Kelebihan Penganalisis Oksigen Aliran Ion 3D Dalam Pengesanan Kandungan Tinggi

Kelebihan Penganalisis Oksigen aliran ion 3D dalam pengesanan kandungan tinggi

Yan Huai Zhi

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

Ringkasan: Selama bertahun-tahun, parameter kandungan oksigen yang tinggi telah menjadi asas pengawal gas/udara perindustrian. Pada masa ini, kaedah utama yang digunakan untuk mengukur oksigen berlebihan ialah kaedah penyerapan larutan kuprum ammonia, sensor oksigen berlebihan paramagnet, sensor oksigen elektrokimia, zirkonia (ZrO2) dan sebagainya. Kertas kerja ini memperkenalkan tujuh prinsip pengukuran oksigen dan pengukuran persekitaran oksigen kandungan tinggi.

Kata kunci: Kaedah penyerapan larutan kuprum-ammonia, zirkonium oksida, arus ion, oksigen kandungan tinggi, jenis mekanikal magnetik.

Prinsip pengukuran oksigen yang biasa:

1. Kaedah penyerapan larutan kuprum-amonia

Larutan kuprum-ammonia disediakan dengan ammonium klorida, kuprum tulen dan air ammonia. Apabila sejumlah gas (oksigen) tertentu disentuh dengan larutan kuprum-ammonia, dengan kehadiran air ammonia, oksigen (O2) bertindak balas dengan kuprum (Cu) untuk menghasilkan kuprum oksida (CuO) dan kuprum oksida (Cu2O), dan tindak balas kimia berikut berlaku:

Kuprum oksida (CuO) dan kupro oksida (Cu2O) dihasilkan melalui tindakan air ammonia dan ammonium klorida, dan garam kuprum valens tinggi larut Cu(NH3)2Cl2 dan garam kuprum valens rendah Cu(NH3)2Cl dihasilkan. Garam kuprum harga rendah menyerap oksigen dan bertukar menjadi garam kuprum harga tinggi, garam kuprum harga tinggi dikurangkan oleh kuprum menjadi garam kuprum harga rendah, dan garam kuprum harga rendah bertindak balas dengan oksigen. Tindakan kitaran dijalankan sehingga penggunaan oksigen dalam gas selesai, dan kemudian peratusan kepekatan isipadu oksigen dalam gas boleh diperolehi mengikut pengurangan isipadu gas. Selagi kuprum tulen yang mencukupi wujud dalam keseluruhan proses, tindak balas kimia boleh diteruskan.

2. Kaedah bateri kepekatan zirkonium oksida

Elektrod platinum (Pt) berliang disinter pada kedua-dua belah elektrolit zirkonium oksida (tiub ZrO2), dan pada suhu tertentu, apabila kepekatan oksigen pada kedua-dua belah elektrolit berbeza, molekul oksigen pada bahagian berkepekatan tinggi (udara) diserap pada elektrod platinum dan digabungkan dengan elektron (4e) untuk membentuk ion oksigen O2-, yang menyebabkan elektrod bercas positif, dan ion O2- dipindahkan ke elektrod Pt pada bahagian berkepekatan rendah melalui kekosongan ion oksigen dalam elektrolit untuk melepaskan elektron, yang ditukar menjadi molekul oksigen, supaya elektrod bercas negatif. Mod tindak balas kedua-dua elektrod ialah: Bahagian Rujukan：O2+4e——2O2- Bahagian Pengukuran：2O2-－4e——O2

Oleh itu, daya gerak elektrik tertentu dijana antara dua elektrod, elektrolit zirkonia, elektrod Pt dan gas dengan kepekatan oksigen yang berbeza pada kedua-dua belah pihak membentuk prob oksigen, iaitu bateri kepekatan zirkonia. Daya gerak elektrik E antara dua peringkat diperoleh daripada formula Nernst:

Dalam E=RT/nFln(P0/P1), output bateri kepekatan-E; n—nombor pemindahan elektron (4 dalam formula ini); pemalar gas ideal-R, 8.314 W·S/mol; T—suhu mutlak (K); pemalar F-Faraday, 96500 C; P1—peratusan kepekatan oksigen gas yang hendak diukur; P0—Peratusan kepekatan oksigen gas rujukan.

Formula ini merupakan asas pengukuran oksigen bateri kepekatan zirkonium oksida. Apabila suhu tiub zirkonium oksida dipanaskan kepada 600-1400°C, gas pada bahagian kepekatan tinggi digunakan sebagai gas rujukan dengan kepekatan oksigen yang diketahui, seperti udara (P0=20.60%), daya gerak elektrik output E bateri kepekatan dan suhu mutlak T gas yang diukur diukur, dan tekanan separa oksigen (kepekatan) P0 gas yang diukur boleh dikira, yang merupakan prinsip asas bateri kepekatan zirkonium oksida.

3. Kawasan luas zirkonia

Komponen sensor oksigen jalur lebar mempunyai dua bahagian: Satu ialah ruang induksi, yang satu lagi ialah pam oksigen.

Ruang pengesan, satu sisi yang bersentuhan dengan atmosfera dan sisi yang lain adalah ruang ujian, bersentuhan dengan ekzos melalui lubang resapan, sama seperti sensor oksigen zirkonia biasa, kerana kandungan oksigen di kedua-dua belah ruang pengesan adalah berbeza, daya elektromotif Us dijana, sensor zirkonia biasa mengambil voltan sebagai isyarat input unit kawalan untuk mengawal nisbah udara-bahan api, tetapi sensor oksigen kawasan luas berbeza daripada ini: Unit kawalan enjin untuk menjadikan kandungan oksigen kedua-dua belah ruang induksi konsisten, mengekalkan nilai voltan pada 0.45V, voltan ini hanya nilai piawai rujukan komputer, ia memerlukan bahagian lain sensor untuk disiapkan.

Oksigen pam disambungkan ke ruang ujian di satu sisi dan ekzos di sisi yang lain. Oksigen pam menggunakan prinsip tindak balas sensor zirkonia untuk mengenakan voltan kepada komponen zirkonia (oksigen pam), yang akan menyebabkan pergerakan ion oksigen, mengepam oksigen dalam gas ekzos ke dalam ruang ujian, supaya nilai voltan kedua-dua belah ruang induksi dikekalkan pada 0.45V, voltan yang dikenakan pada oksigen pam adalah isyarat kandungan oksigen yang kita inginkan. Jika campuran terlalu pekat, kandungan oksigen dalam gas ekzos berkurangan, dan oksigen dari lubang resapan lebih banyak, dan voltan ruang induksi meningkat. Untuk mencapai keseimbangan, unit kawalan enjin meningkatkan arus kawalan untuk meningkatkan kecekapan oksigen pam dan kandungan oksigen ruang ujian, supaya voltan ruang induksi boleh diselaraskan kepada 0.45V; Sebaliknya, apabila campuran terlalu nipis, kandungan oksigen dalam gas ekzos meningkat. Pada masa ini, oksigen akan memasuki ruang ujian dari lubang resapan, dan voltan ruang induksi akan dikurangkan. Pada masa ini, oksigen pam akan dinyahcas keluar untuk mengimbangi kandungan oksigen dalam ruang ujian, supaya voltan ruang induksi akan dikekalkan pada 0.45V. Pendek kata, voltan yang ditambah pada oksigen pam boleh memastikan bahawa apabila oksigen dalam rongga ujian lebih banyak, oksigen dalam rongga dinyahcas, maka arus kawalan unit kawalan enjin adalah positif; Apabila oksigen dalam rongga kecil, oksigen dibekalkan, dan arus kawalan unit kawalan enjin adalah negatif. Arus yang dibekalkan kepada oksigen pam dalam proses di atas mencerminkan faktor kandungan udara berlebihan dalam gas ekzos.

4. Elektrokimia

Sensor elektrokimia terdiri daripada elektrod logam + elektrod plumbum (atau grafit) + elektrolit, kepingan logam sentuh sebagai plumbum elektrod masing-masing disambungkan dengan katod dan anod, dan elektrolit melimpah melalui beberapa lubang bulat pada permukaan atas katod untuk membentuk lapisan elektrolit nipis. Lapisan elektrolit ditutup dengan filem politetrafluoroetilena (PTFE) yang telap gas. Gas sampel memasuki elektrolit lapisan nipis melalui membran telap dan menjalani tindak balas kimia. Contohnya, apabila perak digunakan sebagai elektrod logam, oksigen dalam gas sampel menjalankan tindak balas elektrokimia berikut pada elektrod:

katod perak：O2+2H2O+4e-→4OH-

anod plumbum：2Pb+4OH-→2PbO+2H2O+4e-

tindak balas sintesis bateri：O2+2Pb→2PbO

Arus yang dihasilkan oleh ion OH- adalah berkadar terus dengan kepekatan oksigen dalam gas sampel.

5. Jenis mekanikal magnetik

Sebarang jirim boleh diinduksi kepada kemagnetan di bawah tindakan medan magnet luaran. Kerentanan magnet k dan kebolehtelapan relatif μr bagi pelbagai bahan juga berbeza disebabkan oleh komposisi struktur jirim yang berbeza.

Apabila μr>1,k>0, jirim atau gas boleh ditarik oleh medan magnet, yang dipanggil jirim paramagnetik. Oksigen ialah bahan paramagnetik, dan kerentanan isipadunya ialah k=106.2×10-6 pada 20°C. Apabila μr<1,k<0, jirim atau gas itu ditolak oleh medan magnet, yang dipanggil jirim diamagnetik. Nitrogen ialah bahan diamagnetik, dan kerentanan pukal k=-0.34×10-6 pada 20°C. Hanya kerentanan magnet O2 dalam pelbagai gas adalah yang terbesar, dan kerentanan magnet gas lain adalah sangat kecil berbanding kerentanan magnet pukal oksigen (kecuali NO). Kerentanan magnet isipadu gas campuran terutamanya ditentukan oleh kerentanan magnet isipadu oksigen dan peratusan kandungannya. Peratusan kandungan oksigen dalam gas campuran boleh diperolehi selagi kerentanan magnet isipadu pencampuran-k gas campuran boleh diukur.

Meter oksigen magnetik adalah berdasarkan prinsip keparamagnetan oksigen dan kerentanan magnet maksimum untuk menganalisis kandungan oksigen dalam gas campuran.

Sensor mekanikal magnetik terdiri daripada sepasang bola dumbbell kaca kuarza yang diisi dengan nitrogen, bola dumbbell dikelilingi oleh dawai platinum, membentuk gelung maklum balas elektrik, bola dumbbell digantung dalam medan magnet, dan reflektor kecil disusun di tengah-tengah bola dumbbell. Apabila terdapat molekul oksigen di sekeliling dumbbell, molekul-molekul tersebut menolak sfera dumbbell untuk memesongkan di bawah tindakan medan magnet. Semakin tinggi kepekatan oksigen, semakin besar sudut pesongan. Sistem optik jitu yang terdiri daripada sumber cahaya, reflektor dan elemen fotosensitif akan mengukur pesongan ini dan menukarkannya kepada isyarat elektrik. Selepas isyarat dikuatkan oleh penguat, gelung arus dibentuk melalui litar maklum balas, dan di bawah tindakan medan magnet, dumbbell terpaksa kembali ke kedudukan keseimbangan asal. Nilai arus dalam litar ini adalah berkadar dengan kepekatan oksigen.

6. Laser

Prinsip pengukuran oksigen laser ialah: Laser inframerah pada satu sisi pemancar dipancarkan ke penerima di sisi yang bertentangan. Teknik pengukuran adalah berdasarkan perbezaan penyerapan cahaya oleh molekul gas. Kebanyakan gas hanya menyerap cahaya dengan panjang gelombang tertentu, dan penyerapan cahaya adalah pantulan langsung kandungan gas.

Panjang gelombang laser boleh diperoleh dengan mengimbas garis penyerapan yang dipilih, dan keamatan cahaya yang dikesan berbeza-beza mengikut panjang gelombang laser disebabkan oleh penyerapan molekul gas tertentu pada laser diod dan pengesan. Untuk meningkatkan kepekaannya, teknik modulasi panjang gelombang boleh digunakan: Apabila garis penyerapan diimbas, panjang gelombang laser dilaraskan sedikit. Isyarat harmonik kedua digunakan untuk mengukur kepekatan gas penyerap. Memandangkan garis penyerapan gas lain tidak wujud pada panjang gelombang tertentu, tiada gangguan langsung daripada gas lain. Kepekatan gas yang diukur adalah berkadar terus dengan amplitud garis penyerapan.

7. Aliran ion zirkonia

Prinsip kerja sensor oksigen aliran ion 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 ketepuan, yang merupakan hasil daripada resapan oksigen melalui lubang kecil ke dalam rongga katod yang dihadkan oleh lubang kecil. Arus ketepuan ini dipanggil arus had. Mekanisme resapan gas dalam lubang kecil menentukan sifat sensor. Terdapat dua had untuk resapan lubang kecil, iaitu resapan molekul dan resapan Knudsen. Apabila diameter liang lebih besar daripada diameter purata molekul gas, arus pengehad 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 had adalah berkadar dengan pecahan mol oksigen, nilai arus had IL ialah:

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

Substrat seramik berliang digunakan sebagai lapisan resapan untuk mengawal oksigen yang dibekalkan kepada katod sensor, dan struktur sensor oksigen jenis lapisan berliang ditunjukkan dalam Rajah 2.

Rajah 2 Sensor oksigen lapisan berliang

Arus pengehad sensor oksigen 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.

Pengukuran oksigen berkepekatan tinggi

Prinsip pengukuran kepekatan oksigen yang dinyatakan di atas tidak semuanya digunakan untuk pengukuran oksigen kandungan tinggi. Contohnya, zirkonia mempunyai kawasan yang luas, kepekatan oksigen adalah kira-kira 80%, arus maksimum sensor, jika kepekatan oksigen terus meningkat akan menyebabkan kerosakan pada sensor, dan sensor jenis ini perlu memanaskan suhu tiub zirkonia kepada 600-1400°C untuk mengukur dengan tepat, mempunyai batasan yang besar; Sensor elektrokimia tergolong dalam sel bahan api, tindak balas kimia dalaman sensor tidak dapat dipulihkan, anod (plumbum atau grafit) terus teroksida (menjadi oksida plumbum atau CO2) dalam tindak balas, sehingga anod habis, sama seperti sesetengah bahan api teroksida dan terbakar, jadi hayat sensor elektrokimia berkaitan dengan kepekatan oksigen yang diukur, kepekatannya lebih besar, penggunaan anod lebih lama, hayat sensor lebih pendek dan hanyutan bulanan adalah kira-kira 1% apabila kepekatan oksigen lebih tinggi daripada 90%.

Oleh itu, untuk pengukuran oksigen berkepekatan tinggi, biasanya menggunakan aliran ion zirkonium oksida, mekanikal magnetik, kaedah penyerapan larutan kuprum ammonia dan sebagainya.

Pengukuran oksigen mekanikal magnetik merupakan teknologi matang, kelebihan utamanya ialah:

Ia tidak terjejas oleh variasi komponen yang tidak diukur dalam gas campuran

Reaksi pantas

Kestabilan yang baik

Kelemahan utama:

Pra-rawatan gas sampel memerlukan tekanan yang lebih tinggi, habuk, tar, wap dan sebagainya boleh menjejaskan ketepatan pengukuran dengan mudah, malah menyebabkan kerosakan sensor.

Terdedah kepada kesan persekitaran kerja seperti mendatar, getaran, medan magnet persekitaran.

Dalam proses eksperimen, kaedah penyerapan larutan kuprum ammonia boleh digunakan untuk mengubah penggunaan dawai kuprum, suhu ambien, tekanan ambien dan komponen gas.

Peratusan isipadu oksigen dalam gas campuran yang diukur dengan kaedah penyerapan larutan kuprum-amonia adalah bebas daripada suhu dan tekanan persekitaran, sepadan dengan komponen gas yang sama, dan nilai yang diukur dalam persekitaran atmosfera yang berbeza sepatutnya sama. Walau bagaimanapun, apabila gas mengandungi gas pengoksidaan lain, ia akan lebih terganggu.

Apabila aliran ion zirkonium oksida digunakan untuk mengukur kepekatan kandungan oksigen yang tinggi, hanya oksigen yang boleh dicas dalam katod elektrolit pepejal dan melalui elektrolit pepejal, dan nilai arus had adalah berkadar terus dengan pecahan mol oksigen, jadi sensor mempunyai ketepatan pengukuran yang tinggi dan julat pengukuran yang luas (0-100%), tidak terjejas oleh kekotoran, tekanan dan suhu ambien, mempunyai kestabilan yang baik dan penggunaan kuasa yang rendah.

Pada masa ini, terdapat beberapa penganalisis oksigen kandungan tinggi berdasarkan sensor oksigen jenis aliran ion zirkonia di dalam dan luar negara, hanya 3-4 syarikat di dunia, seperti British Shi Fu Mei, Jerman Bille dan sebagainya. Disebabkan harga penganalisis jenis ini yang tinggi, ia sukar untuk digunakan secara meluas dalam bidang pengukuran oksigen kandungan tinggi. Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd. berdasarkan pengalaman pembangunan dan reka bentuk penganalisis gas selama bertahun-tahun, memperkenalkan satu siri sensor oksigen aliran ion zirkonia berdasarkan CI2000-CY, GNL-2100L, SP-980L, GNL-6100 dan penganalisis oksigen kandungan tinggi yang lain, bukan sahaja mempunyai prestasi jenis produk yang sama di luar negara, tetapi juga menyelesaikan masalah harga tinggi penganalisis jenis ini, menyediakan lebih banyak pilihan untuk pengguna domestik dan asing.

Parameter teknikal penganalisis oksigen kandungan tinggi Chang Ai:

Julat pengukuran: 10.000 ~ 99.999%

Ketepatan ukur：±2%FS

Masa tindak balas：T90≤20 S

Kestabilan：<±1%FS/7d

Uji suhu persekitaran：0～50℃

Uji kelembapan persekitaran: <80% RH

Aliran gas sampel：400～600ml/min

Tekanan gas sampel:0.05MPa≤入口压力≤0.2 MPa

Permohonan：

Industri pemisahan udara

Industri kimia dan peleburan

Pengesanan kepekatan oksigen dalam relau suhu tinggi

Pengesanan kepekatan oksigen dalam gas pelindung semikonduktor

Penentuan kepekatan oksigen dalam proses penanaman haiwan dan tumbuhan, pemprosesan dan penyimpanan sayur-sayuran dan makanan

Pengukuran kepekatan oksigen dalam kapal, pusat arahan bawah tanah, terowong, telaga dalam, projek pertahanan udara awam dan terowong bandar, dsb.

Rujukan:

Weng Xiao Ping. Penambahbaikan Sistem Prarawatan Penganalisis Oksigen Mekanikal Magnetik [J], Baoshan Iron & Steel Co., Ltd. (Shanghai), 201900.

Zhang Hui dan Liu Yingshu. Analisis Faktor-faktor yang Mempengaruhi Penentuan Oksigen melalui Penyerapan Larutan Kuprum-Amonia [J], Universiti Sains dan Teknologi Beijing, 2010.

Wu Qiang dan Liu Zhong. Penyelidikan tentang Sensor Oksigen Arus Ekstrem [A], Kumpulan Teknologi Elektronik Institut Penyelidikan China ke-49.