं, तापमान क्षतिपूर्ति के लिए ऋणात्मक तापमान गुणांक वाले थर्मिस्टर का उपयोग करते हैं, जबकि स्थिर तापमान विधि का उपयोग करने वाले विश्लेषक कम प्रचलित हैं।
③ ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर पर KOH विलयन का प्रभाव
सूत्र से यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि OH⁻ सेंसर द्वारा उत्पन्न वर्तमान सिग्नल के साथ ऋणात्मक घातीय संबंध प्रदर्शित करता है। अध्ययनों से पता चला है कि जब KOH विलयन की सांद्रता लगभग 6 मोल/लीटर (द्रव्यमान अंश: 26.8%) होती है, तो विद्युत चालकता अधिकतम हो जाती है, जिसका अर्थ है कि इस बिंदु पर OH⁻ की सक्रियता भी अधिकतम होती है। आगे के शोध से पता चलता है कि जब KOH की सांद्रता 5.5~6.9 मोल/लीटर की सीमा में रखी जाती है, तो विलयन की सांद्रता और तापमान में उतार-चढ़ाव के कारण चालकता में होने वाला परिवर्तन न्यूनतम हो जाता है। यह OH⁻ की सक्रियता में न्यूनतम परिवर्तन को दर्शाता है, जिससे सेंसर की संवेदनशीलता पर प्रभाव न्यूनतम हो जाता है। इसलिए, सेंसर के लिए KOH विलयन का निर्माण उपरोक्त सिद्धांतों के अनुरूप होना चाहिए।
④ नमूना गैस प्रवाह दर का प्रभाव
नमूना गैस प्रवाह दर में बदलाव का ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर के डिस्चार्ज करंट पर आमतौर पर कोई खास असर नहीं पड़ता। इसका कारण यह है कि सेंसर का करंट सिग्नल आउटपुट मापी गई गैस में ऑक्सीजन के आंशिक दबाव से संबंधित होता है। जब नमूना गैस प्रवाह दर बदलती है लेकिन नमूना गैस में ऑक्सीजन की मात्रा स्थिर रहती है, तो ऑक्सीजन का आंशिक दबाव भी अपरिवर्तित रहता है।
>> प्रमुख तकनीकी विशिष्टताएँ
चांगई इलेक्ट्रॉनिक साइंस एंड टेक्नोलॉजी कंपनी लिमिटेड के सीआई-पीसी90 ट्रेस ऑक्सीजन विश्लेषक को उदाहरण के तौर पर लेते हुए, मुख्य तकनीकी विशिष्टताएं इस प्रकार हैं:
| सेंसर | CI213 | |
| शुद्धता | 0.01～9.99ppm O₂ | ±5% FS |
| 10.0～99.9ppm O₂ | ±3% FS | |
| 100～1000ppm O₂ | ±2% FS | |
| 0～21.00% O₂ | ±2% FS | |
| repeatability | 0.01～9.99ppm O₂ | ±2.5% FS |
| 10.0～99.9ppm O₂ | ±1.5% FS | |
| 100～1000ppm O₂ | ±1% FS | |
| स्थिरता | 0.01～9.99ppm O₂ | ±2.5% FS/7d |
| 10.0～99.9ppm O₂ | ±1.5% FS/7 दिन | |
| 100～1000ppm O₂ | ±1% FS/7d | |
| प्रतिक्रिया समय | T90＜60S(25℃) | |
| वसूली मे लगने वाला समय | परिवेशी स्तर (20.94%) से सांद्रता को 10 पीपीएम तक कम करने में 60 मिनट लगते हैं। | |
| अंशांकन चक्र | एक वर्ष (अनुशंसित) | |
| परिवेश का तापमान | 0～45℃ | |
| परिवेश आर्द्रता | ＜80%RH | |
| नमूना गैस दबाव | सामान्य दबाव ±10% (वायु निकास को वेंटेड होना चाहिए) | |
| नमूना गैस प्रवाह | 1.5～2 लीटर/मिनट | |
| सेंसर सेवा जीवन | 2 वर्ष से अधिक (सामान्य उपयोग) | |
>> उपयोग के लिए सावधानियां
① अध्ययनों से पता चला है कि ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर का सेवा जीवन निम्नलिखित कारकों से संबंधित है:
● इलेक्ट्रोलाइट का वाष्पीकरण और रिसाव;
● लेड एनोड धातु की सतही प्रतिक्रिया से उत्पन्न लेड ऑक्साइड के निक्षेपण के कारण निष्क्रियता प्रभाव;
● पारगम्य झिल्ली की गैस पारगम्यता और जल विकर्षण क्षमता। लेड ऑक्साइड का निष्क्रियकरण मापी गई ऑक्सीजन की मात्रा से संबंधित है। ऑक्सीजन की सांद्रता जितनी अधिक होगी, एनोड की खपत उतनी ही अधिक होगी और सेंसर का सेवाकाल उतना ही कम होगा। इसलिए, एक अतिरिक्त सेंसर रखने की सलाह दी जाती है।
2. ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर को पहचान इकाई के रूप में उपयोग करने वाले ऑक्सीजन विश्लेषकों को कम नियमित रखरखाव की आवश्यकता होती है। उच्च शुद्धता वाले नाइट्रोजन (≥99.999%) और ऑक्सीजन-इन-नाइट्रोजन मानक गैस के साथ माप सीमा के 90% पर प्रत्येक छह महीने में एक बार अंशांकन किया जाना चाहिए।
③ जब उत्पादन उपकरण रखरखाव के लिए बंद हो और विश्लेषक सेवा से बाहर हो, तो विश्लेषक के ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर को लगभग 8-10 मिनट के लिए उच्च-शुद्धता वाले नाइट्रोजन (≥99.999%) से शुद्ध करने की सलाह दी जाती है, और फिर विश्लेषक को शुद्धिकरण मोड पर सेट करें (जिस बिंदु पर सेंसर सील हो जाता है)। उत्पादन उपकरण रखरखाव पूरा होने और विश्लेषक को पुनः चालू करने के बाद, विश्लेषक को मापन मोड में स्विच करने से पहले, मापे गए नमूना गैस से गैस परिपथ को 3-5 मिनट के लिए शुद्ध करें। इस प्रक्रिया से दो लाभ होते हैं: पहला, यह सेंसर के सेवा जीवन को बढ़ाता है; दूसरा, इससे मापन पुनः शुरू करने पर त्वरित प्रतिक्रिया और स्थिरीकरण समय प्राप्त होता है। यह उपाय विशेष रूप से उन स्थितियों के लिए उपयुक्त है जिनमें तीव्र मापन की आवश्यकता होती है, जैसे कि उच्च-शुद्धता वाले नाइट्रोजन और उच्च-शुद्धता वाले आर्गन का उत्पादन, और ब्रुअरीज में CO₂ की पुनर्प्राप्ति।
④ फ्यूल सेल ऑक्सीजन सेंसर को स्टोर करते समय, इसे नाइट्रोजन से भरे सुरक्षात्मक बैग में रखें और शॉर्टिंग रिंग से टर्मिनलों को शॉर्ट-सर्किट करें। भंडारण के दौरान सुरक्षात्मक बैग को नुकसान न पहुंचाएं। सेंसर को बदलते समय ही बैग को खोलें। शॉर्टिंग रिंग हटाने के बाद, सेंसर को तुरंत एनालाइजर में स्थापित करें।
⑤ ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर का दबाव रेंज आम तौर पर 35~210 kPa होता है। यदि गैस आपूर्ति का दबाव अत्यधिक अधिक है, तो दबाव को उपरोक्त सुरक्षित सीमा के भीतर समायोजित करने के लिए पहले एक दबाव कम करने वाले वाल्व का उपयोग किया जाना चाहिए।
अम्लीय ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर
अम्लीय ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर में एक स्वर्ण कैथोड, एक सीसा एनोड और तरल एसिटिक अम्ल इलेक्ट्रोलाइट होता है। यह उन वातावरणों के लिए उपयुक्त है जहाँ मापी गई हवा में अम्लीय पदार्थ (जैसे CO₂ और H₂S) मौजूद होते हैं, जैसे कि ब्रुअरीज में CO₂ रिकवरी में ट्रेस ऑक्सीजन का मापन और ब्रेज़िंग भट्टियों में नाइट्रोजन-सुरक्षित वातावरण में ट्रेस ऑक्सीजन का मापन। एक विशिष्ट अम्लीय ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर AII का XLT-12-333 है। इसकी योजनाबद्ध संरचना चित्र 6-1 में दिखाए गए क्षारीय ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर के समान है, केवल इलेक्ट्रोड सामग्री और इलेक्ट्रोलाइट में अंतर है। नीचे दिया गया चित्र CITY द्वारा निर्मित अम्लीय ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर की योजनाबद्ध संरचना को दर्शाता है। संरचनात्मक अंतरों के बावजूद, दोनों सेंसर एक ही कार्य प्रणाली का उपयोग करते हैं।
जब मापी गई गैस में मौजूद ऑक्सीजन पीटीएफई पारगम्य झिल्ली (जिसे कुछ साहित्य में ऑक्सीजन प्रसार झिल्ली भी कहा जाता है) से गुजरती है और ईंधन सेल में प्रवेश करती है, तो इलेक्ट्रोड पर निम्नलिखित रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं होती हैं।
क्षारीय और अम्लीय ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसरों के बीच मुख्य अंतर उनके इलेक्ट्रोलाइट्स में निहित है। यह डिज़ाइन विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यों के अनुरूप बनाया गया है। प्रौद्योगिकी की प्रगति के साथ, कुछ कंपनियों ने तटस्थ इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करके ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर विकसित किए हैं, जैसे कि चांगई का CI213 मॉडल, जो उन अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है जहां मापे गए वातावरण में अम्लीय या क्षारीय गैसें मौजूद होती हैं।
| कैथोडिक अपचयन प्रतिक्रिया | O₂+2H₂O+4e-→4OH- |
| एनोडिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया | 2Pb + 4OH- → 2 PbO + 2H₂O + 4e- |
| कुल मिलाकर कोशिका प्रतिक्रिया | O₂+ 2Pb→2 PbO |
इलेक्ट्रोलाइटिक सेल ऑक्सीजन विश्लेषक
मूलतः, एक इलेक्ट्रोलाइटिक सेल विद्युत ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करता है। इलेक्ट्रोलाइटिक सेल ऑक्सीजन सेंसर इलेक्ट्रोलाइटिक सेल श्रेणी में आता है। इसलिए, सिद्धांत रूप में, इसकी विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के सामान्य संचालन के लिए बाहरी विद्युत आपूर्ति की आवश्यकता होती है। ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर की तुलना में, इसका एनोड अउपभोज्य होता है और आमतौर पर इसे बदलने की आवश्यकता नहीं होती है। इलेक्ट्रोलाइटिक सेल ऑक्सीजन सेंसर मुख्य रूप से ट्रेस ऑक्सीजन के मापन के लिए उपयोग किए जाते हैं, जिसकी पहचान सीमा पीपीबी स्तर तक होती है (वर्तमान में, ट्रेस ऑक्सीजन मापन के लिए उपयोग किए जाने वाले अधिकांश ईंधन सेल-प्रकार के ऑक्सीजन सेंसर केवल पीपीएम स्तर तक ही पहुँच सकते हैं)। एक विशिष्ट इलेक्ट्रोलाइटिक ऑक्सीजन विश्लेषक जीई द्वारा निर्मित डेल्टा एफ ट्रेस ऑक्सीजन विश्लेषक है (सेंसर के योजनाबद्ध संरचनात्मक आरेख के लिए चित्र 6-4 देखें)। इसका सेंसर कूलमेट्रिक इलेक्ट्रोलाइसिस सिद्धांत पर आधारित है। रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के लिए ऊर्जा की आपूर्ति हेतु इलेक्ट्रोलाइटिक सेल पर लगभग 1.3 वोल्ट का डीसी वोल्टेज लगाया जाता है। जब नमूना गैस में ट्रेस ऑक्सीजन पारगम्य झिल्ली से होकर कैथोड में प्रवेश करती है, तो ऑक्सीजन अणु कैथोड पर OH⁻ में अपचयित हो जाते हैं। KOH इलेक्ट्रोलाइट की सहायता से, OH⁻ एनोड की ओर स्थानांतरित होता है जहाँ ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया होती है जिससे ऑक्सीजन उत्पन्न होती है, जिसे बाद में उत्सर्जित किया जाता है।
| कैथोडिक अपचयन प्रतिक्रिया | O₂+2H₂O+4e-→4OH |
| एनोडिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया | 4OH-→O₂+2H₂O+4e |
उपरोक्त इलेक्ट्रोड अभिक्रिया समीकरणों से स्पष्ट है कि इलेक्ट्रोलाइटिक सेल या इलेक्ट्रोड की कोई खपत नहीं होती है। इसलिए, उपयोगकर्ताओं को संचालन के दौरान इलेक्ट्रोड या इलेक्ट्रोलाइटिक सेल को बदलने की आवश्यकता नहीं होती है; उन्हें केवल समय-समय पर आसुत जल और इलेक्ट्रोलाइट की पुनःपूर्ति करनी होती है (प्राकृतिक वाष्पीकरण के कारण इलेक्ट्रोलाइट की मात्रा कम हो जाती है)। यह उपर्युक्त ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर से भिन्न है, जिन्हें आमतौर पर हर 1 से 2 वर्ष में बदलने की आवश्यकता होती है।
क्षारीय ईंधन सेल-प्रकार के ऑक्सीजन सेंसरों का परिचय देते समय, यह विशेष रूप से ध्यान देने योग्य है कि इनका उपयोग उन अनुप्रयोगों में नहीं किया जाना चाहिए जहाँ मापी जाने वाली गैस में अम्लीय घटक मौजूद हों। डेल्टा एफ इलेक्ट्रोलाइटिक ऑक्सीजन सेंसर अपने इलेक्ट्रोलाइट के रूप में क्षारीय KOH विलयन का उपयोग करता है। अम्लीय गैसों के कारण होने वाले अवरोध को दूर करने और इलेक्ट्रोड के क्षरण को रोकने के लिए, सेंसर के भीतर दो स्टैब-ईएल सहायक इलेक्ट्रोड डिज़ाइन किए गए हैं। इन सहायक इलेक्ट्रोडों का कार्य अम्लीय गैसों वाली नमूना गैस के इलेक्ट्रोलाइटिक सेल में प्रवेश करने के बाद इन हानिकारक गैसों को हटाना है, जिससे सेंसर को क्षति से बचाया जा सके और विश्लेषक के मापों की सटीकता सुनिश्चित की जा सके।
चित्र 6-4 डेल्टा एफ ट्रेस ऑक्सीजन सेंसर का योजनाबद्ध आरेख
