Aplikasi Teknologi Pemantauan Online untuk Kelembaban (Kelembapan) Gas Buang -2
Aliran Ion (Zirkonia)
Berdasarkan penelitian teoretis mendalam dan berbagai eksperimen, telah diverifikasi bahwa sensor aliran ion dapat mencapai pengukuran kelembaban yang akurat. Pengukuran kelembaban dapat dilakukan dengan menyesuaikan tegangan yang diterapkan pada katoda dan anoda sensor. Penemuan ini mengatasi masalah bahwa sensor kelembaban konvensional tidak dapat beroperasi secara efektif di lingkungan bersuhu tinggi (seperti di atas 100°C).
Elektroda platinum dilapisi pada kedua sisi ZrO2 yang distabilkan. Sisi katoda dirakit dengan penutup yang dilengkapi lubang difusi gas untuk membentuk rongga katoda. Pada suhu tertentu, tegangan operasi spesifik diterapkan di antara anoda dan katoda ZrO2, kemudian molekul oksigen di dalam rongga mendapatkan elektron di katoda untuk membentuk ion oksigen (O2-). O2- bermigrasi ke anoda melalui kekosongan oksigen dalam ZrO2, melepaskan elektron, dan diubah menjadi molekul oksigen yang dilepaskan ke luar. Fenomena ini dikenal sebagai pompa elektrokimia. Dengan cara ini, oksigen di dalam rongga katoda terus dipompa keluar dari rongga oleh elektrolit ZrO2, dan ion oksigen mengalir dari katoda melalui ZrO2 ke anoda, membentuk arus ion oksigen. Ketika konsentrasi oksigen dalam atmosfer yang diukur konstan, arus keluaran sensor zirkonia tidak lagi meningkat seiring dengan peningkatan tegangan yang diterapkan, tetapi malah mencapai nilai konstan. Nilai arus konstan ini disebut sebagai nilai arus pembatas untuk konsentrasi oksigen tersebut, yang kita sebut nilai arus pembatas pertama (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1-A). Berdasarkan prinsip kerja ini, ketika atmosfer yang diukur mengandung uap air, peningkatan tegangan operasi yang diterapkan menyebabkan uap air terionisasi menjadi ion oksigen. Demikian pula, ketika konsentrasi uap air dalam atmosfer yang diukur konstan, sensor zirkonia menghasilkan nilai arus konstan, yang disebut sebagai nilai arus pembatas kedua (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1-B). Nilai arus tahap pertama I1 dan nilai arus tahap kedua I2 masing-masing berbanding lurus dengan tekanan parsial oksigen dan tekanan parsial oksigen dalam atmosfer yang mengandung uap air.
Reaksi pada katoda dan anoda sensor adalah sebagai berikut:
Gambar (2) Prinsip aliran ion
Sesuai dengan hukum Fick yang dibatasi oleh lubang difusi gas pada sensor, dengan asumsi bahwa koefisien difusi oksigen sama dengan koefisien difusi uap air, arus pembatas pertama I1 dan arus pembatas kedua I2 masing-masing dinyatakan dengan rumus berikut:
Dalam rumus tersebut:
F adalah konstanta Faraday, S adalah luas lubang difusi.
D adalah koefisien difusi molekul gas campuran, P adalah tekanan total campuran gas.
PO2 adalah tekanan parsial oksigen, PH2O adalah tekanan parsial uap air.
R adalah konstanta gas, T adalah suhu absolut.
L adalah panjang lubang difusi gas, 0,21 adalah kandungan oksigen di udara.
Kurva hubungan antara nilai arus pembatas ionik dan konsentrasi oksigen ditunjukkan pada Gambar (3):
Kandungan oksigen dalam gas buang dapat dihitung berdasarkan arus pembatas pertama, sedangkan kelembapan dalam gas buang dapat dihitung berdasarkan perbedaan antara arus pembatas kedua dan pertama. Oleh karena itu, alat pengukur kelembapan yang menggunakan prinsip zirkonia arus pembatas memiliki keunggulan yang berbeda dibandingkan dengan alat pengukur yang menggunakan prinsip lain. Karena fungsi intinya adalah deteksi oksigen dan pengukuran oksigen merupakan prasyarat untuk pengujian kelembapan, pengguna tidak perlu memasang penganalisis oksigen terpisah. Satu alat pengukur kelembapan dapat memberikan kedua set data pengukuran secara bersamaan.
>> Penganalisis Kelembaban Aliran Ion 3D Tipe Hisap
Beberapa perusahaan di Tiongkok memproduksi alat analisis kelembaban suhu tinggi tipe hisap. Di sini, produk dari Chang Ai diperkenalkan sebagai contoh.
Untuk mengatasi dampak atmosfer korosif pada elektroda sensor, Chang Ai telah meningkatkan material elektroda katalitik zirkonia-platinum dan mengadopsi material elektrolit baru melalui teknologi sintesis nanokimia. Metode ini mengatasi korosi elektroda dan masa pakai yang singkat pada gas buang SO2 tinggi dari pabrik pembakaran limbah, kalsinasi bijih, pabrik keramik, dan pembangkit listrik. Lebih lanjut, dengan berlandaskan pada sensor arus pembatas, Chang Ai melakukan inovasi berani dengan menggabungkan dua sensor oksigen pada satu chip, sepenuhnya mengatasi tantangan bahwa satu sensor oksigen tidak dapat secara bersamaan mengukur oksigen dinamis dan oksigen basah elektrolitik.
Perangkat aliran ion 3D mengadopsi unit penginderaan aliran ion ganda. Satu unit mengukur kandungan uap air dan oksigen, sementara unit lainnya mengukur kandungan oksigen murni. Dengan menerapkan tegangan berbeda untuk mengionisasi ion oksigen dan mencampurnya dengan uap air, kandungan ion oksigen dan uap air dapat diperoleh melalui pengukuran arus. Dengan fitur ketahanan suhu tinggi dan kinerja anti-polusi, sensor ini dapat beroperasi secara stabil di lingkungan gas yang keras. Prinsip dan strukturnya ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar (4) Struktur sensor kelembaban aliran ion
CI-PC196 3D Ion Flow Humidity Analyzer terdiri dari probe pengambilan sampel suhu tinggi dan unit kontrol instrumen (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5). Unit kontrol mendukung fungsi backflushing otomatis dan kalibrasi otomatis. Probe dilengkapi dengan fungsi pelacakan panas untuk mencegah kondensasi terbentuk di dalamnya, dan ujungnya dilengkapi dengan filter baja tahan karat atau keramik yang disinter.
Gambar (5) CI-PC196 Pengukur kelembaban suhu tinggi
Sensor ini mencakup filter utama yang dimasukkan ke dalam cerobong asap, tabung pengambilan sampel, unit pelaksana pembersihan, dan sensor yang terletak di ujung suhu normal di luar cerobong asap. Gas buang bersuhu tinggi diekstraksi dari cerobong asap oleh pompa ejektor yang digerakkan oleh udara terkompresi. Gas buang masuk melalui saluran masuk sensor dan keluar dari saluran keluar udara. Dengan mengontrol tekanan dan laju aliran udara terkompresi, laju aliran gas yang ditarik dapat diatur. Sensor ini adalah sensor oksigen tipe arus dengan prinsip kerja yang berbeda dari sensor zirkonia tipe konsentrasi yang dimasukkan langsung. Dalam kondisi suhu tinggi, material zirkonia (ZrO2) menjadi konduktif karena migrasi ion oksigen. Ketika suhu melebihi 650°C, ion oksigen bermigrasi; seiring peningkatan konsentrasi oksigen, arus meningkat secara proporsional dengan peningkatan aliran ion.
Dibandingkan dengan sensor kelembaban polimer, elektrolit, dan keramik konvensional, instrumen ini berbeda sepenuhnya dalam hal desain struktural, metode pengujian, dan prinsip pengoperasian, sehingga menawarkan keunggulan yang luar biasa: ia menunjukkan ketahanan suhu dan ketahanan korosi yang sangat baik (sensor beroperasi pada suhu melebihi 600°C), sehingga dapat digunakan di lingkungan bersuhu tinggi di atas 200°C. Ia mengukur kadar air berdasarkan jumlah dekomposisi uap air di bawah tegangan dekomposisi, sehingga memberikan selektivitas yang unggul. Lebih lanjut, prinsip ini dapat mengukur kelembaban dan konsentrasi oksigen keluaran secara sinkron. Ia banyak digunakan dalam perlindungan lingkungan, percetakan dan pewarnaan, kayu, bahan bangunan, pembuatan kertas, industri kimia, serat dan farmasi, serta bidang pengolahan dan penyimpanan makanan, tembakau, sayuran, dan biji-bijian.
>> Metode Oksigen Basah-Kering
Ketika sensor oksigen yang terpasang pada sistem CEMS digunakan untuk mengukur kandungan oksigen dalam gas buang sebelum dan sesudah dehumidifikasi, dan menghitung kelembapan dalam gas buang, kelembapan gas buang dihitung menggunakan rumus berikut:
Dalam Rumus (1), X´O2 mewakili persentase volume oksigen dalam gas buang basah, %, dan Xo2 mewakili persentase volume oksigen dalam gas buang kering, %.
Sebagai contoh: Jika konsentrasi gas buang basah adalah 6,8% O2, dan pembacaan gas buang kering setelah dehumidifikasi adalah 7,4% O2, misalkan Xsw menyatakan kadar air gas buang, maka
Masalah utama dengan metode oksigen kering-basah adalah metode ini membutuhkan dua instrumen untuk mengukur oksigen kering dan oksigen basah secara terpisah. Kesalahan yang dihasilkan meliputi kesalahan pengambilan sampel yang disebabkan oleh titik pengambilan sampel yang tidak konsisten, serta kesalahan yang tumpang tindih akibat penyimpangan pengukuran pada kedua instrumen itu sendiri. Kesalahan-kesalahan ini sulit diatasi dengan metode ini.
Spektroskopi Inframerah
Di alam, setiap gas menyerap cahaya dengan panjang gelombang tertentu. Ketika seberkas cahaya putih (yang mengandung semua komponen panjang gelombang) melewati gas, cahaya yang keluar akan melemah atau kehilangan komponen panjang gelombang tertentu tersebut. Dalam spektroskopi, komponen suatu zat dapat ditentukan berdasarkan komposisi garis spektral serapan gas. Dengan menganalisis tingkat penyerapan cahaya pada panjang gelombang tertentu oleh garis spektral serapan spesifik dari gas tertentu, kita dapat menghitung konsentrasi gas tersebut.
Terdapat dua metode utama untuk mengukur kelembapan berdasarkan spektroskopi absorpsi inframerah dekat: Spektroskopi Cavity Ring-Down (CRDS) dan Spektroskopi Absorpsi Dioda Laser yang Dapat Disetel (TDLAS). Spektroskopi absorpsi inframerah didasarkan pada prinsip bahwa absorpsi selektif panjang gelombang inframerah tertentu oleh molekul uap air bervariasi dengan konsentrasinya. Namun, sejak Fowle pertama kali mengusulkan pengukuran kelembapan inframerah pada tahun 1912, kemajuan dalam pengukuran kelembapan berjalan lambat karena keterbatasan teknik absorpsi inframerah tradisional (absorpsi pita lebar). Perkembangan pesat teknologi spektroskopi laser semikonduktor (TDLAS) pada tahun 1990-an memfasilitasi munculnya penganalisis kelembapan gas buang suhu tinggi online saat ini. Dibandingkan dengan spektroskopi absorpsi inframerah tradisional, TDLAS menggunakan absorpsi pita sempit, karena lebar spektral sumber laser semikonduktor (kurang dari 0,0001 nm) jauh lebih kecil daripada pelebaran garis absorpsi gas.
Setiap molekul gas memiliki spektrum penyerapan intrinsiknya sendiri. Penyerapan terjadi ketika spektrum emisi sumber cahaya cocok dengan spektrum penyerapan molekul gas, dan intensitas penyerapan berkorelasi dengan fraksi volume gas. Ketika seberkas laser semikonduktor dengan intensitas I0 melewati gas yang akan diukur, cahaya akan teredam saat melewati gas jika spektrum sumber cahaya mencakup spektrum penyerapan molekul gas. Menurut hukum Lambert-Beer, hubungan antara intensitas cahaya keluar I, intensitas cahaya datang I0, dan konsentrasi volume gas dinyatakan sebagai berikut:
Dalam rumus tersebut:
I0: Intensitas cahaya awal;
I: Intensitas cahaya sisa setelah penyerapan oleh uap air (H2O) dalam sampel gas;
S: Koefisien penyerapan air (H2O) untuk laser pada panjang gelombang tertentu;
L: Panjang jalur optik;
N: Jumlah molekul uap air di sepanjang jalur optik, berkorelasi dengan kandungan uap air dalam gas sampel.
Oleh karena itu, kandungan air dalam sampel gas dapat ditentukan dengan mengukur intensitas cahaya awal dan intensitas cahaya setelah penyerapan. Karena panjang gelombang laser yang dipilih bersifat spesifik, hasil pengukuran praktis tidak terpengaruh oleh gas lain. Selain itu, perhitungan menggunakan rasio I/I0 dapat secara efektif menghilangkan pengaruh yang disebabkan oleh variasi intensitas sumber cahaya, reflektivitas cermin, dan parameter listrik.
Untuk mencapai sensitivitas deteksi yang lebih tinggi atau memperbaikinya, dan untuk mengurangi noise 1/f laser, teknologi TDLAS umumnya memerlukan penggunaan deteksi spektral termodulasi. Teknik ini secara signifikan mengurangi dampak noise laser pada pengukuran melalui modulasi frekuensi tinggi. Pada saat yang sama, dengan menetapkan konstanta waktu yang besar untuk detektor sensitif fase yang digunakan dalam deteksi sensitif fase (yang mendeteksi komponen harmonik), filter bandpass yang sangat sempit dapat diperoleh, sehingga secara efektif menekan bandwidth noise. Analisis kelembaban gas buang suhu tinggi yang dikembangkan menggunakan teknologi TDLAS melakukan pengukuran non-kontak saat mengukur gas buang, menghilangkan keracunan sensor dan interferensi dari gas latar belakang. Alat ini memiliki waktu respons yang cepat, akurasi pengukuran yang tinggi, siklus kalibrasi yang panjang, dan pengoperasian yang hampir bebas perawatan, sementara kelemahan utamanya adalah biaya yang tinggi. Namun, ketika menggunakan metode penyerapan inframerah untuk pengukuran kelembaban gas buang, perlu untuk menghindari interferensi dari panjang gelombang yang sensitif terhadap CO2/SO2/NOX, yang menghadirkan tantangan tertentu. Ditambah dengan biaya instrumen yang tinggi, metode ini saat ini jarang digunakan untuk pengukuran kelembaban gas buang.
Perbandingan Berbagai Prinsip
| Item Perbandingan | Metode Penyemprotan Aliran Konstan | Aliran Ion Sel Ganda | Metode Zirkonia | Metode Resistansi-Kapasitansi | TLDAS |
| TLDAS | |||||
| Rentang Pengukuran | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% |
| Waktu Respons | T90＜90S(10～190g/kg) | T90＜30S | T90＜30S | T90＜30S | T90＜10S |
| Menampilkan | Suhu titik embun: 20～100℃ | Konsentrasi oksigen: 0–100% | Rasio volume (H2O): 0–100% | Kelembaban relatif (RH%) | Kelembaban relatif (RH%) |
| Rasio volume: 2～100% | Rasio volume (H2O): 0–100% | Rasio volume 0–100% | Rasio volume 0–100% | ||
| Kelembapan absolut: 15～1000 g/kg | |||||
| Tekanan uap air: 10～1000 hPa | |||||
| Nilai yang Ditampilkan | Nilai absolut | Nilai absolut | Nilai absolut | Nilai relatif | Nilai relatif |
| Suhu | 0～300℃ | 0～700℃ | 0～700℃ | 0～180℃ | 0～240℃ |
| Ketepatan | ±2%F.S | ±2%F.S | ±3%F.S | ±2%F.S | ±1.0%F.S； |
| Ketahanan Kimia | Tahan | Tahan | Sedang | Tidak tahan | Tahan |
| Penerapan | Campuran gas apa pun | Gas buang, campuran gas umum | Campuran udara dan uap air | Gas buang, campuran gas umum | Gas buang, campuran gas umum |
| Metode Pengukuran | Pengambilan sampel berkelanjutan | Pengambilan sampel di tempat/berkelanjutan | Di tempat | Pengambilan sampel di tempat/berkelanjutan | Pengambilan sampel di tempat/berkelanjutan |
| Masa Pakai Layanan | 10 tahun | 1–2 tahun | 1–2 tahun | 0,6–2 tahun | ≥2 tahun |
| Kalibrasi | Tidak perlu kalibrasi, tidak ada penyimpangan. | Diperlukan (kalibrasi oksigen) | Diperlukan (kalibrasi oksigen) | Kalibrasi di tempat tidak tersedia (membutuhkan generator kelembaban profesional) | Kalibrasi di tempat tidak tersedia (membutuhkan generator kelembaban profesional) |
