Pengenalan dan pembangunan aplikasi penganalisis suhu dan kelembapan tinggi dalam talian gas serombong
Pengenalan dan pembangunan aplikasi penganalisis suhu dan kelembapan tinggi dalam talian gas serombong
Kata Pengantar
Pengukuran kelembapan gas serombong dalam gas ekzos sumber pencemaran tetap adalah terutamanya untuk mendapatkan kandungan oksigen berasaskan kering bagi mengira kandungan sebenar gas serombong dan pelepasan pencemaran gas. Disebabkan suhu tinggi gas serombong basah, jumlah habuk yang banyak, dan perbezaan besar komponen gas serombong dandang atau relau perindustrian yang digunakan dalam bidang perindustrian seperti loji janakuasa haba, loji petrokimia, loji pembakaran sampah, loji pembuatan keluli, dan sebagainya, di samping itu, pengukuran kelembapan di dunia merupakan masalah yang sukar, jadi pengesanan kelembapan gas serombong dalam talian adalah sangat sukar. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, pengukuran suhu tinggi dan kelembapan gas serombong domestik kebanyakannya dilakukan dengan tangan, iaitu, mengikut keperluan GB/T 16157-1996 "Kaedah Menentukan Bahan Zarah dan Pensampelan Pencemar Gas dalam Ekzos Sumber Pencemaran Tetap", kaedah kaedah berat, kaedah pemeluwapan dan kaedah bola kering-basah telah dipilih untuk menentukannya, dan nilai purata dimasukkan ke dalam sistem CEMS. Dengan perkembangan dan kemajuan teknologi serta perhatian terhadap perlindungan alam sekitar negara, pada masa ini terdapat empat jenis kaedah pengukuran suhu dan kelembapan tinggi gas serombong dalam talian di China: 1. Kaedah kapasitans rintangan 2. Kaedah prinsip zirkonium oksida jenis arus had 3. Kaedah suntikan hentaman (bola kering dan basah) 4. Kaedah penyerapan spektrum inframerah.
1. Kaedah kapasitans rintangan
Kaedah rintangan-kapasitans yang digunakan dalam pengukuran suhu dan kelembapan tinggi gas serombong di China ialah kaedah kapasitans. Sensor yang digunakan dalam kaedah ini kebanyakannya menggunakan polimida sebagai bahan sensitif kelembapan. Kapasitans sensitif kelembapan polimer yang diperbuat daripada bahan ini mempunyai prestasi elektrik yang baik, dan pemalar dielektrik dan kehilangan dielektriknya sangat kecil. Pemalar dielektrik polimida ialah 2~3 dalam keadaan pengeringan lengkap, dan pemalar dielektrik molekul air ialah kira-kira 80 pada 20°C. Pemalar dielektrik kebangkitan selepas penjerapan molekul air ialah:
εu=εr+aWuεh (1)
Wu=b(p/p0) εr + aWuεh （2）
εu ialah kelembapan relatif bagi pemalar dielektrik komposit u%RH, εr ialah kelembapan 0%RH, pemalar dielektrik filem polimida, a, b ialah pemalar struktur, εh ialah pemalar dielektrik air yang terserap dalam filem polimida, Wu ialah kelembapan u%RH, jisim air yang terserap oleh jisim unit polimer, p/p0 ialah tekanan relatif keseimbangan wap air. Apabila kapasitans sensitif kelembapan makromolekul menyerap molekul air gas dalam persekitaran, pemalar dielektrik bahan berubah, sekali gus menyebabkan nilai kapasitans berubah; nilai kelembapan persekitaran yang sepadan dikira dengan mengukur nilai kapasitans perubahan tersebut. Pada masa ini, kapasitor sensitif kelembapan polimer sensor kapasitans yang digunakan dalam pengukuran suhu tinggi dan kelembapan dalam gas serombong menggunakan struktur kapasitor rata, yang kebanyakannya terdiri daripada substrat substrat kaca, elektrod bawah, filem sensitif kelembapan polimer, elektrod atas dan sebagainya. Menurut formula kapasitor rata, hubungan antara kapasitans dan kelembapan relatif boleh dinyatakan sebagai
Rajah 1 Gambarajah Struktur Kapasitans Sensitif Kelembapan Polimer
Nilai kapasitans bagi kapasitans sensitif kelembapan Ch, ε0 ialah pemalar dielektrik vakum, S ialah luas elektrod kapasitans sensitif kelembapan, D ialah jarak antara elektrod kapasitans sensitif kelembapan, dan juga ketebalan filem sensitif kelembapan. Daripada formula (1), (2) dan (3), dapat dilihat bahawa hubungan antara kapasiti penjerapan molekul air bagi kapasitans sensitif kelembapan dan tekanan relatif keseimbangan wap air harus mematuhi isoterma penjerapan Herry, iaitu, hubungan antara kapasiti kapasitans dan kelembapan relatif adalah linear.
Secara ringkasnya, kita dapat melihat bahawa pengukuran kelembapan suhu tinggi mencerminkan kelembapan relatif dalam gas serombong melalui kaedah isipadu rintangan, mengikut definisi kelembapan relatif: Kelembapan relatif boleh dinyatakan sebagai nisbah tekanan air kepada tekanan wap air tepu pada suhu dan tekanan tertentu. Mengikut definisi, kelembapan relatif dan suhu berkait rapat, dalam aplikasi praktikal, kita memerlukan nilai kelembapan gas serombong iaitu nisbah isipadu, mudah untuk mengira kandungan oksigen kering dalam gas serombong. Oleh itu, untuk mengira nisbah isipadu wap air dalam gas serombong, adalah perlu untuk mengukur suhu ambien sensor kelembapan.
Mengikut penggunaan sebenar meter kelembapan gas serombong bagi kaedah rintangan-kapasitans, kaedah rintangan-kapasitans mempunyai ciri-ciri masa tindak balas yang cepat, isipadu yang kecil, dan tidak mudah rosak apabila air terkondensasi. Kelemahannya ialah suhu gas serombong tidak boleh melebihi 170°C, semakin tinggi suhu, semakin mudah data akan berubah-ubah dan nisbah isipadu kurang daripada 6%, kelembapan tidak mudah diukur. Sebabnya ialah kelembapan adalah 0-40% (nisbah isipadu) gas air (lebih daripada 30°C), dengan suhu (lebih daripada 100°C) sepadan dengan tekanan air tepu, semakin besar kelembapan relatif, semakin kecil perubahan kapasiti yang sepadan. Tetapi julat atau resolusi perubahan kapasitans adalah terhad. Ketiga, gas serombong pembakaran sisa, gas serombong metalurgi dan sebagainya sering mempunyai kekaratan tertentu, elektrod mudah gagal dan jangka hayatnya sangat pendek.
2. Kaedah prinsip untuk mengehadkan zirkonia semasa
Zirkonia jenis arus terhad berfungsi dengan menggunakan prinsip pam oksigen zirkonia
Iaitu, pertama, elektrolit pepejal zirkonia dipanaskan pada suhu tinggi (lebih daripada 350°C), secara serentak, voltan kerja dikenakan pada elektrod platinum pada kedua-dua belah elektrolit pepejal zirkonia, molekul oksigen pada bahagian katod dimangkinkan menjadi ion oksigen dan didorong oleh voltan yang dikenakan untuk 'mengepam' ke anod. Arus keluaran sensor tidak meningkat dengan peningkatan voltan yang dikenakan apabila kepekatan oksigen di atmosfera adalah pasti, tetapi mencapai nilai malar, yang dipanggil nilai arus had di bawah kepekatan oksigen, dan secara amnya dipanggil platform arus had pertama I1. Mengikut prinsip ini, dengan meletakkan sensor arus had dalam persekitaran yang mengandungi wap air dan meningkatkan voltan yang dikenakan, nilai arus had yang ketara boleh diukur, biasanya dikenali sebagai peringkat arus had kedua I2, walaupun nilai arus ini mengandungi molekul oksigen dan molekul air yang terion. Kedua-dua nilai arus had adalah berkadar terus dengan kandungan oksigen dalam persekitaran dan kandungan oksigen yang mengandungi wap air. Mekanisme tindak balas mikro zirkonia pada katod dan anod adalah seperti berikut:
sisi katod O2+4e-→2O2- (1)
H2O+2e-→H2+O2- (2)
Bahagian anod O2-→1/2O2+2e- (3)
Rajah 2 Struktur sensor zirkonium oksida jenis arus had
Menurut peraturan Ficks had lubang resapan gas sensor, di bawah andaian bahawa pekali resapan oksigen dan wap air adalah sama, nilai arus had kedua boleh dinyatakan seperti berikut:
Dalam formula: F ialah pemalar Faraday
D ialah pekali resapan gas pencampuran
S ialah luas lubang pengehad arus zirkonium oksida (lubang resapan)
P ialah tekanan keseluruhan gas campuran
R ialah pemalar gas
T ialah suhu operasi zirkonia (K)
L ialah panjang lubang resapan gas
Kandungan oksigen dalam gas serombong boleh dikira mengikut arus had pertama, dan kelembapan dalam gas serombong boleh dikira mengikut perbezaan antara arus had kedua dan arus had pertama. Oleh itu, penggunaan instrumen kelembapan prinsip zirkonium oksida arus had berbanding dengan prinsip instrumen kelembapan lain mempunyai kelebihan yang jelas, kerana sifatnya adalah pengukuran oksigen dan untuk mengukur kelembapan mesti mengukur oksigen, bagi pengguna, tidak perlu memasang penganalisis pengukuran oksigen, instrumen kelembapan boleh menyediakan dua data pengukuran pada masa yang sama.
Daripada penggunaan sebenar kaedah prinsip zirkonium oksida arus had untuk meter kelembapan, kelebihannya ialah isipadu kecil, ketepatan pengukuran yang tinggi, suhu gas serombong boleh digunakan dari suhu biasa hingga 500°C, prestasi kos yang tinggi. Kelemahannya ialah mesin tidak boleh dihidupkan dalam air cecair atau air cecair, dan mesin mudah diracun dalam atmosfera gas serombong yang mengandungi lebih banyak silikon dioksida atau logam berat seperti arsenik dan plumbum.
Malah, apabila elektrod pemangkin zirkonium oksida disebut, elektrod platinum biasanya diperlukan untuk penyahsulfuran kerana kandungan sulfur yang tinggi dalam arang batu di China. Walau bagaimanapun, bahagian hadapan dan belakang menara penyahsulfuran sering perlu memantau gas serombong, tetapi jika elektrod platinum zirkonia berfungsi dalam persekitaran gas serombong kandungan SO2 yang tinggi untuk jangka masa yang lama, hayat perkhidmatan juga akan terjejas dengan ketara. Oleh itu, dalam penggunaan praktikal, seperti salur masuk penyahsulfuran, pemulihan sulfur gas asli, pembakaran sisa dan sebagainya, elektrod zirkonium oksida yang menggunakan elektrod platinum mudah berkarat. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, untuk menyelesaikan pengaruh atmosfera menghakis pada hayat perkhidmatan zirkonia jenis arus had, sensor zirkonia yang diguna pakai oleh pemancar kelembapan PC18 Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd. telah membuat inovasi yang berani. Elektrod pemangkin zirkonia telah ditukar kepada elektrod seramik, yang telah menyelesaikan aplikasi zirkonia jenis arus had di bawah syarat pembakaran sampah perubatan, industri petrokimia, VOC dll. pada satu lejang.
Pemancar Kelembapan PC18
3. Kaedah jet hentaman (bola kering-basah)
Prinsip asas pengukuran kelembapan dengan kaedah bola kering-basah: Sensor suhu digunakan untuk mengukur suhu gas serombong sebagai suhu bola kering, kolam pengukur digunakan untuk memuatkan sejumlah air tertentu, kemudian sensor suhu disusun di dalam kolam pengukur, dan sensor suhu perlu disusun di bawah permukaan air, dan kemudian gas serombong secara berterusan memberi kesan kepada permukaan air terus di atas sensor suhu kolam pengukur, dan suhu yang diukur diambil sebagai suhu bola basah. Menurut prinsip pemindahan haba dan teori termodinamik, formula matematik berikut boleh diperoleh:
dalam formula：
kelembapan relatif %
Tekanan Air Tepu pada Suhu Sfera Basah
tekanan air tepu pada suhu bola kering
tekanan atmosfera
perbezaan antara suhu bola kering dan basah
malar, berkaitan dengan kelajuan angin
Menurut formula matematik di atas, kita dapat mengetahui dengan jelas bahawa kaedah suntikan hentaman untuk mengukur kelembapan dalam gas serombong dicapai melalui pengukuran suhu gas serombong secara tidak langsung. Teknologi pengukuran suhu agak matang dan boleh dipercayai. Walaupun keadaan kerja sangat teruk, perubahan sensor suhu adalah sangat pantas.
Mengikut situasi aplikasi praktikal loji pemulihan sulfur gas asli, loji pemprosesan makanan, loji tekstil, loji pembakaran sampah, dan sebagainya, instrumen kelembapan suhu tinggi kaedah penyemburan impak (bola kering-basah) mempunyai hayat perkhidmatan yang panjang (kini telah digunakan selama lima tahun berturut-turut dan masih berjalan seperti biasa), data yang diukur adalah tepat dan boleh dipercayai, mempunyai kebolehsuaian yang kuat terhadap persekitaran yang keras, julat penyesuaian suhu yang luas dan penyelenggaraan yang kecil. Kelemahannya ialah harganya tinggi, isipadunya besar, dan air perlu ditambah secara berkala.
Walaupun kaedah suntikan hentaman adalah prinsip kerja bola kering dan basah, tetapi bukan penggunaan biasa jabatan meteorologi untuk mengukur kelembapan relatif instrumen kelembapan udara, seperti Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd. CI-PC39 adalah reka bentuk baharu atau inovatif yang baharu, untuk mencapai kesan pengukuran di atas.
Penganalisis Kelembapan CI-PC39
4. kaedah penyerapan inframerah
Penyerapan spektrum luas IR adalah berdasarkan prinsip bahawa penyerapan terpilih molekul wap air kepada panjang gelombang inframerah tertentu berbeza-beza mengikut kepekatannya. Walau bagaimanapun, sejak tahun 1912 apabila Fowle pertama kali mencadangkan pengukuran kelembapan inframerah, pengukuran kelembapan adalah perlahan disebabkan oleh teknologi penyerapan spektrum luas yang dihadkan oleh teknologi penyerapan inframerah tradisional. Dengan perkembangan pesat spektroskopi laser semikonduktor (DLAS) pada tahun 1990-an, penganalisis suhu tinggi dan kelembapan dalam talian untuk gas serombong telah dibangunkan. Berbanding dengan spektroskopi penyerapan penyerapan inframerah tradisional, teknik DLAS tergolong dalam penyerapan spektrum sempit, kerana lebar spektrum (kurang daripada 0.0001nm) sumber laser semikonduktor adalah jauh lebih kecil daripada pelebaran garisan penyerapan gas. Setiap molekul gas mempunyai spektrum penyerapan yang wujud, apabila spektrum pancaran sumber cahaya bertepatan dengan spektrum penyerapan molekul gas, keamatan penyerapan berkaitan dengan pecahan isipadu gas. Melihat pangkalan data yang berkaitan, kita dapati bahawa penyerapan gas air adalah sangat kuat berhampiran garis penyerapan dengan panjang gelombang 1390nm dan tiada gangguan penyerapan gas lain yang jelas. Apabila laser semikonduktor dengan keamatan I0 melalui gas yang hendak diukur, jika spektrum sumber cahaya meliputi spektrum penyerapan molekul gas, cahaya akan mereput apabila melalui gas. Menurut hukum Lambert-Beer, hubungan antara keamatan I cahaya keluar dan keamatan I0 cahaya datang dan kepekatan isipadu gas ialah:
Dalam formula (1), I dan I0 masing-masing ialah keamatan cahaya keluar dan cahaya datang; α(λ) Ia ialah pekali penyerapan medium dengan unit kepekatan dan unit panjang pada panjang gelombang tertentu. C ialah kepekatan gas yang hendak diukur, L ialah laluan optik.
Untuk mendapatkan kepekaan yang lebih tinggi atau lebih tinggi dan mengurangkan hingar laser 1/f, teknik DLAS biasanya memerlukan teknik pengesanan spektrum modulasi. Teknik ini mengurangkan pengaruh hingar laser dengan ketara terhadap pengukuran melalui modulasi frekuensi tinggi. Pada masa yang sama, penapis jalur-lulus jalur lebar yang sempit boleh diperolehi dengan menetapkan pemalar masa yang lebih besar untuk pengesan sensitif fasa yang digunakan dalam teknik pengesanan sensitif fasa (pengesanan komponen harmonik), sekali gus memampatkan lebar jalur hingar dengan berkesan.
Apabila penganalisis kelembapan suhu tinggi gas serombong yang dibangunkan oleh DLAS digunakan untuk mengukur gas serombong, ciptaan ini tergolong dalam pengukuran tanpa sentuhan, yang tidak boleh disebabkan oleh keracunan sensor atau diganggu oleh gas latar belakang. Ciptaan ini mempunyai kelebihan masa tindak balas yang pantas, ketepatan data pengukuran yang tinggi, tempoh penentukuran yang panjang dan hampir tiada penyelenggaraan. Kelemahannya ialah harganya yang tinggi.
5. trend pembangunan
Seperti yang kita semua tahu, komponen teras instrumen analisis dalam talian dalam sensor, negara kita disebabkan oleh permulaan yang lewat, industri asasnya lemah, walaupun selepas bertahun-tahun pembangunan, pengeluar instrumen analisis domestik dalam menguasai teknologi teras telah mencapai kemajuan yang besar, tetapi berbanding dengan negara asing masih terdapat jurang yang sangat jelas. Kebanyakan pengeluar instrumen analisis domestik membeli sensor asing dan kemudian mereka bentuk instrumen kedua untuk memasuki pasaran untuk persaingan harga yang homogen, dan ia membuatkan orang ramai sedih bahawa pasaran instrumen analisis rendah (pasaran mewah hampir dimonopoli oleh negara asing), dalam jangka masa panjang, ia akan menjejaskan atau melambatkan pembangunan industri instrumen analisis domestik.
Pada masa ini, disebabkan oleh sebab harga, instrumen kelembapan suhu tinggi dalam talian terutamanya menggunakan kaedah kapasiti rintangan dan jenis zirkonia had arus di pasaran, instrumen kelembapan suhu tinggi berdasarkan prinsip kaedah jet impak (bola kering-basah) dan kaedah penyerapan spektrum inframerah mempunyai bahagian pasaran yang sangat rendah. Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd., melalui usaha jangka panjang dan berterusan, telah membangunkan secara bebas sensor zirkonium oksida jenis arus had instrumen kelembapan suhu tinggi gas serombong dalam talian yang dinyatakan di atas dan kaedah suntikan impak kolam pengukur komponen teras. Beberapa institut penyelidikan saintifik domestik seperti China Electrical Science 49 juga boleh melakukan sensor instrumen kelembapan suhu tinggi dengan kaedah kapasitans rintangan, tetapi prestasinya tidak stabil, jauh daripada perindustrian, pada masa ini pasaran pada asasnya direka bentuk di luar negara. Diod laser semikonduktor, komponen teras instrumen kelembapan suhu tinggi gas serombong dalam talian dengan kaedah penyerapan spektrum inframerah, tidak boleh dilakukan oleh pengeluar domestik. Hanya Jerman, Amerika Syarikat, Belanda dan beberapa negara lain yang boleh melakukannya. Kekurangan atau kekurangan teknologi teras menyekat pembangunan dan kemajuan instrumen kelembapan suhu tinggi gas serombong dalam talian.
Pada masa hadapan, pembangunan instrumen kelembapan suhu tinggi dalam talian gas serombong akan dihadkan oleh pelbagai faktor, instrumen kelembapan daripada empat prinsip di atas akan wujud pada masa yang sama, boleh diramalkan bahawa instrumen kelembapan kaedah kapasiti rintangan dan prinsip zirkonium oksida jenis arus had akan meningkatkan lagi kebolehpercayaan dan hayat perkhidmatan, instrumen kelembapan kaedah suntikan impak akan mengurangkan lagi isipadu, mengurangkan kos, meningkatkan bahagian pasaran. Meter kelembapan penyerapan inframerah sepatutnya menjadi yang paling menjanjikan, juga mewakili hala tuju pembangunan instrumen analisis gas dalam talian, tetapi jika pengeluar domestik tidak dapat menyelesaikan pembangunan dan pengeluaran diod laser semikonduktor, maka ia akan menyekat kos pengurangan, menjejaskan promosi pasaran, walaupun pembekal asing mengurangkan harga, perusahaan domestik hanya boleh bekerja untuk perusahaan asing, dan kemudian menjalankan persaingan harga rendah di China, dan melawan perang harga. Kami berharap persatuan industri domestik instrumen analisis dalam talian atau jabatan kerajaan yang berkaitan dapat menggalakkan kerjasama antara universiti, institut penyelidikan saintifik dan perusahaan, melengkapi kelebihan masing-masing, memecahkan monopoli pengeluar asing pada tarikh awal, dan membiarkan industri instrumen analisis China bergerak ke arah kelas atasan.
