지르코니아 산소 분석기의 작동 원리 및 유지 관리

지르코니아 산소 프로브의 구조 유형 및 작동 원리

검출 방법에 따라 지르코니아 산소 프로브는 샘플링 검출 산소 프로브와 직접 삽입 산소 프로브의 두 가지 범주로 나뉩니다.

1. 샘플링 검출 방식 산소 프로브

샘플링 검출 방식은 측정 대상 가스가 유도관을 통해 산화지르코늄 검출 챔버로 유입되고, 산화지르코늄이 발열체를 통해 작동 온도(750°C 이상)로 가열되는 방식입니다. 산화지르코늄은 일반적으로 관형이며, 전극으로는 다공성 백금 전극을 사용합니다. 본 발명은 검출 대상 가스의 온도에 영향을 받지 않고, 다양한 유량 유도관을 사용하여 다양한 온도의 가스에서 산소 함량을 검출할 수 있으며, 이러한 유연성 덕분에 다양한 산업 분야의 온라인 검출에 적용할 수 있다는 장점이 있습니다. 단점으로는 반응 속도가 느리고, 구조가 복잡하여 검출 정확도에 영향을 미칠 수 있으며, 검출 대상 가스에 불순물이 많을 경우 샘플링 튜브가 막히기 쉽다는 점, 다공성 백금 전극이 가스 중의 황과 비소에 의해 부식되기 쉽고 미세 분진에 의해 막힐 수 있다는 점, 그리고 발열체가 일반적으로 전선으로 가열되기 때문에 수명이 짧다는 점 등이 있습니다.

검출 대상 가스의 온도가 낮거나(0~650°C) 검출 대상 가스가 깨끗한 경우, 질소 발생기를 이용한 산소 측정이나 실험실에서의 산소 측정 등과 같은 시료 채취 방식의 검출 방법이 적합하다.

2. 직접 삽입식 산소 감지 프로브

직접 삽입형 검출 방식은 지르코니아를 고온의 측정 가스에 직접 삽입하여 가스 내 산소 함량을 직접 검출하는 방식입니다. 이 검출 방법은 측정 가스의 온도가 700°C~1150°C일 때 적합하며 (특수 구조의 경우 1400°C의 고온에서도 사용 가능), 측정 가스의 고온을 이용하여 히터 없이 지르코니아가 작동 온도에 도달하도록 합니다(그림 3). 직접 삽입형 산소 프로브의 핵심 기술은 세라믹 재료의 고온 밀봉 및 전극 문제 해결입니다. 두 가지 종류의 직접 삽입형 산소 프로브 구조는 다음과 같습니다.

(1) 일체형 지르코니아 튜브

이 형태는 시료 채취 검출 방식에 사용되는 산화지르코늄 튜브의 형태를 기반으로 개발된 것으로, 기존의 산화지르코늄 튜브를 연장하여 산화지르코늄이 고온 측정 가스 내부로 직접 삽입될 수 있도록 한 것입니다. 이러한 구조는 고온 밀봉 문제를 고려할 필요가 없습니다.

(2)직접 삽입형 지르코니아 산소 프로브

지르코니아를 검출 가스에 직접 삽입해야 하므로 산소 프로브의 길이에 대한 요구 사항이 높으며, 유효 길이는 약 500mm~1000mm이고 특수 환경에서는 최대 1500mm까지 가능합니다. 측정 정밀도, 작동 안정성 및 수명 모두 매우 높은 요구 사항을 충족해야 하므로 직접 삽입형 산소 프로브는 기존 지르코니아 산소 프로브처럼 전체가 지르코니아 튜브로 된 구조를 채택하기 어렵고, 지르코니아와 알루미나 튜브를 연결하는 더욱 높은 기술적 요구 사항을 가진 구조를 채택해야 합니다. 밀봉 성능은 이 지르코니아 산소 프로브에서 가장 중요한 기술적 요소 중 하나입니다. 현재 세계에서 가장 발전된 연결 방식은 지르코니아와 알루미나 튜브를 영구적으로 용접하는 것으로, 밀봉 성능이 탁월합니다. 샘플링 검출 방식과 비교했을 때 직접 삽입 검출 방식은 지르코늄 산화물이 가스와 직접 접촉하므로 검출 정밀도가 높고 반응 속도가 빠르며 유지 보수 횟수가 적다는 장점이 있습니다.

산소 프로브의 산업적 응용

1. 산업용 보일러 및 가열로의 응용 분야

산소 프로브를 사용할 때 측정 가스를 주입하는 방법에는 직접 삽입 방식과 샘플링 검출 방식 두 가지가 있습니다. 직접 삽입 방식은 응답 시간이 짧고 히터가 필요 없으며 구조가 간단하고 크기가 작아 휴대가 간편하지만, 측정 가스의 온도를 동시에 측정해야 합니다. 반면, 히터를 사용하여 산소 프로브의 온도를 제어하기 때문에 측정 정밀도가 높고 작동이 안정적이지만, 응답 시간이 가스 유량에 따라 달라집니다.

직접 삽입형 산소 분석기는 보일러 및 재가열로의 연도 가스 내 산소 함량 측정에 널리 사용되고 있습니다(그림 4). 이러한 용도로 사용되는 산소 프로브는 주로 관형 구조를 채택하며, 양쪽 끝 또는 한쪽 끝이 개방된 형태인데, 현재 시중에서는 한쪽 끝이 개방된 형태가 가장 일반적입니다. 다공성 Pt 전극이 ZrO2 관의 내벽과 외벽에 코팅되어 있으며, 내벽과 외벽 전극은 각각 관 끝까지 연장됩니다. 관 끝단에는 Ni-Cr 와이어가 연결되어 신호 출력을 생성하고, 이를 통해 연소 시스템을 제어하여 저산소 연소를 실현함으로써 열 손실을 줄이고 에너지를 절약하는 효과를 얻습니다.

산소 센서 설치

산소 센서의 안정적인 작동을 위해서는 올바른 설치가 핵심입니다. 많은 사용상의 문제는 산소 센서의 부적절한 설치에서 비롯됩니다.

1. 샘플링 측정 지점

측정 지점 선정은 가장 중요한 작업이며, 다음과 같은 원칙을 따라야 합니다.

(1) 선택된 측정 지점은 용광로 내 검출된 가스가 정확하게 반영되어야 하므로 산소 센서 출력 신호의 진위성을 보장하고 환기 공기의 사각지대를 최대한 방지할 수 있습니다.

(2)측정 지점은 연소 지점이나 노즐에 너무 가까워서는 안 되며, 이들 부분의 가스는 격렬한 반응을 일으켜 산소 센서 검출값이 급격하게 변동하고 왜곡될 수 있습니다. 팬과 같은 공기 발생 장비에 너무 가까이 두지 마십시오. 모터의 진동으로 센서가 손상될 수 있습니다.

(3) 본 발명은 충돌 가능성이 있는 위치에 놓이는 것을 방지하여 충돌로 인한 프로브 손상을 막고 센서의 안전을 확보할 수 있다.

2. 산소 센서의 설치 및 연결 방식

(1) 산소 프로브의 설치는 수평 또는 수직 모드를 채택할 수 있으며, 수직 설치가 이상적입니다. 어떤 방식을 채택하든 프로브 샘플링 튜브의 가이드 플레이트 방향은 측정 공기 흐름 방향과 최대한 일치해야 하며, 초기 설치 시에는 공정을 숙지하여 기본 방향을 결정합니다. 시스템에 전원을 공급하여 프로브를 가열한 후 샘플링 튜브의 방향을 회전시키고 디지털 멀티미터로 출력 산소 전위의 변동을 관찰하여 최종적으로 최적의 가이드 방향을 결정합니다.

(2)산소 센서 설치에 사용되는 연결부는 특수 플랜지 연결부이며, 밀봉을 보장하기 위해 석면 패드를 압착하여 배치합니다. 그렇지 않으면 일반 용광로가 음압이기 때문에 플랜지 연결부에서의 누출로 인해 측정 정확도에 영향을 미치거나 신호 변동이 발생할 수 있습니다.

(3) 산소 센서의 신호 출력선은 간섭을 제거하기 위해 차폐선으로 하는 것이 바람직하다. 가장 좋은 방법은 2심 케이블 두 개를 사용하는 것이다. 하나는 산소 전위를 출력하는 2심 차폐 케이블이고, 다른 하나는 프로브를 제어하여 연결단을 가열하는 2심 KVV 제어 케이블이다. 현장 조건이 여의치 않으면 4심 KVV 케이블을 사용하여 프로브 산소 전위 신호와 가열단을 직접 연결할 수 있다.

(4) 산소 프로브의 표준 가스 포트는 일반적으로 닫혀 있으며 가스 교정 시에만 사용됩니다. 송풍 포트는 공기 펌프 또는 압축 공기 파이프라인에 연결되며, 송풍 포트의 공기 유입은 일반적으로 전자 밸브와 같은 밸브로 제어됩니다. 밸브는 일정 주기로 한 번씩 열려 가스가 가스 송풍 샘플링 튜브로 유입되고, 프로브가 정상적으로 감지되면 밸브가 닫히며 다른 가스가 샘플링 튜브로 유입되지 않습니다. 제조업체의 압축 공기 스캐닝 프로브는 압축 공기에 물이 포함되지 않도록 해야 합니다. 즉, 사용되는 압축 공기는 물과 분리되어야 합니다.

산소 센서의 사용 및 유지 관리

1. 난방 제어 연결

샘플링 검출 방식의 산소 프로브는 산소 센서가 가열 제어 장치에 연결된 후에만 정상적으로 작동하며, 냉각 상태에서의 출력은 임의의 신호로 의미 있는 정보를 제공하지 않습니다. 산소 센서가 가열 제어 장치에 연결된 후에는 실온에서 정상적인 가스 검출이 가능합니다. 일반적으로 프로브의 영점 조정은 실온에서 수행됩니다. 프로브를 가열한 후 공기를 측정할 때 디지털 멀티미터를 사용하여 프로브의 출력 밀리볼트 값을 측정합니다. 이 값이 프로브의 영점 위치 편차이며, 이 영점 위치 편차를 계기판에 입력하여 계기판에 표시되는 산소 농도를 보정해야 합니다.

2. 산소 센서 설치 또는 교체 시 고려 사항

산소 센서를 설치하거나 교체할 때 산소 분석기의 산소 농도 표시값을 보정해야 합니다. 이 작업을 하지 않으면 새 센서로 교체한 후 산소 분석기가 측정한 산소 농도가 실제 농도와 차이가 발생하여 측정 결과에 영향을 미칠 수 있습니다.

3. 산소 농도 보정 원리 및 방법.

산소 센서의 출력은 측정 대상 가스의 농도와 표준 공기의 전위차 값(산소 전위)입니다. 이 전위 값은 기준점(즉, 공기 측정 시)에서 0이 되며, 프로브의 초기 출력 전위 편차와 출력 전위를 모델 변환하여 산소 농도를 계산하는 과정에서 오차가 발생할 수 있습니다. 따라서 산소 분석기에서 프로브 신호를 보정하는 작업은 매우 중요합니다. 보정을 하지 않으면 산소 농도와 실제 측정된 가스 농도 사이에 큰 차이가 발생하여 현장 생산 요구 사항을 충족하지 못할 뿐만 아니라 생산 제어에 오도 영향을 미칠 수 있습니다.

구체적인 보정은 일반적으로 표준 가스를 이용하여 수행되며, 방법은 계량을 통해 확인된 표준 가스를 표준 가스 주입구를 통해 프로브에 주입하고, 이때 출력 산소 전위와 기기에 표시되는 산소 농도를 측정하는 것입니다. 기기에 표시되는 산소 농도는 표준 가스 농도와 동일해야 하며, 편차가 있는 경우 기기의 선형 매개변수를 보정합니다. 표준 계량에는 최소 세 가지 농도의 표준 가스 교정 시스템이 필요하며, 이를 통해 시스템의 선형성을 세 번의 교정을 통해 반복적으로 보정하여 시스템의 정상 작동을 보장합니다.

4. 산소 센서에 먼지가 쌓이는 영향 및 퍼징/클리닝 방법

산소 센서는 장기간 온라인으로 감지 및 측정하는 장치이기 때문에 보일러 및 기타 장비(특히 석탄 연소로 또는 분말 연소로 등)에서 발생하는 분진이 가스 유도 샘플링 파이프라인을 막아 측정값의 수치적 왜곡을 초래하거나 측정이 불가능해질 수 있습니다. 이러한 경우 샘플링 파이프의 분진을 정기적으로 스캔하고 스캔 길이와 스캔 시간을 측정하여 분진 침착 정도를 파악해야 합니다. 이러한 스캔 방법을 위해서는 산소 분석기에 해당 기능이 있거나 산소 센서에 맞는 유지 보수 장치가 있어야 합니다. 이러한 장치가 없는 경우 수동 밸브를 설치하여 압축 공기 또는 공기 펌프를 통해 정기적으로 송풍구에 분진을 분사하여 프로브의 분진을 제거할 수 있지만, 이때 다음과 같은 사항에 주의해야 합니다.

(1) 퍼징 과정에서 산소 센서의 산소 전위가 감소하여 최저 1, 2mV까지 감소할 수 있으므로 이때 검출된 산소 전위는 용광로 내부의 분위기를 나타내지 않는다는 점에 유의해야 합니다.

(2) 청소 공기의 유량은 그을음이 제거될 수 있도록 해야 하며, 청소 과정에서 산소 센서의 산소 전위 출력값을 확인할 수 있습니다. 산소 전위값이 감소하지 않으면 공기 유량이 너무 적어 먼지가 제거되지 않은 것이므로 청소 파이프라인을 조정하거나 점검해야 합니다.

(3) 송풍구의 통로는 용광로와 직접 연결되어 있으므로 송풍이 완료된 후에는 밸브를 닫고 송풍구를 막아 용광로 내부의 음압 공기가 유입되는 것을 방지해야 합니다. 그렇지 않으면 산소 센서의 감지 기능에 영향을 미칠 수 있습니다.

산소 센서의 품질을 분석할 때는 산소 센서를 별도의 검출 구성 요소로 간주해야 합니다. 산소 센서의 산소 전위를 측정할 때는 산소 센서에 연결된 모든 배선을 분리하고, 내부 저항이 높은 디지털 측정기를 사용하여 산소 센서 출력단에서 산소 전위를 직접 측정합니다. 측정된 산소 전위 값은 정상 사용 시의 값과 비교합니다.

실제 작동

2003년부터 당사 공장의 분해로에는 ZGP2+ZDT 고온 직접 삽입형 지르코니아 분석기가 설치되어 주로 배기가스 내 산소 함량 측정에 사용되며, 분해로의 연소 제어에 참여하여 안정적이고 신뢰할 수 있는 작동을 보여왔습니다. 2005년 5월, 지시값의 편차가 비교적 크고 모두 양의 편차를 보이는 현상이 발견되었습니다. 가스 통로 누출로 인해 기준 가스 통로에 영점 가스가 유입되고 있었으며, 로터 유량계의 누출도 확인되었습니다. 측정 시스템 내 음압으로 인해 외부 공기가 유입되었고, 공기 중 산소의 부피 분율이 높아 측정값이 높게 나왔지만, 공정 자체는 정상적으로 진행되었습니다. 다음은 실제 작업 시 주의해야 할 몇 가지 사항입니다.

⑴지르코늄 튜브는 750°C에서 정상적으로 작동해야 하므로 기기는 일정한 온도를 유지해야 합니다.

⑵가스관 누출 없음

⑶인젝터 압력을 0.15MPa로 안정적으로 유지하십시오.

⑷ 표준 가스 점검 시에는 이젝터 가스 공급원을 닫아야 하고, 측정 시에는 열어 두어야 합니다.

측정 가스에 H2, CO, CH4 및 기타 가연성 가스가 존재할 경우 측정 결과가 낮아질 수 있습니다.

결론

지르코니아 산소 측정기는 간단한 구조, 빠른 응답 시간, 넓은 측정 범위, 높은 사용 온도, 안정적인 작동, 편리한 설치, 적은 유지 보수 등의 장점을 가지고 있습니다.

따라서 야금, 화학, 전력, 세라믹, 자동차, 환경 보호 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다.