Aplikasi Teknologi Pemantauan Dalam Talian untuk Kelembapan (Kelembapan) Gas Serombong
Teknologi Sensor Sel Bahan Api
Pelepasan gas serombong daripada pelbagai pembakar, dandang perindustrian dan komersial telah menyebabkan pencemaran atmosfera yang teruk. Pemantauan gas toksik dan berbahaya dalam gas serombong merupakan aspek penting dalam usaha perlindungan alam sekitar. Sistem Pemantauan Pelepasan Berterusan (CEMS) telah muncul untuk menangani keperluan ini, yang secara amnya mengukur bahan pencemar gas serombong berdasarkan keadaan gas serombong kering. Walau bagaimanapun, gas serombong yang dilepaskan secara industri bukanlah gas kering yang ideal dan sentiasa mengandungi sejumlah kelembapan tertentu. Oleh itu, kelembapan gas serombong telah menjadi parameter pengukuran penting dalam pemantauan sumber pencemaran gas serombong, dan ketepatan pengukurannya secara langsung mempengaruhi pengiraan jumlah pelepasan dan kepekatan bahan pencemar, serta penilaian kecekapan sistem penulenan gas serombong.
Di samping itu, penentukuran kelembapan juga merupakan cabaran yang ketara. Ini disebabkan oleh kesukaran dalam pembuatan penjana kelembapan suhu tinggi, yang mempengaruhi kebolehkesanan nilai pengukuran daripada instrumen kelembapan dalam talian. Untuk mengesahkan dan menentukur meter kelembapan gas serombong, adalah penting untuk mempunyai peranti yang mampu menjana sumber kelembapan standard, serta penanda aras dan piawaian kelembapan. Kaedah pengukuran kelembapan yang mampu menentukan kelembapan mutlak boleh berfungsi sebagai penanda aras kelembapan dan gas dengan tahap kelembapan yang diketahui juga boleh berfungsi sebagai penanda aras kelembapan. Piawaian "Penentuan zarah dan kaedah pensampelan bahan pencemar gas yang dipancarkan daripada gas ekzos sumber pegun" (GB/T 16157-1996) menetapkan tiga kaedah untuk mengukur kelembapan gas serombong: kaedah mentol basah-kering, kaedah pemeluwapan dan kaedah gravimetri. Berfungsi sebagai kaedah rujukan untuk pengesanan kelembapan gas serombong, ketiga-tiga kaedah ini boleh digunakan untuk menentukur meter kelembapan gas serombong. Selain itu, penjana kelembapan boleh menghasilkan gas lembap malar di bawah keadaan suhu dan tekanan tertentu, dan juga boleh digunakan untuk menentukur meter kelembapan gas serombong. Dengan kemajuan teknologi dan penekanan negara yang semakin meningkat terhadap perlindungan alam sekitar, terdapat empat kaedah utama untuk pengukuran kelembapan gas serombong suhu tinggi dalam talian di China: kaedah suntikan aliran malar (mentol basah-kering), kaedah rintangan-kapasitans, kaedah aliran ion berasaskan zirkonia (arus pengehad), dan kaedah penyerapan spektrum inframerah.
Pengenalan kepada Kaedah Pengukuran untuk Kelembapan Gas Serombong
>> Kaedah Mentol Basah-Kering
Kaedah mentol basah dan kering mengukur kelembapan relatif udara berdasarkan kesan perbezaan antara suhu mentol basah dan suhu mentol kering. Molekul air tersejat dari permukaan mentol basah menjadi wap air, yang perlu menyerap haba pendam pengewapan. Penyejatan berterusan terus menyerap haba dari permukaan dan menyejukkan mentol basah. Tahap penyejukan ditentukan oleh kelembapan relatif udara di sekeliling, tekanan atmosfera, dan kelajuan angin. Jika tekanan atmosfera dan kelajuan angin kekal malar, semakin tinggi kelembapan relatif, semakin rendah kadar penyejatan air dari permukaan mentol basah, dan semakin kecil suhu permukaan mentol basah yang merupakan perbezaan antara suhu mentol basah dan suhu mentol kering; sebaliknya, semakin besar perbezaan antara suhu mentol basah dan mentol kering. Oleh itu, dengan mengukur perbezaan antara suhu mentol basah dan mentol kering dan menentukan hubungan antara kelembapan relatif dan perbezaan suhu ini, kelembapan relatif boleh dikira [2,3
>> Prinsip Pengukuran Kelembapan dengan Kaedah Mentol Basah-Kering
Mengikut prinsip pemindahan haba dan kelembapan, apabila keseimbangan terma dan kelembapan dicapai, kuantiti pemindahan haba Q1 dari udara ke bebola basah bersamaan dengan haba pendam Q2 yang diperlukan untuk penyejatan kelembapan daripada kasa, iaitu: Q1 = Q2 (1)
Berdasarkan prinsip pemindahan haba: Q1=α（t-tw）F (2)
Dalam formula: α ialah pekali pertukaran haba antara udara dan permukaan air bagi mentol basah, W/m2 ·℃; t ialah suhu mentol kering, °C; tw ialah suhu mentol basah, °C; F ialah luas permukaan mentol basah, m².
Menurut prinsip pemindahan lembapan dan hukum penyejatan Dalton, jisim air yang tersejat adalah berkadar terus dengan defisit ketepuan wap udara sekeliling dan kawasan penyejatan, dan berkadar songsang dengan tekanan atmosfera pada masa itu. Oleh itu, kadar pertukaran lembapan[4] boleh dinyatakan sebagai:
Dalam formula: W ialah kadar pertukaran lembapan, kg/s; r ialah haba pendam pengewapan, J/kg; β ialah pekali pertukaran lembapan, kg/(m²·s·Pa); F ialah luas permukaan bebola basah, m²; B ialah tekanan atmosfera sebenar, Pa; P´q,b ialah tekanan separa wap air tepu pada suhu bebola basah, Pa; Pq ialah tekanan separa wap air di udara, Pa.
Diperoleh daripada Formula (1), (2) dan (3):
Dalam formula: pekali psikrometer
Oleh itu, kelembapan relatif ialah:
Kaedah mentol basah-kering yang digunakan untuk memantau gas serombong daripada sumber pencemaran secara amnya menggunakan dua termogandingan yang sama sebagai elemen pengesan suhu, satu untuk mengukur suhu mentol kering dan satu lagi untuk suhu mentol basah. Elemen pengesan untuk suhu mentol kering diletakkan di dalam aliran gas serombong utama, manakala elemen pengesan untuk suhu mentol basah dibalut dengan kasa kapas yang disambungkan ke bekas air. Mentol basah dan gas serombong di sekelilingnya dianggap sebagai satu sistem tunggal, tanpa pertimbangan diberikan kepada pengaliran haba radiasi. Peranti pengukuran kandungan lembapan automatik, berdasarkan prinsip mentol kering-basah, menggunakan mikropemproses untuk mengawal sensor yang mengukur dan mengumpul parameter seperti suhu permukaan mentol basah dan mentol kering, serta tekanan merentasi permukaan mentol basah dan tekanan statik ekzos. Ia memperoleh tekanan wap air tepu pada suhu permukaan mentol basah dan, digabungkan dengan tekanan atmosfera input, mengira kandungan lembapan gas serombong secara automatik menggunakan formula.
Kaedah mentol basah-kering yang digunakan untuk memantau gas serombong daripada sumber pencemaran secara amnya menggunakan dua termogandingan yang sama sebagai elemen pengesan suhu, satu untuk mengukur suhu mentol kering dan satu lagi untuk suhu mentol basah. Elemen pengesan untuk suhu mentol kering diletakkan di dalam aliran gas serombong utama, manakala elemen pengesan untuk suhu mentol basah dibalut dengan kasa kapas yang disambungkan ke bekas air. Mentol basah dan gas serombong di sekelilingnya dianggap sebagai satu sistem tunggal, tanpa pertimbangan diberikan kepada pengaliran haba radiasi. Peranti pengukuran kandungan lembapan automatik, berdasarkan prinsip mentol kering-basah, menggunakan mikropemproses untuk mengawal sensor yang mengukur dan mengumpul parameter seperti suhu permukaan mentol basah dan mentol kering, serta tekanan merentasi permukaan mentol basah dan tekanan statik ekzos. Ia memperoleh tekanan wap air tepu pada suhu permukaan mentol basah dan, digabungkan dengan tekanan atmosfera input, mengira kandungan lembapan gas serombong secara automatik menggunakan formula.
Semasa operasi, gas yang diukur melalui membran PTFE dan memasuki lapisan elektrolit nipis, di mana oksigen dalam gas sampel menjalani tindak balas elektrokimia di dalam sel.
| Katod perak | O₂+2H₂O+4e-→4OH- |
| Anod plumbum | 2Pb+ 4OH-→2 PbO+2H₂O+4e- |
| Tindak balas sel keseluruhan | O₂+ 2Pb→2 PbO |
Arus yang dihasilkan oleh aliran ion OH- adalah berkadar terus dengan kandungan oksigen dalam gas sampel. Dapat dilihat daripada tindak balas kimia di atas bahawa jika tiada oksigen, tiada tindak balas berlaku dan tiada arus dijana. Oleh itu, secara teorinya sensor mempunyai titik sifar mutlak. Walau bagaimanapun, sama seperti sensor zirkonia sel kepekatan, yang daya elektromotif teorinya di udara sepatutnya sifar tetapi biasanya memberikan output bukan sifar disebabkan oleh bahan, isyarat sensor oksigen sel bahan api secara amnya tidak dapat mencapai sifar walaupun selepas dibekalkan dengan nitrogen ketulenan tinggi yang dirawat oleh teknologi penyahoksigenan, dan mungkin juga menghasilkan isyarat negatif. Oleh kerana plumbum di anod sentiasa ditukar menjadi plumbum oksida, hayat perkhidmatan sensor tamat sebaik sahaja elektrod plumbum habis sepenuhnya.
>> Analisis Prestasi
Dalam larutan elektrolit alkali, penurunan oksigen kepada OH- pada katod perak boleh dinyatakan dengan formula berikut.
Dalam formula:
I - Arus yang mengalir melalui elektrod sel galvanik
K - Pemalar
[O₂] Kepekatan oksigen dalam gas sampel yang diukur
[OH-] Aktiviti (kepekatan berkesan) ion OH⁻ dalam elektrolit
e - Asas logaritma asli
φ- Potensi tindak balas pengkutuban elektrod perak
F - Pemalar Faraday
R - Pemalar gas
S - Suhu termodinamik
Formula ini merangkumi semua tindak balas sensor oksigen sel bahan api alkali, tetapi boleh digunakan untuk interpretasi kualitatif ciri-ciri sensor oksigen sel bahan api.
Seperti yang dapat dilihat daripada formula dan Rajah 6-2
① Semakin tinggi kepekatan oksigen, semakin jelas hubungan tak linearnya.
② Ciri-ciri Suhu: Arus nyahcas sensor oksigen sel bahan api menunjukkan hubungan eksponen dengan suhu termodinamik T. Apabila suhu meningkat, arus nyahcas meningkat dengan ketara.
Oleh itu, untuk memastikan ketepatan pengukuran, dua kaedah boleh digunakan: penyelenggaraan suhu malar atau pampasan suhu. Pada masa ini, kebanyakan penganalisis oksigen di pasaran yang dilengkapi dengan sensor oksigen sel bahan api menggunakan termistor dengan pekali suhu negatif untuk pampasan suhu, manakala kaedah yang menggunakan kaedah suhu malar kurang biasa.
③ Kesan larutan KOH pada sensor oksigen sel bahan api
Daripada formula tersebut, dapat disimpulkan bahawa OH- menunjukkan hubungan eksponen negatif dengan output isyarat arus oleh sensor. Kajian telah menunjukkan bahawa apabila kepekatan larutan KOH adalah sekitar 6 mol/L (pecahan jisim: 26.8%), kekonduksian elektrik mencapai maksimum, bermakna aktiviti OH⁻ juga berada pada tahap maksimum pada ketika ini. Kajian lanjut menunjukkan bahawa apabila kepekatan KOH dikekalkan dalam julat 5.5~6.9 mol/L, variasi kekonduksian yang disebabkan oleh turun naik dalam kepekatan dan suhu larutan diminimumkan. Ini sepadan dengan variasi terkecil dalam aktiviti OH⁻, sekali gus meminimumkan kesan pada kepekaan sensor. Oleh itu, penyediaan larutan KOH untuk sensor hendaklah mematuhi prinsip-prinsip di atas.
④ Kesan kadar aliran gas sampel
Variasi dalam kadar aliran gas sampel secara amnya tidak mempunyai kesan yang ketara terhadap arus nyahcas sensor oksigen sel bahan api. Ini kerana output isyarat arus sensor berkorelasi dengan tekanan separa oksigen dalam gas yang diukur. Apabila kadar aliran gas sampel berubah tetapi kandungan oksigen dalam gas sampel kekal malar, tekanan separa oksigen juga kekal tidak berubah.
>> Spesifikasi Teknikal Utama
Sebagai contoh, penganalisis oksigen surih CI-PC90 daripada CHANGAI Electronic Science & Technology Co., Ltd., spesifikasi teknikal utama adalah seperti berikut:
| Sensor | CI213 | |
| Ketepatan | 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 | |
| Kebolehulangan | 0.01～9.99ppm O₂ | ±2.5% FS |
| 10.0～99.9ppm O₂ | ±1.5% FS | |
| 100～1000ppm O₂ | ±1% FS | |
| Kestabilan | 0.01～9.99ppm O₂ | ±2.5% FS/7d |
| 10.0～99.9ppm O₂ | ±1.5% FS/7d | |
| 100～1000ppm O₂ | ±1% FS/7d | |
| Masa Respons | T90＜60S(25℃) | |
| Masa Pemulihan | Ia mengambil masa 60 minit untuk mengurangkan kepekatan daripada paras ambien (20.94%) kepada 10 ppm | |
| Kitaran Penentukuran | Satu tahun (disyorkan) | |
| Suhu Ambien | 0～45℃ | |
| Kelembapan Ambien | ＜80%RH | |
| Tekanan Gas Sampel | Tekanan biasa ±10% (saluran keluar udara mesti diudarakan) | |
| Aliran Gas Sampel | 1.5～2L/min | |
| Hayat Perkhidmatan Sensor | Lebih daripada 2 tahun (biasa digunakan) | |
>> Langkah berjaga-jaga untuk Penggunaan
① Kajian telah menunjukkan bahawa jangka hayat sensor oksigen sel bahan api berkaitan dengan faktor-faktor berikut:
● Pengewapan dan kebocoran elektrolit;
● Kesan pasifasi yang disebabkan oleh pemendapan oksida plumbum daripada tindak balas permukaan logam anod plumbum;
● Kebolehtelapan gas dan kebolehtahan air membran telap. Pempasifan oksida plumbum berkaitan dengan kandungan oksigen yang diukur. Semakin tinggi kepekatan oksigen, semakin besar penggunaan anod dan semakin pendek jangka hayat sensor. Oleh itu, adalah disyorkan untuk melengkapkan sensor ganti.
② Penganalisis oksigen yang dilengkapi dengan sensor oksigen sel bahan api sebagai unit pengesanan memerlukan penyelenggaraan rutin yang rendah. Penentukuran hendaklah dilakukan setiap enam bulan sekali dengan nitrogen berketulenan tinggi (≥99.999%) dan gas piawai oksigen-dalam-nitrogen pada 90% daripada julat pengukuran.
③ Apabila peralatan pengeluaran dimatikan untuk penyelenggaraan dan penganalisis tidak berfungsi, adalah disyorkan untuk membersihkan sensor oksigen sel bahan api penganalisis dengan nitrogen ketulenan tinggi (≥99.999%) selama kira-kira 8 - 10 minit, dan kemudian tetapkan penganalisis kepada mod pembersihan ((pada ketika itu sensor ditutup). Selepas penyelenggaraan peralatan pengeluaran selesai dan penganalisis dimulakan semula, bersihkan litar gas dengan gas sampel yang diukur selama 3–5 minit sebelum menukar penganalisis kepada mod pengukuran. Operasi ini memberikan dua kelebihan: pertama, ia memanjangkan hayat perkhidmatan sensor; kedua, ia menghasilkan masa tindak balas dan penstabilan yang lebih pantas apabila menyambung semula pengukuran. Ukuran ini amat sesuai untuk senario yang memerlukan pengukuran pantas, seperti pengeluaran nitrogen ketulenan tinggi dan argon ketulenan tinggi, dan pemulihan CO₂ di kilang bir.
④Semasa menyimpan sensor oksigen sel bahan api, letakkannya di dalam beg pelindung yang berisi nitrogen dan litar pintas terminal dengan cincin pintas. Jangan rosakkan beg pelindung semasa penyimpanan. Beg hanya perlu dibuka semasa memasang semula sensor. Selepas menanggalkan cincin pintas, pasang sensor ke dalam penganalisis dengan segera.
⑤Julat tekanan sensor oksigen sel bahan api secara amnya adalah 35~210 kPa. Jika tekanan bekalan gas terlalu tinggi, injap pengurang tekanan mesti digunakan terlebih dahulu untuk melaraskan tekanan dalam julat selamat yang dinyatakan di atas.
Sensor Oksigen Sel Bahan Api Berasid
Sensor oksigen sel bahan api berasid terdiri daripada katod emas, anod plumbum dan elektrolit asid asetik cecair. Ia sesuai untuk persekitaran di mana atmosfera yang diukur mengandungi bahan berasid (seperti CO₂ dan H₂S), seperti pengukuran oksigen surih dalam pemulihan CO₂ di kilang bir dan pengukuran oksigen surih di bawah perlindungan nitrogen dalam relau pateri. Sensor oksigen sel bahan api berasid yang biasa ialah XLT-12-333 daripada AII. Struktur skematiknya adalah serupa dengan sensor oksigen sel bahan api alkali yang ditunjukkan dalam Rajah 6-1, dengan perbezaan hanya pada bahan elektrod dan elektrolit. Rajah di bawah menggambarkan struktur skematik sensor oksigen sel bahan api berasid yang dihasilkan oleh CITY. Walaupun terdapat perbezaan struktur, kedua-dua sensor berkongsi mekanisme operasi yang sama.
Apabila oksigen dalam gas yang diukur melalui membran telap PTFE (juga dirujuk sebagai membran resapan oksigen dalam beberapa literatur) dan memasuki sel bahan api, tindak balas redoks berikut berlaku pada elektrod.
Perbezaan utama antara sensor oksigen sel bahan api alkali dan berasid terletak pada elektrolitnya. Reka bentuk ini bertujuan untuk menampung pelbagai senario aplikasi. Dengan kemajuan teknologi, sesetengah syarikat telah membangunkan sensor oksigen sel bahan api menggunakan elektrolit neutral, seperti model CI213 dari Changai, yang sesuai untuk aplikasi di mana atmosfera yang diukur mengandungi gas berasid atau alkali.
| Tindak balas pengurangan katodik | O₂+2H₂O+4e-→4OH- |
| Tindak balas pengoksidaan anodik | 2Pb+ 4OH-→2 PbO+2H₂O+4e- |
| Tindak balas sel keseluruhan | O₂+ 2Pb→2 PbO |
Penganalisis Oksigen Sel Elektrolitik
Pada asasnya, sel elektrolitik menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga kimia. Sensor oksigen sel elektrolitik tergolong dalam kategori sel elektrolitik. Oleh itu, pada prinsipnya, tindak balas elektrokimianya memerlukan bekalan kuasa luaran untuk operasi biasa. Berbanding dengan sensor oksigen sel bahan api, anodnya tidak boleh digunakan dan secara amnya tidak memerlukan penggantian. Sensor oksigen sel elektrolitik terutamanya digunakan untuk pengukuran oksigen surih, dengan had pengesanan sehingga tahap ppb (pada masa ini, sebahagian besar sensor oksigen jenis sel bahan api yang digunakan untuk pengukuran oksigen surih hanya boleh mencapai tahap ppm). Penganalisis oksigen elektrolitik biasa ialah penganalisis oksigen surih Delta F yang dikeluarkan oleh GE (lihat Rajah 6-4 untuk gambarajah struktur skematik sensor). Sensornya adalah berdasarkan prinsip elektrolisis koulometrik. Voltan DC kira-kira 1.3 V dikenakan pada sel elektrolitik untuk membekalkan tenaga untuk tindak balas redoks. Apabila oksigen surih dalam gas sampel melalui membran telap ke dalam katod, molekul oksigen dikurangkan kepada OH⁻ pada katod. Dengan bantuan elektrolit KOH, OH⁻ berhijrah ke anod di mana tindak balas pengoksidaan berlaku untuk menghasilkan oksigen, yang kemudiannya dinyahcas.
| Tindak balas pengurangan katodik | O₂+2H₂O+4e-→4OH |
| Tindak balas pengoksidaan anodik | 4OH-→O₂+2H₂O+4e |
Seperti yang dapat dilihat daripada persamaan tindak balas elektrod di atas, tiada penggunaan sel elektrolitik atau elektrod. Oleh itu, pengguna tidak perlu menggantikan elektrod atau sel elektrolitik semasa operasi; mereka hanya perlu mengisi semula air suling dan elektrolit secara berkala (elektrolit berkurangan disebabkan oleh penyejatan semula jadi). Ini berbeza daripada sensor oksigen sel bahan api yang dinyatakan di atas, yang biasanya perlu diganti setiap 1 hingga 2 tahun.
Apabila memperkenalkan sensor oksigen jenis sel bahan api alkali, ditekankan bahawa ia tidak boleh digunakan dalam aplikasi di mana gas yang diukur mengandungi komponen berasid. Sensor oksigen elektrolitik Delta F menggunakan larutan KOH alkali sebagai elektrolitnya. Untuk mengatasi gangguan yang disebabkan oleh gas berasid dan mencegah kakisan elektrod, sepasang elektrod tambahan Stab-EL direka bentuk di dalam sensor. Fungsi elektrod tambahan ini adalah untuk menyingkirkan gas berbahaya ini selepas gas sampel yang mengandungi gas berasid memasuki sel elektrolitik, sekali gus mencegah kerosakan pada sensor dan memastikan ketepatan bacaan penganalisis.
Rajah 6-4 Gambarajah skematik sensor oksigen surih Delta F
