Keunggulan Analisis Oksigen Aliran Ion 3D dalam Deteksi Kandungan Tinggi

Keunggulan Analisis Oksigen Aliran Ion 3D dalam Deteksi Kandungan Tinggi

Yan Huai Zhi

(Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd.)

Ringkasan: Selama bertahun-tahun, parameter kandungan oksigen tinggi telah menjadi dasar pengontrol gas/udara industri. Saat ini, metode utama yang digunakan untuk mengukur kelebihan oksigen adalah metode penyerapan larutan amonia tembaga, sensor kelebihan oksigen paramagnetik, sensor oksigen elektrokimia, zirkonia (ZrO2), dan sebagainya. Makalah ini memperkenalkan tujuh prinsip pengukuran oksigen dan pengukuran lingkungan dengan kandungan oksigen tinggi.

Kata kunci: Metode penyerapan larutan tembaga-amonia, zirkonium oksida, arus ion, kandungan oksigen tinggi, tipe mekanik magnetik.

Prinsip-prinsip umum pengukuran oksigen:

1. Metode penyerapan larutan tembaga-amonia

Larutan tembaga-amonia dibuat dari amonium klorida, tembaga murni, dan air amonia. Ketika sejumlah gas (oksigen) tertentu bersentuhan dengan larutan tembaga-amonia, dengan adanya air amonia, oksigen (O2) bereaksi dengan tembaga (Cu) untuk menghasilkan tembaga oksida (CuO) dan tembaga oksida (Cu2O), dan reaksi kimia berikut terjadi:

Tembaga oksida (CuO) dan tembaga(I) oksida (Cu2O) dihasilkan masing-masing melalui reaksi larutan amonia dan amonium klorida, dan menghasilkan garam tembaga bervalensi tinggi yang larut, Cu(NH3)2Cl2, dan garam tembaga bervalensi rendah, Cu(NH3)2Cl. Garam tembaga bervalensi rendah menyerap oksigen dan berubah menjadi garam tembaga bervalensi tinggi, garam tembaga bervalensi tinggi direduksi oleh tembaga menjadi garam tembaga bervalensi rendah, dan garam tembaga bervalensi rendah bereaksi dengan oksigen. Siklus ini berlangsung hingga konsumsi oksigen dalam gas selesai, dan kemudian persentase konsentrasi volume oksigen dalam gas dapat diperoleh berdasarkan pengurangan volume gas. Selama terdapat cukup tembaga murni dalam keseluruhan proses, reaksi kimia dapat berlanjut.

2. Metode baterai konsentrasi zirkonium oksida

Elektroda platinum (Pt) berpori disinter pada kedua sisi elektrolit zirkonium oksida (tabung ZrO2), dan pada suhu tertentu, ketika konsentrasi oksigen pada kedua sisi elektrolit berbeda, molekul oksigen pada sisi konsentrasi tinggi (udara) terserap pada elektroda platinum dan bergabung dengan elektron (4e) untuk membentuk ion oksigen O2-, yang menyebabkan elektroda bermuatan positif, dan ion O2- ditransfer ke elektroda Pt pada sisi konsentrasi rendah melalui kekosongan ion oksigen dalam elektrolit untuk melepaskan elektron, yang diubah menjadi molekul oksigen, sehingga elektroda bermuatan negatif. Mode reaksi kedua elektroda adalah: Sisi Referensi: O2 + 4e → 2O2- Sisi Pengukuran: 2O2- → 4e → O2

Dengan demikian, gaya gerak listrik tertentu dihasilkan antara kedua elektroda, elektrolit zirkonia, elektroda Pt, dan gas dengan konsentrasi oksigen berbeda di kedua sisi membentuk sebuah probe oksigen, yaitu yang disebut baterai konsentrasi zirkonia. Gaya gerak listrik E antara dua tahap diperoleh dari rumus Nernst:

Dalam E=RT/nFln(P0/P1), E adalah konsentrasi keluaran baterai; n adalah jumlah transfer elektron (4 dalam rumus ini); R adalah konstanta gas ideal, 8,314 W·S/mol; T adalah suhu absolut (K); F adalah konstanta Faraday, 96500 C; P1 adalah persentase konsentrasi oksigen dari gas yang akan diukur; P0 adalah persentase konsentrasi oksigen gas referensi.

Rumus tersebut merupakan dasar pengukuran oksigen pada baterai konsentrasi zirkonium oksida. Ketika suhu tabung zirkonium oksida dipanaskan hingga 600-1400°C, gas pada sisi konsentrasi tinggi digunakan sebagai gas referensi dengan konsentrasi oksigen yang diketahui, seperti udara (P0=20,60%), gaya gerak listrik keluaran E dari baterai konsentrasi dan suhu absolut T dari gas yang diukur diukur, dan tekanan parsial oksigen (konsentrasi) P0 dari gas yang diukur dapat dihitung, yang merupakan prinsip dasar baterai konsentrasi zirkonium oksida.

3. Zirkonia area luas

Komponen sensor oksigen pita lebar terdiri dari dua bagian: Satu adalah ruang induksi, dan yang lainnya adalah pompa oksigen.

Ruang sensor, yang satu sisinya bersentuhan dengan atmosfer dan sisi lainnya adalah ruang pengujian, bersentuhan dengan gas buang melalui lubang difusi, sama seperti sensor oksigen zirkonia biasa. Karena kandungan oksigen di kedua sisi ruang sensor berbeda, gaya gerak listrik Us dihasilkan. Sensor zirkonia biasa menggunakan tegangan sebagai sinyal masukan unit kontrol untuk mengontrol rasio udara-bahan bakar, tetapi sensor oksigen area luas berbeda dari ini: Unit kontrol mesin membuat kandungan oksigen di kedua sisi ruang induksi konsisten, menjaga nilai tegangan pada 0,45V. Tegangan ini hanya nilai standar referensi komputer, dan membutuhkan bagian sensor lain untuk melengkapinya.

Pompa oksigen dihubungkan ke ruang uji di satu sisi dan knalpot di sisi lainnya. Pompa oksigen menggunakan prinsip reaksi sensor zirkonia untuk memberikan tegangan pada komponen zirkonia (pompa oksigen), yang akan menyebabkan pergerakan ion oksigen, memompa oksigen dalam gas buang ke ruang uji, sehingga nilai tegangan kedua sisi ruang induksi tetap pada 0,45V. Tegangan yang diberikan pada pompa oksigen adalah sinyal kandungan oksigen yang kita inginkan. Jika campuran terlalu kental, kandungan oksigen dalam gas buang berkurang, dan oksigen dari lubang difusi lebih banyak, sehingga tegangan ruang induksi meningkat. Untuk mencapai keseimbangan, unit kontrol mesin meningkatkan arus kontrol untuk meningkatkan efisiensi pompa oksigen dan kandungan oksigen ruang uji, sehingga tegangan ruang induksi dapat disesuaikan hingga 0,45V; Sebaliknya, ketika campuran terlalu encer, kandungan oksigen dalam gas buang meningkat. Pada saat ini, oksigen akan masuk ke ruang uji dari lubang difusi, dan tegangan ruang induksi akan berkurang. Pada saat ini, oksigen pompa akan dikeluarkan untuk menyeimbangkan kandungan oksigen di ruang uji, sehingga tegangan ruang induksi akan dipertahankan pada 0,45V. Singkatnya, tegangan yang ditambahkan pada oksigen pompa dapat memastikan bahwa ketika oksigen di rongga uji lebih banyak, oksigen di rongga tersebut dikeluarkan, sehingga arus kontrol unit kontrol mesin menjadi positif; ketika oksigen di rongga tersebut sedikit, oksigen disuplai, dan arus kontrol unit kontrol mesin menjadi negatif. Arus yang disuplai ke oksigen pompa dalam proses di atas mencerminkan faktor kandungan udara berlebih dalam gas buang.

4. Elektrokimia

Sensor elektrokimia terdiri dari elektroda logam + elektroda timbal (atau grafit) + elektrolit, lembaran logam kontak sebagai timbal elektroda masing-masing dihubungkan dengan katoda dan anoda, dan elektrolit meluap melalui sejumlah lubang melingkar pada permukaan atas katoda untuk membentuk lapisan tipis elektrolit. Lapisan elektrolit ditutupi dengan film politetrafluoroetilena (PTFE) yang permeabel terhadap gas. Gas sampel masuk ke lapisan tipis elektrolit melalui membran permeabel dan mengalami reaksi kimia. Misalnya, ketika perak digunakan sebagai elektroda logam, oksigen dalam gas sampel melakukan reaksi elektrokimia berikut pada elektroda:

Katoda perak: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

Anoda timbal: 2Pb + 4OH⁻ → 2PbO + 2H₂O + 4e⁻

Reaksi sintesis baterai: O2 + 2Pb → 2PbO

Arus yang dihasilkan oleh ion OH- berbanding lurus dengan konsentrasi oksigen dalam gas sampel.

5. Tipe mekanik magnetik

Setiap zat dapat dimagnetisasi di bawah pengaruh medan magnet eksternal. Kerentanan magnetik k dan permeabilitas relatif μr dari berbagai material juga berbeda karena komposisi struktur zat yang berbeda.

Ketika μr>1, k>0, materi atau gas dapat tertarik oleh medan magnet, disebut materi paramagnetik. Oksigen adalah zat paramagnetik, dan suseptibilitas volumenya adalah k=106,2×10⁻⁶ pada 20°C. Ketika μr<1, k<0, materi atau gas ditolak oleh medan magnet, disebut materi diamagnetik. Nitrogen adalah zat diamagnetik, dan suseptibilitas massalnya k=-0,34×10⁻⁶ pada 20°C. Hanya suseptibilitas magnetik O₂ di antara berbagai gas yang terbesar, dan suseptibilitas magnetik gas lain sangat kecil dibandingkan dengan suseptibilitas magnetik massal oksigen (kecuali NO). Suseptibilitas magnetik volume gas campuran terutama ditentukan oleh suseptibilitas magnetik volume oksigen dan persentase kandungannya. Persentase kandungan oksigen dalam gas campuran dapat diperoleh selama kerentanan magnetik volume k-mixing dari gas campuran tersebut dapat diukur.

Alat pengukur oksigen magnetik didasarkan pada prinsip paramagnetisme oksigen dan kerentanan magnetik maksimum untuk menganalisis kandungan oksigen dalam gas campuran.

Sensor mekanik magnetik terdiri dari sepasang bola kaca kuarsa berbentuk dumbel yang diisi nitrogen. Bola-bola dumbel tersebut dikelilingi oleh kawat platinum, membentuk loop umpan balik listrik. Bola-bola dumbel tersebut digantung dalam medan magnet, dan sebuah reflektor kecil ditempatkan di tengah bola-bola dumbel. Ketika terdapat molekul oksigen di sekitar dumbel, molekul-molekul tersebut mendorong bola dumbel untuk berbelok di bawah pengaruh medan magnet. Semakin tinggi konsentrasi oksigen, semakin besar sudut defleksinya. Sistem optik presisi yang terdiri dari sumber cahaya, reflektor, dan elemen fotosensitif akan mengukur defleksi ini dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. Setelah sinyal diperkuat oleh penguat, sebuah loop arus terbentuk melalui rangkaian umpan balik, dan di bawah pengaruh medan magnet, dumbel dipaksa untuk kembali ke posisi keseimbangan semula. Nilai arus dalam rangkaian ini berbanding lurus dengan konsentrasi oksigen.

6. Laser

Prinsip pengukuran oksigen dengan laser adalah: Laser inframerah di satu sisi pemancar dipancarkan ke penerima di sisi yang berlawanan. Teknik pengukurannya didasarkan pada perbedaan penyerapan cahaya oleh molekul gas. Sebagian besar gas hanya menyerap cahaya dengan panjang gelombang tertentu, dan penyerapan cahaya merupakan cerminan langsung dari kandungan gas.

Panjang gelombang laser dapat diperoleh dengan memindai garis absorpsi yang dipilih, dan intensitas cahaya yang terdeteksi bervariasi sesuai dengan panjang gelombang laser karena absorpsi molekul gas tertentu pada laser dioda dan detektor. Untuk meningkatkan sensitivitasnya, teknik modulasi panjang gelombang dapat digunakan: Saat garis absorpsi dipindai, panjang gelombang laser sedikit disesuaikan. Sinyal harmonik kedua digunakan untuk mengukur konsentrasi gas penyerap. Karena garis absorpsi gas lain tidak ada pada panjang gelombang tertentu, tidak ada interferensi langsung dari gas lain. Konsentrasi gas yang diukur berbanding lurus dengan amplitudo garis absorpsi.

7. Aliran ion zirkonia

Prinsip kerja sensor oksigen aliran ion ditunjukkan pada Gambar 1.

Elektroda platinum dilapisi pada kedua sisi ZrO2 yang distabilkan, dan sisi katoda dihubungkan oleh penutup dengan lubang difusi gas untuk membentuk rongga katoda. Pada suhu tertentu, ketika kedua sisi elektroda ZrO2 dihubungkan dengan tegangan tertentu, molekul oksigen dalam rongga memperoleh elektron membentuk ion oksigen (O2-) di katoda, O2- bergerak ke anoda melalui kekosongan oksigen ZrO2, elektron dilepaskan dan menjadi gas molekul oksigen yang dilepaskan, fenomena ini disebut pompa elektrokimia, sehingga oksigen dalam rongga katoda terus dipompa keluar dari rongga oleh elektrolit ZrO2, dan arus terbentuk dalam siklus. Ketika fraksi mol oksigen konstan, tegangan meningkat dan intensitas arus meningkat. Ketika tegangan melebihi nilai tertentu, intensitas arus mencapai saturasi, yang merupakan hasil difusi oksigen melalui lubang kecil ke dalam rongga katoda yang dibatasi oleh lubang kecil tersebut. Arus saturasi ini disebut arus batas. Mekanisme difusi gas dalam lubang kecil menentukan sifat-sifat sensor. Terdapat dua batasan untuk difusi lubang kecil, yaitu difusi molekuler dan difusi Knudsen. Ketika diameter pori lebih besar dari diameter rata-rata molekul gas, arus pembatas IL di wilayah difusi adalah:

Dalam rumus tersebut, F adalah konstanta Faraday; D adalah koefisien difusi molekul oksigen di ruang hampa; S adalah luas penampang lubang difusi; L adalah panjang lubang difusi; C adalah fraksi mol oksigen di sekitar sensor; CT adalah fraksi mol seluruh zat gas. Ketika C/CT<1, dari rumus (1), nilai arus batas berbanding lurus dengan fraksi mol oksigen, nilai arus batas IL adalah:

Dari rumus (2), arus pembatas dan fraksi mol oksigen hampir linear. Fraksi mol oksigen dalam gas yang diukur dapat ditentukan berdasarkan arus keluaran.

Substrat keramik berpori digunakan sebagai lapisan difusi untuk mengontrol oksigen yang disuplai ke katoda sensor, dan struktur sensor oksigen tipe lapisan berpori ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Sensor oksigen lapisan berpori

Arus pembatas sensor oksigen lapisan berpori sama dengan arus pembatas pada rumus (2).

Dalam rumus tersebut, F adalah konstanta Faraday; Deff adalah koefisien difusi efektif oksigen dalam lapisan berpori. S adalah luas katoda; L adalah ketebalan substrat lapisan berpori; C adalah fraksi mol oksigen di sekitar sensor. Dari rumus (3), nilai arus batas sensor oksigen lapisan berpori berbanding lurus dengan fraksi mol oksigen.

Pengukuran oksigen konsentrasi tinggi

Prinsip-prinsip pengukuran konsentrasi oksigen yang disebutkan di atas tidak semuanya digunakan untuk pengukuran oksigen dengan kandungan tinggi. Misalnya, zirkonia memiliki area yang luas, konsentrasi oksigen sekitar 80%, arus maksimum sensor, jika konsentrasi oksigen terus meningkat akan menyebabkan kerusakan pada sensor, dan jenis sensor ini perlu memanaskan suhu tabung zirkonia hingga 600-1400°C untuk mengukur secara akurat, memiliki keterbatasan yang besar; Sensor elektrokimia termasuk dalam sel bahan bakar, reaksi kimia internal sensor bersifat ireversibel, anoda (timbal atau grafit) terus menerus teroksidasi (menjadi timbal oksida atau CO2) dalam reaksi, sampai anoda habis, seperti beberapa bahan bakar yang teroksidasi dan terbakar habis, sehingga masa pakai sensor elektrokimia terkait dengan konsentrasi oksigen yang diukur, semakin besar konsentrasinya, semakin banyak konsumsi anoda, semakin pendek masa pakai sensor dan penyimpangan bulanan sekitar 1% ketika konsentrasi oksigen lebih tinggi dari 90%.

Oleh karena itu, untuk pengukuran oksigen konsentrasi tinggi, biasanya digunakan aliran ion zirkonium oksida, mekanik magnetik, metode penyerapan larutan tembaga amonia, dan sebagainya.

Pengukuran oksigen mekanik magnetik adalah teknologi yang sudah mapan, keunggulan utamanya adalah:

Hal ini tidak dipengaruhi oleh variasi komponen yang tidak terukur dalam gas campuran.

Reaksi cepat

Stabilitas yang baik

Kelemahan utama:

Pra-perlakuan gas sampel memerlukan tekanan yang lebih tinggi, debu, tar, uap, dan sebagainya dapat dengan mudah memengaruhi akurasi pengukuran, bahkan menyebabkan kerusakan sensor.

Rentan terhadap pengaruh lingkungan kerja seperti pergeseran horizontal, getaran, dan medan magnet lingkungan.

Dalam proses eksperimen, metode penyerapan larutan amonia tembaga dapat digunakan untuk mengubah konsumsi kawat tembaga, suhu lingkungan, tekanan lingkungan, dan komponen gas.

Persentase volume oksigen dalam gas campuran yang diukur dengan metode penyerapan larutan tembaga-amonia tidak bergantung pada suhu dan tekanan lingkungan, sesuai dengan komponen gas yang sama, dan nilai yang diukur dalam lingkungan atmosfer yang berbeda seharusnya sama. Namun, ketika gas tersebut mengandung gas pengoksidasi lainnya, nilainya akan lebih terganggu.

Ketika aliran ion zirkonium oksida digunakan untuk mengukur konsentrasi oksigen dengan kandungan tinggi, hanya oksigen yang dapat diisi di katoda elektrolit padat dan melewati elektrolit padat, dan nilai arus batas berbanding lurus dengan fraksi mol oksigen, sehingga sensor memiliki presisi pengukuran yang tinggi dan rentang pengukuran yang luas (0-100%), tidak dipengaruhi oleh pengotor, tekanan, dan suhu lingkungan, memiliki stabilitas yang baik dan konsumsi daya yang rendah.

Saat ini, hanya ada sedikit penganalisis oksigen berkadar tinggi berbasis sensor oksigen tipe aliran ion zirkonia di dalam dan luar negeri, hanya 3-4 perusahaan di dunia, seperti Shi Fu Mei dari Inggris, Bille dari Jerman, dan sebagainya. Karena harga penganalisis jenis ini yang tinggi, sulit untuk digunakan secara luas di bidang pengukuran oksigen berkadar tinggi. Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd., berdasarkan pengalaman pengembangan dan desain penganalisis gas selama bertahun-tahun, memperkenalkan serangkaian sensor oksigen aliran ion zirkonia berbasis CI2000-CY, GNL-2100L, SP-980L, GNL-6100, dan penganalisis oksigen berkadar tinggi lainnya. Penganalisis ini tidak hanya memiliki kinerja yang setara dengan produk sejenis di luar negeri, tetapi juga memecahkan masalah harga tinggi penganalisis jenis ini, dan memberikan lebih banyak pilihan bagi pengguna domestik dan asing.

Parameter teknis penganalisis oksigen kadar tinggi Chang Ai:

Rentang pengukuran: 10.000～99.999%

Akurasi pengukuran: ±2%FS

Waktu respons: T90≤20 S

Stabilitas: <±1%FS/7d

Suhu lingkungan pengujian: 0～50℃

Kelembaban lingkungan uji: <80% RH

Laju aliran gas sampel: 400～600ml/menit

Tekanan gas sampel ：0,05MPa≤入口压力≤0,2 MPa

Aplikasi:

Industri pemisahan udara

Industri kimia dan peleburan

Deteksi konsentrasi oksigen dalam tungku suhu tinggi

Deteksi konsentrasi oksigen dalam gas pelindung semikonduktor

Penentuan konsentrasi oksigen dalam proses budidaya hewan dan tumbuhan, pengolahan dan penyimpanan sayuran dan makanan.

Pengukuran konsentrasi oksigen dalam kapal, pusat komando bawah tanah, terowongan, sumur dalam, proyek pertahanan udara sipil, dan terowongan perkotaan, dll.

Referensi:

Weng Xiao Ping. Peningkatan Sistem Pra-perlakuan Analisis Oksigen Mekanik Magnetik [J], Baoshan Iron & Steel Co., Ltd. (Shanghai), 201900.

Zhang Hui dan Liu Yingshu. Analisis Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Penentuan Oksigen dengan Penyerapan Larutan Tembaga-Amonia [J], Universitas Sains dan Teknologi Beijing, 2010.

Wu Qiang dan Liu Zhong. Penelitian tentang Sensor Oksigen Arus Ekstrem [A], Institut Penelitian ke-49 Grup Teknologi Elektronik Tiongkok.