Aplikasi Teknologi Pemantauan Dalam Talian untuk Kelembapan Gas Serombong (Kelembapan) -2
Aliran Ion (Zirkonia)
Berdasarkan kajian teori yang mendalam dan pelbagai eksperimen, telah disahkan bahawa sensor aliran ion boleh mencapai pengukuran kelembapan yang tepat. Pengukuran kelembapan boleh direalisasikan dengan melaraskan voltan yang dikenakan pada katod dan anod sensor. Penemuan ini menangani isu bahawa sensor kelembapan konvensional tidak boleh beroperasi dengan berkesan dalam persekitaran suhu tinggi (seperti yang melebihi 100°C).
Elektrod platinum disalut pada kedua-dua belah ZrO2 yang distabilkan. Bahagian katod dipasang dengan penutup yang dilengkapi dengan lubang resapan gas untuk membentuk rongga katod. Pada suhu tertentu, voltan operasi tertentu dikenakan merentasi anod dan katod ZrO2, kemudian molekul oksigen di dalam rongga mendapat elektron di katod untuk membentuk ion oksigen (O2-). O2- berhijrah ke anod melalui kekosongan oksigen dalam ZrO2, melepaskan elektron, dan ditukar menjadi molekul oksigen yang dinyahcas keluar. Fenomena ini dikenali sebagai pam elektrokimia. Dengan cara ini, oksigen dalam rongga katod dipam keluar dari rongga secara berterusan oleh elektrolit ZrO2, dan ion oksigen mengalir dari katod melalui ZrO2 ke anod, membentuk arus ion oksigen. Apabila kepekatan oksigen dalam atmosfera yang diukur adalah malar, arus keluaran sensor zirkonia tidak lagi meningkat dengan peningkatan voltan yang dikenakan, tetapi sebaliknya mencapai nilai malar. Nilai arus malar ini dirujuk sebagai nilai arus pengehad untuk kepekatan oksigen tersebut, yang kita panggil nilai arus pengehad pertama (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1-A). Berdasarkan prinsip operasi ini, apabila atmosfera yang diukur mengandungi wap air, peningkatan voltan operasi yang dikenakan menyebabkan wap air terionisasi menjadi ion oksigen. Begitu juga, apabila kepekatan wap air dalam atmosfera yang diukur adalah malar, sensor zirkonia mengeluarkan nilai arus malar, yang dirujuk sebagai nilai arus pengehad kedua (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1-B). Nilai arus peringkat pertama I1 dan nilai arus peringkat kedua I2 masing-masing berkadar terus dengan tekanan separa oksigen dan tekanan separa oksigen dalam atmosfera yang mengandungi wap air.
Tindak balas pada katod dan anod sensor adalah seperti berikut:
Rajah (2) Prinsip aliran ion
Selaras dengan hukum Fick yang dihadkan oleh lubang resapan gas sensor, dengan mengandaikan bahawa pekali resapan oksigen adalah sama dengan wap air, arus pengehad pertama I1 dan arus pengehad kedua I2 masing-masing dinyatakan oleh formula berikut:
Dalam formula:
F ialah pemalar Faraday. S ialah luas lubang resapan
D ialah pekali resapan molekul gas campuran P ialah tekanan keseluruhan campuran gas
PO2 ialah tekanan separa oksigen. PH2O ialah tekanan separa wap air.
R ialah pemalar gas T ialah suhu mutlak
L ialah panjang lubang resapan gas. 0.21 ialah kandungan oksigen dalam udara.
Lengkung hubungan antara nilai arus pengehad ionik dan kepekatan oksigen ditunjukkan dalam Rajah (3):
Kandungan oksigen dalam gas serombong boleh dikira berdasarkan arus pengehad pertama, manakala kelembapan dalam gas serombong boleh dikira mengikut perbezaan antara arus pengehad kedua dan pertama. Oleh itu, meter kelembapan yang menggunakan prinsip zirkonia arus pengehad mempunyai kelebihan yang ketara berbanding yang menggunakan prinsip lain. Memandangkan fungsi terasnya ialah pengesanan oksigen dan pengukuran oksigen merupakan prasyarat untuk ujian kelembapan, pengguna tidak perlu memasang penganalisis oksigen yang berasingan. Satu meter kelembapan boleh menyediakan kedua-dua set data pengukuran secara serentak.
>> Penganalisis Kelembapan Aliran Ion 3D Jenis Sedutan
Penganalisis kelembapan suhu tinggi jenis sedutan dikeluarkan oleh beberapa syarikat di China. Di sini, produk daripada Chang Ai diperkenalkan sebagai contoh.
Untuk menangani kesan atmosfera menghakis pada elektrod sensor, Chang Ai telah menambah baik bahan elektrod pemangkin zirkonia-platinum dan menerima pakai bahan elektrolit baharu melalui teknologi sintesis nanokimia. Kaedah ini menangani kakisan elektrod dan jangka hayat yang pendek dalam gas serombong SO2 tinggi daripada loji pembakaran sisa, pengkalsinan bijih, kilang seramik dan loji janakuasa. Tambahan pula, berdasarkan asas sensor arus pengehad, Chang Ai telah membuat inovasi berani dengan menyalakan bersama sensor oksigen berganda pada satu cip, menyelesaikan sepenuhnya cabaran bahawa sensor oksigen tunggal tidak dapat mengukur oksigen dinamik dan oksigen basah elektrolitik secara serentak.
Peranti aliran ion 3D menggunakan unit pengesan aliran ion dwi. Satu unit mengukur kandungan wap air dan oksigen, manakala unit yang satu lagi mengukur kandungan oksigen tulen. Dengan menggunakan voltan yang berbeza untuk mengionkan ion oksigen dan mencampurkannya dengan wap air, kandungan ion oksigen dan wap air boleh diperoleh melalui pengukuran arus. Dengan ciri rintangan suhu tinggi dan prestasi anti-pencemaran, sensor ini boleh beroperasi secara stabil dalam persekitaran gas yang keras. Prinsip dan strukturnya ditunjukkan dalam Rajah 4.
Rajah (4) Struktur sensor kelembapan aliran ion
Penganalisis Kelembapan Aliran Ion 3D CI-PC196 terdiri daripada prob pensampelan suhu tinggi dan unit kawalan instrumen (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5). Unit kawalan menyokong fungsi pembilasan balik automatik dan penentukuran automatik. Prob dilengkapi dengan fungsi pengesanan haba untuk mengelakkan pemeluwapan daripada terbentuk di dalamnya, dan hujungnya dilengkapi dengan penapis keluli tahan karat atau seramik yang disinter.
Rajah (5) CI-PC196 Meter kelembapan suhu tinggi
Prob ini merangkumi penapis utama yang dimasukkan ke dalam serombong, tiub pensampelan, unit pelaksanaan pembersihan dan sensor yang terletak di hujung suhu normal di luar serombong. Gas serombong suhu tinggi diekstrak dari serombong oleh pam ejektor yang dipacu oleh udara termampat. Gas serombong masuk melalui salur masuk sensor dan dilepaskan dari salur keluar udara. Dengan mengawal tekanan dan kadar aliran udara termampat, kadar aliran gas yang disedut masuk dapat diatur. Prob ini adalah sensor oksigen jenis arus dengan prinsip operasi yang berbeza daripada prob zirkonia jenis kepekatan pemasukan langsung. Di bawah keadaan suhu tinggi, bahan zirkonia (ZrO2) menjadi konduktif kerana penghijrahan ion oksigen. Apabila suhu melebihi 650°C, ion oksigen berhijrah; apabila kepekatan oksigen meningkat, arus meningkat secara berkadaran dengan peningkatan aliran ion.
Berbanding dengan sensor kelembapan polimer, elektrolit dan seramik konvensional, instrumen ini berbeza sama sekali dari segi reka bentuk struktur, kaedah pengujian dan prinsip operasi, justeru menawarkan kelebihan yang luar biasa: ia mempamerkan rintangan suhu dan rintangan kakisan yang sangat baik (sensor beroperasi pada suhu melebihi 600°C), membolehkannya digunakan dalam persekitaran suhu tinggi melebihi 200°C. Ia mengukur kandungan lembapan mengikut jumlah penguraian wap air di bawah voltan penguraian, justeru memberikan selektiviti yang unggul. Tambahan pula, prinsip ini boleh mengukur kelembapan dan menghasilkan kepekatan oksigen secara serentak. Ia digunakan secara meluas dalam industri perlindungan alam sekitar, percetakan dan pencelupan, kayu, bahan binaan, pembuatan kertas, kimia, gentian dan farmaseutikal, serta bidang pemprosesan dan penyimpanan makanan, tembakau, sayur-sayuran dan bijirin.
>> Kaedah Oksigen Basah-Kering
Apabila sensor oksigen yang dilengkapi dalam sistem CEMS digunakan untuk mengukur kandungan oksigen gas serombong sebelum dan selepas penyahlembapan, dan mengira kelembapan dalam gas serombong, kelembapan gas serombong dikira menggunakan formula berikut:
Dalam Formula (1), X´O2 mewakili peratusan isipadu oksigen dalam gas serombong basah, %, dan Xo2 mewakili peratusan isipadu oksigen dalam gas serombong kering, %.
Contohnya: Jika kepekatan gas serombong basah ialah 6.8% O2, dan bacaan gas serombong kering selepas penyahlembapan ialah 7.4% O2, katakan Xsw menunjukkan kandungan lembapan gas serombong, maka
Isu utama dengan kaedah oksigen kering-basah ialah ia memerlukan dua instrumen untuk mengukur oksigen kering dan oksigen basah masing-masing. Ralat yang terhasil termasuk ralat persampelan yang disebabkan oleh titik persampelan yang tidak konsisten, serta ralat bertindih yang terhasil daripada hanyutan pengukuran dalam kedua-dua instrumen itu sendiri. Ralat ini sukar diatasi dengan kaedah ini.
Spektroskopi Inframerah
Secara semula jadi, setiap gas menyerap cahaya dengan panjang gelombang tertentu. Apabila pancaran cahaya putih (yang mengandungi semua komponen panjang gelombang) melalui gas, cahaya keluar akan melemahkan atau kekurangan komponen panjang gelombang tertentu tersebut. Dalam spektroskopi, komponen sesuatu bahan boleh ditentukan mengikut komposisi garis spektrum penyerapan gas. Dengan menganalisis tahap penyerapan cahaya pada panjang gelombang tertentu oleh garis spektrum penyerapan tertentu bagi gas tertentu, kita boleh mengira kepekatan gas tersebut.
Terdapat dua kaedah utama untuk mengukur kelembapan berdasarkan spektroskopi penyerapan inframerah dekat: Spektroskopi Cincin-Bawah Kaviti (CRDS) dan Spektroskopi Penyerapan Diod Laser Boleh Tala (TDLAS). Spektroskopi penyerapan inframerah adalah berdasarkan prinsip bahawa penyerapan terpilih panjang gelombang inframerah tertentu oleh molekul wap air berbeza-beza mengikut kepekatannya. Walau bagaimanapun, sejak Fowle pertama kali mencadangkan pengukuran kelembapan inframerah pada tahun 1912, kemajuan dalam pengukuran kelembapan adalah perlahan disebabkan oleh batasan teknik penyerapan inframerah tradisional (penyerapan jalur lebar). Perkembangan pesat teknologi spektroskopi laser semikonduktor (TDLAS) pada tahun 1990-an memudahkan kemunculan penganalisis kelembapan gas serombong suhu tinggi dalam talian semasa. Berbanding dengan spektroskopi penyerapan inframerah tradisional, TDLAS menggunakan penyerapan jalur sempit, kerana lebar spektrum sumber laser semikonduktor (kurang daripada 0.0001 nm) jauh lebih kecil daripada pelebaran garis penyerapan gas.
Setiap molekul gas mempunyai spektrum penyerapan semula jadinya yang tersendiri. Penyerapan berlaku apabila spektrum pancaran sumber cahaya sepadan dengan spektrum penyerapan molekul gas, dan keamatan penyerapan berkorelasi dengan pecahan isipadu gas. Apabila pancaran laser semikonduktor dengan keamatan I0 melalui gas yang hendak diukur, cahaya dilemahkan semasa ia melalui gas jika spektrum sumber cahaya meliputi spektrum penyerapan molekul gas. Menurut hukum Lambert-Beer, hubungan antara keamatan cahaya keluar I, keamatan cahaya datang I0 dan kepekatan isipadu gas dinyatakan seperti berikut:
Dalam formula:
I0: Keamatan cahaya awal;
I: Keamatan cahaya baki selepas penyerapan oleh wap air (H2O) dalam sampel gas;
S: Pekali penyerapan air (H2O) untuk laser pada panjang gelombang tertentu;
L: Panjang laluan optik;
N: Kuantiti molekul wap air di sepanjang laluan optik, berkorelasi dengan kandungan wap air dalam gas sampel.
Oleh itu, kandungan air dalam sampel gas boleh ditentukan dengan mengukur keamatan cahaya awal dan keamatan cahaya selepas penyerapan. Disebabkan panjang gelombang laser yang dipilih adalah spesifik, keputusan pengukuran hampir tidak terjejas oleh gas lain. Di samping itu, pengiraan menggunakan nisbah I/I0 dapat menghapuskan pengaruh yang disebabkan oleh variasi keamatan sumber cahaya, pemantulan cermin dan parameter elektrik dengan berkesan.
Untuk mencapai kepekaan pengesanan yang lebih tinggi atau memperbaikinya, dan untuk mengurangkan hingar 1/f laser, teknologi TDLAS secara amnya memerlukan penggunaan pengesanan spektrum termodulat. Teknik ini mengurangkan kesan hingar laser pada pengukuran melalui modulasi frekuensi tinggi dengan ketara. Pada masa yang sama, dengan menetapkan pemalar masa yang besar untuk pengesan sensitif fasa yang digunakan dalam pengesanan sensitif fasa (yang mengesan komponen harmonik), penapis jalur laluan yang sangat sempit boleh diperolehi, sekali gus memampatkan lebar jalur hingar dengan berkesan. Penganalisis kelembapan suhu tinggi gas serombong yang dibangunkan menggunakan teknologi TDLAS melakukan pengukuran tanpa sentuhan semasa mengukur gas serombong, menghapuskan keracunan sensor dan gangguan daripada gas latar belakang. Ia mempunyai masa tindak balas yang pantas, ketepatan pengukuran yang tinggi, kitaran penentukuran yang panjang, dan operasi yang hampir bebas penyelenggaraan, manakala kelemahan utamanya ialah kos yang tinggi. Walau bagaimanapun, apabila menggunakan kaedah penyerapan inframerah untuk pengukuran kelembapan gas serombong, adalah perlu untuk mengelakkan gangguan daripada panjang gelombang yang sensitif kepada CO2/SO2/NOX, yang memberikan cabaran tertentu. Ditambah pula dengan kos instrumen yang tinggi, kaedah ini pada masa ini jarang digunakan untuk pengukuran kelembapan gas serombong.
Perbandingan Pelbagai Prinsip
| Item Perbandingan | Kaedah Pancutan Aliran Malar | Aliran Ion Dwi-sel | Kaedah Zirkonia | Kaedah Rintangan-kapasitans | TLDAS |
| TLDAS | |||||
| Julat Pengukuran | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% |
| Masa Respons | T90 <90S (10 ~ 190g/kg) | T90＜30S | T90＜30S | T90＜30S | T90＜10S |
| Paparan | Suhu takat embun: 20～100℃ | Kepekatan oksigen: 0–100% | Nisbah isipadu (H2O): 0–100% | Kelembapan relatif (RH%) | Kelembapan relatif (RH%) |
| Nisbah isipadu: 2 ~ 100% | Nisbah isipadu (H2O): 0–100% | Nisbah isipadu 0–100% | Nisbah isipadu 0–100% | ||
| Kelembapan mutlak: 15～1000 g/kg | |||||
| Tekanan wap air: 10～1000 hPa | |||||
| Nilai yang Dipaparkan | Nilai mutlak | Nilai mutlak | Nilai mutlak | 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； |
| Rintangan Kimia | Tahan | Tahan | Sederhana | Tidak tahan | Tahan |
| Kebolehgunaan | Sebarang campuran gas | Gas serombong, campuran gas umum | Campuran udara dan wap air | Gas serombong, campuran gas umum | Gas serombong, campuran gas umum |
| Kaedah Pengukuran | Pensampelan berterusan | Pensampelan in-situ/berterusan | Di situ | Pensampelan in-situ/berterusan | Pensampelan in-situ/berterusan |
| Hayat Perkhidmatan | 10 tahun | 1–2 tahun | 1–2 tahun | 0.6–2 tahun | ≥2 tahun |
| Penentukuran | Tiada penentukuran diperlukan, tiada hanyutan | Diperlukan (penentukuran oksigen) | Diperlukan (penentukuran oksigen) | Penentukuran di tapak tidak tersedia (memerlukan penjana kelembapan profesional) | Penentukuran di tapak tidak tersedia (memerlukan penjana kelembapan profesional) |
