Kaedah pengukuran kandungan oksigen baharu -- penganalisis oksigen arus ion 3D

Ringkasan: Kertas kerja ini memperkenalkan instrumen pengukur oksigen aliran ion termaju dengan menerangkan prinsip dan ciri-ciri kaedah pengukur oksigen seperti kaedah penyerapan larutan kuprum ammonia, kaedah sel bahan api, kaedah oksigen magnetik, kaedah zirkonium oksida dan kaedah laser.

Kata kunci: larutan kuprum ammonia, sel bahan api, oksigen magnetik, zirkonia, laser, aliran ion, meter oksigen.

Kandungan oksigen dalam banyak proses pengeluaran perindustrian merupakan petunjuk yang sangat penting, yang secara langsung mempengaruhi kapasiti pengeluaran, kelajuan, kecekapan dan keselamatan pengeluaran perindustrian. Oleh itu, cara mengukur kandungan oksigen dengan lebih cepat, mudah, tepat dan andal, supaya dapat mengawal kandungan oksigen dalam masa yang ditetapkan adalah sangat penting. Kaedah aliran ion merupakan kaedah pengukuran kandungan oksigen baharu berdasarkan keperluan ini. Berbanding dengan kaedah pengukuran kandungan oksigen tradisional, kaedah aliran ion mempunyai banyak kelebihan dalam kelajuan tindak balas, kestabilan, harga instrumen dan jangka hayat sensor, dan sebagainya, terutamanya sesuai untuk analisis oksigen kandungan tinggi.

Kaedah tradisional pengukuran kandungan oksigen: Ia merangkumi kaedah penyerapan larutan kuprum ammonia, kaedah sel bahan api, kaedah paramagnet, kaedah potensi kepekatan zirkonium oksida dan kaedah laser, dan sebagainya. Prinsip, kelebihan dan kekurangan kaedah ini diringkaskan seperti berikut:

1.1 Kaedah penyerapan larutan kuprum ammonia

Larutan kuprum-amonia disediakan dengan memasukkan dawai kuprum yang digulung menjadi bentuk lingkaran ke dalam larutan yang disediakan oleh larutan tepu ammonium klorida dan air ammonia dalam nisbah 1:1. Apabila sampel gas yang mengandungi oksigen dimasukkan ke dalam botol penyerapan yang diisi dengan larutan kuprum ammonia, dengan kehadiran ammonia, kuprum dioksidakan oleh oksigen dalam sampel untuk menghasilkan kuprum oksida (CuO) dan kuprum oksida (Cu2O), dan persamaan tindak balas adalah seperti berikut:

Oksida kuprum dan oksida kupro masing-masing bertindak balas dengan air ammonia dan ammonium klorida untuk menghasilkan garam kuprum valens tinggi yang larut Cu(NH3)2Cl2 dan garam kuprum valens rendah Cu2(NH3)2Cl2. Garam kuprum harga rendah menyerap oksigen untuk ditukar menjadi garam kuprum harga tinggi, dan garam kuprum harga tinggi dikurangkan oleh kuprum untuk ditukar menjadi garam kuprum harga rendah, justeru tindakan kitaran dijalankan sehingga oksigen dalam gas habis. Kandungan oksigen dalam gas (peratusan kepekatan isipadu) boleh diperolehi mengikut pengurangan isipadu gas.

Kaedah ini merupakan kaedah klasik pengukuran kandungan oksigen, yang biasanya digunakan dalam arbitrasi dan mempunyai kos yang rendah. Pada masa ini, masih terdapat banyak makmal gas dan institusi pengesanan yang mengekalkan kaedah ini, tetapi secara amnya hanya sesuai untuk mengukur sampel gas dengan kandungan oksigen kurang daripada 99.9%. Kelemahannya termasuk keperluan untuk menyediakan larutan, menggulung dawai kuprum, lebih rumit; Keseluruhan proses pengukuran memerlukan operasi manual, yang tidak sesuai untuk analisis berterusan dalam talian. Apabila gas pengoksidaan lain terkandung dalam gas yang diukur, keputusan pengukuran akan terganggu. Memandangkan keseluruhan peranti penyerapan adalah semua barangan kaca, ia mudah rosak.

1.2 Kaedah sel bahan api

Sel bahan api biasanya terdiri daripada elektrod logam lengai (katod) + elektrod plumbum (atau grafit) (anod) + elektrolit (dibahagikan kepada asid dan alkali), katod dan anod masing-masing disambungkan dengan kepingan logam sebagai plumbum elektrod, elektrolit melimpah pada permukaan katod melalui beberapa lubang bulat pada katod, lapisan lapisan nipis elektrolit diliputi pada permukaan lapisan nipis elektrolit, filem politetrafluoroetilena (PTFE) yang boleh menembusi gas diliputi, sampel gas memasuki katod melalui filem permeasi, oksigen dan elektrolit bertindak balas, ion OH- yang dihasilkan bergerak ke anod di bawah tindakan medan elektrik, dan anod kehilangan elektron untuk menjana air. Contohnya, apabila perak digunakan sebagai bahan anod, persamaan tindak balas kimia adalah seperti berikut:

Keamatan arus yang dihasilkan oleh penghijrahan-OH adalah berkadar terus dengan kandungan oksigen dalam sampel gas, dan kandungan oksigen dalam sampel gas boleh diperoleh dengan mengukur keamatan arus yang dihasilkan dalam sel bahan api.

Kaedah ini mempunyai kelebihan iaitu sel bahan api mempunyai struktur yang mudah, isipadu yang kecil dan kelajuan tindak balas yang pantas. Oleh itu, Penganalisis Oksigen kaedah ini sangat sesuai untuk kegunaan mudah alih dan harganya agak rendah. Walau bagaimanapun, sel bahan api adalah pengesan jenis penggunaan yang jangka hayatnya ditentukan oleh jumlah oksigen yang terkumpul melalui sensor, dan anod sentiasa bertindak balas dan digunakan dalam pengukuran. Setelah habis, sel bahan api akan rosak dan perlu diganti. Ketepatan dan kestabilan pengukuran penganalisis oksigen sel bahan api adalah lemah, terutamanya apabila digunakan untuk mengukur sampel gas dengan lebih daripada 90% kandungan oksigen, hanyutan bulanan boleh mencapai lebih daripada 1%. Tambahan pula, adalah penting untuk diperhatikan bahawa apabila sel bahan api digunakan dengan elektrolit yang beralkali, ia tidak sesuai untuk analisis kandungan oksigen dalam gas berasid, manakala apabila elektrolit berasid, ia tidak sesuai untuk pengukuran gas beralkali.

1.3 Tindakan medan magnet (tindakan mekanikal medan)

Pengukuran kandungan oksigen melalui kaedah paramagnet adalah berdasarkan bahawa oksigen adalah bahan paramagnet, dan kerentanan isipadunya boleh mencapai k=1062×10-6(CGSM) pada 20°C. Kerentanan isipadu gas lain adalah jauh lebih kecil daripada oksigen (kecuali NO), jadi analisis kandungan oksigen melalui kaedah paramagnet sentiasa merupakan salah satu kaedah yang paling berkesan.

Penganalisis oksigen mekanikal magnetik merupakan salah satu instrumen perwakilan untuk menganalisis kandungan oksigen melalui kaedah paramagnet. Sensor oksigen ialah sepasang bola dumbbell kaca kuarza yang diisi dengan nitrogen, bola dumbbell dibalut dengan wayar platinum, membentuk gelung maklum balas elektrik, bola dumbbell digantung dalam medan magnet, dan pemantul kecil disusun di tengah. Sumber cahaya di dalam instrumen memancarkan pancaran cahaya, yang dipantulkan oleh pemantul dan diterima oleh pengesan cahaya yang diperbuat daripada komponen fotosensitif. Apabila molekul oksigen wujud di sekitar sfera dumbbell, molekul oksigen bergerak di bawah tindakan medan magnet, sfera dumbbell didorong untuk memesongkan, semakin tinggi kepekatan oksigen, semakin besar sudut pesongan, pesongan akan memacu pemantul, dan laluan cahaya pengesan cahaya juga dipesongkan. Pengesan cahaya akan mengesan pesongan dan menjana isyarat elektrik. Selepas penguatan oleh penguat, litar dibentuk oleh litar maklum balas, dan dumbbell kembali ke kedudukan keseimbangan utama di bawah tindakan medan magnet. Nilai arus dalam litar adalah berkadar dengan kandungan oksigen. Kandungan oksigen dalam sampel boleh diperolehi dengan mengukur nilai arus.

Kelebihan kaedah paramagnet untuk mengukur kandungan oksigen adalah pengukuran pada asasnya tidak terjejas oleh komponen yang tidak diukur dalam sampel gas (kecuali NO dan Xe), boleh digunakan untuk mengukur sampel gas dengan kandungan oksigen yang lebih tinggi, dan mempunyai kelebihan kelajuan tindak balas yang pantas dan kestabilan yang baik. Tetapi kaedah ini juga mempunyai kelemahannya, termasuk prarawatan sampel gas dan persekitaran pengukuran dan sebagainya keperluan yang lebih tinggi, tekanan sampel, habuk, tar, wap air dan sebagainya akan menjejaskan keputusan pengukuran, malah merosakkan sensor, selain memastikan penempatan mendatar instrumen, mengelakkan getaran, mengelakkan medan magnet yang kuat, persekitaran instrumen tidak boleh digunakan untuk peralatan kuasa atau talian kuasa yang lebih besar. Penganalisis oksigen paramagnet lebih berharga, struktur dalaman lebih kompleks dan harganya lebih tinggi.

1.4 Kaedah potensi kepekatan zirkonia

Tiub zirkonium oksida yang digunakan dalam kaedah potensi kepekatan zirkonium oksida ialah badan sinter seramik zirkonium oksida yang stabil yang dibentuk oleh bahan zirkonium oksida yang dicampur dengan sebahagian tertentu yttrium oksida atau kalsium oksida melalui sintering suhu tinggi. Kerana kewujudan molekul yttrium oksida atau kalsium oksida, lubang ion oksigen wujud dalam kekisi kubik zirkonium oksida, dan tiub zirkonium oksida ialah konduktor ion oksigen yang baik pada suhu tinggi. Kerana ciri ini, pada suhu tertentu, apabila kandungan oksigen dalam gas di kedua-dua belah tiub zirkonia berbeza, bateri kepekatan oksigen yang biasa terbentuk. Keseluruhan tiub zirkonia adalah berbentuk tiub, bahagian tengahnya dipisahkan oleh bahan zirkonia, dan lapisan logam berliang disinter pada kedua-dua belah zirkonia sebagai elektrod (platinum biasanya digunakan sebagai bahan elektrod). Pada suhu tertentu (600-1400°C), molekul oksigen di sisi dengan kandungan oksigen yang lebih tinggi terserap pada elektrod, di bawah pemangkinan platinum, tindak balas penurunan berlaku, dan elektron membentuk ion oksigen, iaitu:

Pada masa yang sama, elektrod sisi dicas positif untuk menjadi elektrod positif atau anod sel kepekatan oksigen. Ion oksigen berhijrah ke bahagian lain kristal zirkonium oksida dengan kandungan oksigen yang lebih rendah melalui lubang-lubang dalam kristal zirkonium oksida, dan elektron-elektron hilang pada elektrod platinum untuk membentuk molekul oksigen, iaitu:

Pada masa yang sama, elektrod dicas negatif untuk menjadi katod atau katod sel kepekatan oksigen. Potensi tersebut berkaitan dengan kandungan oksigen dalam gas yang diukur oleh zirkonium oksida. Ia selaras dengan persamaan Nernst.

Dalam formula:

E：Potensi kepekatan oksigen (mV)

R：Pemalar gas 8.3145 J/mol·K

T：273.15 + t (℃)

n：Suhu kerja (K) bagi prob zirkonium oksida yang ditunjukkan oleh suhu mutlak ialah 273.15 + t(°C).

F：Pemalar Faraday, 96485.3365 (C/mol)

P0：Tekanan separa oksigen dalam gas rujukan

P1：Tekanan separa oksigen dalam gas yang akan diukur

Persamaan ini merupakan asas untuk mengukur kandungan oksigen dalam gas melalui bateri kepekatan zirkonia. Dalam pengukuran sebenar, tiub zirkonia dipanaskan hingga 600~1400°C, bahagian rujukan tiub zirkonia diisi dengan gas dengan kandungan oksigen yang tinggi dan kandungan oksigen yang diketahui sebagai gas rujukan, seperti udara (P0=20.6%), manakala bahagian yang satu lagi diisi dengan gas yang hendak diukur, tekanan separa oksigen (P1) dalam gas yang hendak diukur boleh dikira dengan mengukur potensi kepekatan bateri E dan suhu mutlak prob zirkonia, sekali gus memperoleh kepekatan oksigen dalam gas yang hendak diukur.

Kaedah ini mempunyai kelebihan kepekaan yang tinggi, tindak balas yang pantas, julat linear yang luas, kebolehulangan dan kestabilan yang baik. Struktur dalaman penganalisis oksigen zirkonia adalah lebih ringkas daripada penganalisis oksigen magnetik, dan hampir tidak terjejas oleh keadaan persekitaran luaran seperti suhu, getaran, dan sebagainya, dan hampir tidak memerlukan penyelenggaraan selepasnya. Walau bagaimanapun, kekurangannya juga jelas, kerana ia perlu berada pada suhu elektron yang lebih tinggi dalam bahan zirkonia untuk bergerak, jadi instrumen mesti dilengkapi dengan relau pemanasan untuk memanaskan tiub zirkonia, yang juga menyebabkan instrumen analisis zirkonia memerlukan masa prapemanasan yang lama untuk digunakan secara normal. Dan kaedah zirkonia akan terjejas oleh gas penurunan dalam gas yang akan diukur semasa mengukur kepekatan oksigen, yang menghasilkan keputusan pengukuran yang lebih rendah, jadi ia tidak sesuai untuk mengukur kepekatan oksigen dalam sampel gas dengan kandungan gas penurunan yang lebih tinggi atau gas penurunan, terutamanya apabila mengukur sampel gas dengan kepekatan oksigen ppm, adalah lebih perlu untuk mempertimbangkan pengaruh gas penurunan dalam sampel terhadap keputusan pengukuran. Di samping itu, apabila kepekatan oksigen dalam sampel gas yang hendak diukur adalah lebih tinggi daripada kepekatan oksigen di udara (20.6%), selain menggunakan gas dengan kepekatan yang lebih tinggi sebagai gas rujukan untuk memastikan potensi kepekatan adalah positif, tangki pengesanan zirkonium oksida perlu diubah suai, sekali gus meningkatkan kos instrumen dengan ketara.

1.5 Kaedah pengukuran oksigen laser

Kaedah pengukuran oksigen laser adalah berdasarkan ciri-ciri bahawa molekul oksigen boleh menyerap laser panjang gelombang tertentu, pancaran laser panjang gelombang tetap dengan keamatan cahaya yang diketahui dijana oleh diod laser di dalam instrumen, pancaran laser disuntik ke dalam kolam pengukur yang diisi dengan sampel gas yang akan diukur, selepas memantulkan bolak-balik beberapa kali antara dua cermin di kedua-dua belah kolam pengukur, sebahagian daripada cahaya diserap oleh oksigen dalam sampel gas, dan cahaya yang tinggal dipantulkan ke kutub pengumpul dan ditangkap.

Menurut hukum Bill, nisbah keamatan pancaran yang diserap kepada keamatan asal adalah berkadar terus dengan kandungan oksigen dalam sampel gas:

Ln[I0/I] = S × L × N

Dalam Formula:

I0: keamatan cahaya asal

I: Keamatan cahaya sisa yang diserap oleh oksigen dalam sampel gas

S:Pemalar Penyerapan Oksigen kepada Laser Panjang Gelombang Tertentu

L:panjang laluan optik

N:Bilangan molekul oksigen pada laluan optik berkaitan dengan kandungan oksigen dalam gas sampel.

Oleh itu, kandungan oksigen dalam sampel gas boleh diperoleh dengan mengukur keamatan cahaya asal dan keamatan cahaya yang diserap. Memandangkan panjang gelombang laser yang dipilih adalah spesifik, keputusan pengukuran hampir tidak terjejas oleh gas lain. Menggunakan I/I0 untuk mengira hampir dapat menghapuskan pengaruh keamatan cahaya, pantulan cermin dan perubahan peralatan elektrik. Pada masa ini, harga instrumen yang dihasilkan dengan menggunakan prinsip ini agak tinggi, dan kestabilan prestasi perlu dipertingkatkan lagi.

Teknologi aliran ion 3D

Prinsip kerja sensor oksigen aliran ion 3D ditunjukkan dalam Rajah 1.

Elektrod platinum disalut pada kedua-dua belah ZrO2 yang distabilkan, dan bahagian katod disambungkan oleh penutup dengan lubang resapan gas untuk membentuk rongga katod. Pada suhu tertentu, apabila kedua-dua belah elektrod ZrO2 ditambah dengan voltan tertentu, molekul oksigen dalam rongga memperoleh ion oksigen pembentuk elektron (O2-) di katod, O2- bergerak ke anod melalui kekosongan oksigen ZrO2, elektron dilepaskan dan menjadi gas molekul oksigen yang akan dilepaskan, fenomena ini dipanggil pam elektrokimia, jadi oksigen dalam rongga katod dipam keluar dari rongga secara berterusan oleh elektrolit ZrO2, dan arus terbentuk dalam gelung. Apabila pecahan mol oksigen adalah malar, voltan meningkat dan keamatan arus meningkat. Apabila voltan melebihi nilai tertentu, keamatan arus mencapai tepu, yang merupakan hasil daripada resapan oksigen melalui lubang kecil ke dalam rongga katod yang dihadkan oleh lubang kecil. Arus tepu ini dipanggil arus ionik. Mekanisme resapan gas dalam lubang kecil menentukan sifat sensor. Terdapat dua jenis aliran ion dalam resapan lubang kecil, iaitu resapan molekul dan resapan Knudsen. Apabila diameter liang lebih besar daripada diameter purata molekul gas, arus ion IL dalam kawasan resapan ialah:

Dalam formula, pemalar F-Faraday; D—Pekali resapan molekul oksigen dalam ruang bebas; S—luas keratan rentas lubang resapan; L—panjang lubang resapan; C—pecahan mol oksigen di sekeliling sensor; CT—Pecahan molar keseluruhan bahan gas. Apabila C/CT<1, daripada formula (1), nilai arus ion menjadi berkadar dengan pecahan mol oksigen, dan nilai arus ion IL ialah:

Daripada formula (2), arus ionik dan pecahan mol oksigen hampir linear. Pecahan mol oksigen dalam gas yang diukur boleh ditentukan mengikut arus keluaran.

Oksigen yang dibekalkan kepada katod sensor dikawal dengan substrat seramik berliang sebagai lapisan resapan, yang menggunakan LSM sebagai lapisan penghalang resapan padat dengan struktur jenis lapisan berliang, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.

Rajah 2 Sensor oksigen lapisan berliang

Aliran ion sensor oksigen jenis lapisan berliang adalah sama seperti formula (2).

Dalam formula, pemalar F-Faraday; Pekali resapan berkesan oksigen dalam lapisan Deff-porous. S—luas katod; Ketebalan substrat lapisan berliang-L; C—Pecahan mol oksigen di sekeliling sensor. Daripada formula (3), nilai arus had sensor oksigen lapisan berliang adalah linear dengan pecahan mol oksigen.

ciri-ciri voltan-arus

Ciri-ciri voltan dan arus sensor ditunjukkan dalam Rajah 3 dalam gas ambien berkepekatan oksigen yang berbeza.

Rajah 3 Gambarajah Skematik Ciri-ciri Voltan dan Arus Sensor

Lengkung hubungan antara arus ion 3D dan kepekatan oksigen ditunjukkan dalam Rajah 4.

Rajah 4 Plot Lengkung Arus Ion dan Kepekatan Oksigen

3. Perbandingan dengan "kaedah penyerapan larutan kuprum ammonia":

Institut Metrologi dan Teknologi Pengukuran Shanghai telah membandingkan meter oksigen aliran ion yang dihasilkan oleh Chang Ai dengan kaedah penyerapan larutan kuprum ammonia. Instrumen tersebut telah dikalibrasi dengan O2 dalam 24.1%He, dan kemudian "Kaedah Penyerapan Larutan Cu-Ammonia" yang dihantar oleh sebuah syarikat telah digunakan untuk mengukur kandungan oksigen gas tersebut, instrumen tersebut menunjukkan 97.71%. Selepas beberapa hari, instrumen tersebut diukur beberapa kali, julat paparan adalah antara 97.65% dan 97.89%. Jelas sekali, ia mempunyai kebolehulangan, kestabilan dan ralat yang kecil. Instrumen tersebut boleh distabilkan selama beberapa minit selepas dihidupkan. Sampel boleh diukur selama kira-kira enam minit.

4. Membandingkan beberapa prinsip yang berbeza

5. Aplikasi analisis oksigen aliran ion 3D

Siri penganalisis oksigen aliran ion 3D yang dihasilkan di China telah dipasarkan pada tahun 2004. Dalam tempoh 10 tahun amalan dan penggunaan pasaran yang lalu, ia telah mencapai hasil yang luar biasa. Ia mempunyai bahagian pasaran tertentu dalam pasaran analisis proses pemisahan udara, terutamanya dalam industri pembuatan oksigen perubatan, dan yakin bahawa ia akan mendapat tempat dalam "piawaian kebangsaan". Ia bukan sahaja praktikal di makmal, instrumen mudah alih juga boleh digunakan di mana-mana, terutamanya dalam analisis dalam talian yang boleh menggantikan "oksigen magnetik".

Wenfeng Iron and Steel, Longhai Iron and Steel, Tangshan Iron and Steel, Shanghai Baosteel Group, Xinjiang Bayi Iron and Steel, Dayangritic Acid, Shanxi Jianbang Group, Shandong Laigang Tianyuan Gas, Henan Shenma Nylon Chemical, Shanxi Lanxing Chemical, Ningbo Linde Gas, Shougang Changzhi Iron and Steel, dan sebagainya, semuanya telah menggunakan pengesan oksigen aliran ion, yang memecahkan pengesanan oksigen kandungan tinggi dalam sistem analisis proses pemisahan udara, telah dikuasai oleh prinsip oksigen magnetik, meletakkan asas yang kukuh untuk produk rumah, dan menjadikan pengguna di seluruh dunia digemari.

Penganalisis oksigen siri CI-PC84

Parameter teknikal:

Julat pengukuran: 10% ~ 95% / 99.99%, 0 ~ 40% O2 (Sila semak penerangan papan nama)

Sensor: Sensor oksigen aliran ion baharu

Ketepatan: ≤±1%FS

Kebolehulangan: ≤±0.5%FS

Kestabilan: <±0.5%FS/7d

Masa tindak balas: T90 <15s

Jangka hayat sensor: Lebih daripada 5 tahun (penggunaan biasa)

Jangka hayat instrumen: Lebih daripada 6 tahun (penggunaan biasa)

Dimensi: Lihat Rajah 1 hingga 4

Berat instrumen: 2kg kira-kira 2 kg

Bekalan kuasa: Penggunaan kuasa kurang daripada 10VA

Suhu ambien: 0～45℃

Kelembapan persekitaran: <80% RH

Aliran sampel: 400～600ml/min

Tekanan sampel: 86～106kPa

set bebas output nalog: 4-20mA/0-20mA/0-1V/0-5V/0-10V/1-5V

Komunikasi: RS485 (standard)/232 (pilihan)

Output amaran: 2 set output suis penggera kepekatan