Toepassingen van online monitoringtechnologie voor rookgasvochtigheid (luchtvochtigheid) -2
Ionstroom (Zirkonia)
Op basis van diepgaand theoretisch onderzoek en talrijke experimenten is aangetoond dat ionenstroomsensoren nauwkeurige vochtigheidsmetingen kunnen uitvoeren. Vochtigheidsmeting kan worden gerealiseerd door de spanning op de kathode en anode van de sensor aan te passen. Deze ontdekking biedt een oplossing voor het probleem dat conventionele vochtigheidssensoren niet effectief functioneren in omgevingen met hoge temperaturen (zoals boven de 100 °C).
Platina-elektroden zijn aan beide zijden van gestabiliseerd ZrO2 aangebracht. De kathodezijde is voorzien van een deksel met gasdiffusiegaten om een kathodeholte te vormen. Bij een bepaalde temperatuur wordt een specifieke werkspanning aangelegd tussen de anode en kathode van de ZrO2. Zuurstofmoleculen in de holte nemen elektronen op aan de kathode en vormen zuurstofionen (O2-). De O2- migreren naar de anode via zuurstofvacatures in de ZrO2, geven elektronen af en worden omgezet in zuurstofmoleculen die naar buiten worden afgevoerd. Dit fenomeen staat bekend als een elektrochemische pomp. Op deze manier wordt zuurstof in de kathodeholte continu uit de holte gepompt door de ZrO2-elektrolyt, en stromen zuurstofionen van de kathode door de ZrO2 naar de anode, waardoor een zuurstofionenstroom ontstaat. Wanneer de zuurstofconcentratie in de gemeten atmosfeer constant is, neemt de uitgangsstroom van de zirkoniumoxidesensor niet langer toe met de verhoging van de aangelegde spanning, maar bereikt deze een constante waarde. Deze constante stroomwaarde wordt de grensstroomwaarde voor die zuurstofconcentratie genoemd, die we de eerste grensstroomwaarde noemen (zoals weergegeven in figuur 1-A). Op basis van dit werkingsprincipe zorgt een verhoging van de toegepaste bedrijfsspanning ervoor dat de waterdamp in de gemeten atmosfeer wordt geïoniseerd tot zuurstofionen wanneer de waterdampconcentratie in de gemeten atmosfeer constant is. Op dezelfde manier geeft de zirkoniumoxidesensor een constante stroomwaarde af wanneer de waterdampconcentratie in de gemeten atmosfeer constant is. Deze wordt de tweede grensstroomwaarde genoemd (zoals weergegeven in figuur 1-B). De stroomwaarde I1 van de eerste trap en de stroomwaarde I2 van de tweede trap zijn respectievelijk evenredig met de partiële zuurstofdruk en de partiële zuurstofdruk in de waterdampbevattende atmosfeer.
De reacties aan de kathode en anode van de sensor zijn als volgt:
Figuur (2) Principe van ionenstroom
Volgens de wet van Fick, beperkt door de gasdiffusieopeningen van de sensor, en ervan uitgaande dat de diffusiecoëfficiënt van zuurstof gelijk is aan die van waterdamp, worden de eerste grensstroom I1 en de tweede grensstroom I2 respectievelijk uitgedrukt door de volgende formules:
In de formule:
F is de constante van Faraday, S is het oppervlak van de diffusiegaten.
D is de diffusiecoëfficiënt van de moleculen in het gasmengsel. P is de totale druk van het gasmengsel.
PO2 is de partiële druk van zuurstof. PH2O is de partiële druk van waterdamp.
R is de gasconstante, T is de absolute temperatuur.
L is de lengte van de gasdiffusieopeningen, 0,21 is het zuurstofgehalte in de lucht.
De relatiecurve tussen de waarde van de ionengrensstroom en de zuurstofconcentratie wordt weergegeven in figuur (3):
Het zuurstofgehalte in rookgas kan worden berekend op basis van de eerste grensstroom, terwijl de luchtvochtigheid in het rookgas kan worden berekend aan de hand van het verschil tussen de tweede en eerste grensstroom. Daarom hebben vochtigheidsmeters die gebruikmaken van het grensstroom-zirconia-principe een duidelijk voordeel ten opzichte van meters die andere principes gebruiken. Omdat de kernfunctie zuurstofdetectie is en zuurstofmeting een voorwaarde is voor vochtigheidsmeting, hoeven gebruikers geen aparte zuurstofanalysator te installeren. Eén enkele vochtigheidsmeter kan beide sets meetgegevens tegelijkertijd leveren.
>> Zuigende 3D-ionenstroomvochtigheidsanalysator
In China worden door verschillende bedrijven zuigende hogetemperatuur-vochtigheidsanalysatoren geproduceerd. Hier worden de producten van Chang Ai als voorbeeld gepresenteerd.
Om de impact van corrosieve atmosferen op sensorelektroden aan te pakken, heeft Chang Ai de katalytische elektrodematerialen van zirkonia-platina verbeterd en een nieuw elektrolytmateriaal toegepast via nanochemische synthesetechnologie. Deze methode pakt elektrodercorrosie en een korte levensduur aan in rookgassen met een hoog SO2-gehalte afkomstig van afvalverbrandingsinstallaties, ertsverwerkingsbedrijven, keramiekfabrieken en energiecentrales. Bovendien heeft Chang Ai, voortbouwend op de basis van grensstroomsensoren, een gedurfde innovatie gerealiseerd door twee zuurstofsensoren op één chip te integreren, waarmee het probleem dat een enkele zuurstofsensor niet tegelijkertijd dynamische zuurstof en elektrolytische natte zuurstof kan meten, volledig is opgelost.
Het 3D-ionenstroomapparaat maakt gebruik van een dubbele ionenstroomsensor. De ene sensor meet het gehalte aan waterdamp en zuurstof, terwijl de andere het gehalte aan zuivere zuurstof meet. Door verschillende spanningen toe te passen om zuurstofionen te ioniseren en te mengen met waterdamp, kan het gehalte aan zuurstofionen en waterdamp worden bepaald door middel van stroommeting. Deze sensor is bestand tegen hoge temperaturen en vervuiling en kan stabiel functioneren in veeleisende gasomgevingen. Het principe en de structuur ervan worden weergegeven in figuur 4.
Figuur (4) Structuur van een ionenstroom-vochtigheidssensor
De CI-PC196 3D ionenstroom-vochtigheidsanalysator bestaat uit een hogetemperatuur-bemonsteringssonde en de instrumentbesturingseenheid (zoals weergegeven in figuur 5). De besturingseenheid ondersteunt automatische terugspoeling en automatische kalibratiefuncties. De sonde is voorzien van een verwarmingsfunctie om condensvorming aan de binnenkant te voorkomen, en het uiteinde is uitgerust met een gesinterd roestvrijstalen of keramisch filter.
Figuur (5) CI-PC196 Hogetemperatuur-vochtigheidsmeter
De sensor bestaat uit een primair filter dat in het rookkanaal is geplaatst, een monsternamebuis, een spoelunit en een sensor aan de normale temperatuurzijde buiten het rookkanaal. Het hete rookgas wordt uit het rookkanaal gezogen door een ejectorpomp die wordt aangedreven door perslucht. Het rookgas komt binnen via de sensorinlaat en wordt afgevoerd via de luchtuitlaat. Door de druk en het debiet van de perslucht te regelen, kan de stroomsnelheid van het aangezogen gas worden gereguleerd. De sensor is een stroomgestuurde zuurstofsensor met een werkingsprincipe dat verschilt van dat van direct in te brengen concentratiesensoren van zirkoniumoxide. Onder hoge temperaturen wordt het zirkoniumoxide (ZrO2) geleidend door de migratie van zuurstofionen. Wanneer de temperatuur boven de 650 °C komt, migreren zuurstofionen; naarmate de zuurstofconcentratie toeneemt, neemt de stroom evenredig toe met de stijging van de ionenstroom.
Vergeleken met conventionele polymeer-, elektrolyt- en keramische vochtigheidssensoren verschilt dit instrument volledig qua constructie, testmethoden en werkingsprincipes, waardoor het opmerkelijke voordelen biedt: het is uitstekend bestand tegen hoge temperaturen en corrosie (de sensor werkt bij temperaturen boven de 600 °C), waardoor het kan worden gebruikt in omgevingen met hoge temperaturen boven de 200 °C. Het meet het vochtgehalte op basis van de hoeveelheid waterdamp die vrijkomt bij ontleding onder een ontledingsspanning, wat resulteert in een superieure selectiviteit. Bovendien kan dit principe de luchtvochtigheid en de zuurstofconcentratie gelijktijdig meten. Het wordt veelvuldig gebruikt in de milieubescherming, de druk- en verfindustrie, de hout-, bouwmaterialen-, papier-, chemische, vezel- en farmaceutische industrie, evenals in de verwerking en opslag van voedsel, tabak, groenten en granen.
>> Nat-droog zuurstofmethode
Wanneer zuurstofsensoren in het CEMS-systeem worden gebruikt om het zuurstofgehalte van rookgas vóór en na ontvochtiging te meten en het vochtgehalte in het rookgas te berekenen, wordt de luchtvochtigheid van het rookgas berekend met behulp van de volgende formule:
In formule (1) staat X´O2 voor het volumepercentage zuurstof in het natte rookgas, %, en Xo2 voor het volumepercentage zuurstof in het droge rookgas, %.
Bijvoorbeeld: als de concentratie van het natte rookgas 6,8% O2 is en de meting van het droge rookgas na ontvochtiging 7,4% O2 is, en Xsw het vochtgehalte van het rookgas aanduidt, dan
Het grootste probleem met de droog-nat-zuurstofmethode is dat er twee instrumenten nodig zijn om respectievelijk droge en natte zuurstof te meten. De resulterende fouten omvatten meetfouten als gevolg van inconsistente meetpunten, evenals cumulatieve fouten die voortkomen uit meetdrift in de twee instrumenten zelf. Deze fouten zijn met deze methode moeilijk te verhelpen.
Infraroodspectroscopie
In de natuur absorbeert elk gas licht van specifieke golflengten. Wanneer een bundel wit licht (die alle golflengtecomponenten bevat) door het gas gaat, verzwakt het uitgaande licht of ontbreken die specifieke golflengtecomponenten. In de spectroscopie kunnen de componenten van een stof worden bepaald aan de hand van de samenstelling van de absorptiespectrale lijnen van het gas. Door de mate van lichtabsorptie bij specifieke golflengten door een specifieke absorptiespectrale lijn van het betreffende gas te analyseren, kunnen we de concentratie van dat gas berekenen.
Er zijn twee belangrijke methoden voor het meten van luchtvochtigheid op basis van nabij-infraroodabsorptiespectroscopie: Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) en Tunable Laser Diode Absorption Spectroscopy (TDLAS). Infraroodabsorptiespectroscopie is gebaseerd op het principe dat de selectieve absorptie van specifieke infraroodgolflengten door waterdampmoleculen varieert met hun concentratie. Sinds Fowle in 1912 voor het eerst infraroodluchtvochtigheidsmeting voorstelde, is de vooruitgang op dit gebied echter traag verlopen vanwege de beperkingen van traditionele infraroodabsorptietechnieken (breedbandabsorptie). De snelle ontwikkeling van halfgeleiderlaserspectroscopietechnologie (TDLAS) in de jaren negentig maakte de opkomst van de huidige online hogetemperatuur-rookgasvochtigheidsanalysatoren mogelijk. In vergelijking met traditionele infraroodabsorptiespectroscopie maakt TDLAS gebruik van smalbandabsorptie, omdat de spectrale breedte van de halfgeleiderlaserbron (minder dan 0,0001 nm) veel kleiner is dan de verbreding van de gasabsorptielijnen.
Elk gasmolecuul heeft zijn eigen inherente absorptiespectrum. Absorptie treedt op wanneer het emissiespectrum van de lichtbron overeenkomt met het absorptiespectrum van de gasmoleculen, en de absorptie-intensiteit is gecorreleerd met de volumefractie van het gas. Wanneer een bundel van een halfgeleiderlaser met een intensiteit I0 door het te meten gas gaat, wordt het licht verzwakt als het spectrum van de lichtbron het absorptiespectrum van de gasmoleculen overlapt. Volgens de wet van Lambert-Beer wordt de relatie tussen de uitgaande lichtintensiteit I, de invallende lichtintensiteit I0 en de gasvolumefractie als volgt uitgedrukt:
In de formule:
I0: Initiële lichtintensiteit;
I: Resterende lichtintensiteit na absorptie door waterdamp (H2O) in het gasmonster;
S: Absorptiecoëfficiënt van water (H2O) voor een laser bij een specifieke golflengte;
L: Optische padlengte;
N: Aantal waterdampmoleculen langs het optische pad, gecorreleerd met het waterdampgehalte in het monstergas.
Het watergehalte in het gasmonster kan daarom worden bepaald door de initiële lichtintensiteit en de lichtintensiteit na absorptie te meten. Omdat de gekozen laser golflengte specifiek is, worden de meetresultaten vrijwel niet beïnvloed door andere gassen. Bovendien kan de berekening met behulp van de verhouding I/I0 de invloed van variaties in lichtbronintensiteit, spiegelreflectie en elektrische parameters effectief elimineren.
Om een hogere detectiegevoeligheid te bereiken of te verbeteren, en om de 1/f-ruis van de laser te verminderen, vereist TDLAS-technologie over het algemeen het gebruik van gemoduleerde spectrale detectie. Deze techniek vermindert de impact van laserruis op metingen aanzienlijk door middel van hoogfrequente modulatie. Tegelijkertijd kan, door een grote tijdconstante in te stellen voor de fasegevoelige detector die wordt gebruikt bij fasegevoelige detectie (die harmonische componenten detecteert), een zeer smalbandfilter worden verkregen, waardoor de ruisbandbreedte effectief wordt gecomprimeerd. Rookgasvochtigheidsanalysatoren voor hoge temperaturen die zijn ontwikkeld met behulp van TDLAS-technologie voeren contactloze metingen uit bij het meten van rookgas, waardoor sensorvergiftiging en interferentie van achtergrondgassen worden voorkomen. Ze kenmerken zich door een snelle responstijd, hoge meetnauwkeurigheid, een lange kalibratiecyclus en een vrijwel onderhoudsvrije werking, terwijl hun belangrijkste nadeel de hoge kosten zijn. Bij gebruik van de infraroodabsorptiemethode voor rookgasvochtigheidsmeting is het echter noodzakelijk om interferentie van golflengten die gevoelig zijn voor CO2/SO2/NOx te vermijden, wat bepaalde uitdagingen met zich meebrengt. In combinatie met de hoge kosten van het instrument wordt deze methode momenteel zelden gebruikt voor rookgasvochtigheidsmeting.
Een vergelijking van verschillende principes
| Vergelijkingsitems | Constante-debiet-straalmethode | Ionenstroom met dubbele cel | Zirkonia-methode | Weerstand-capaciteitsmethode | TLDAS |
| TLDAS | |||||
| Meetbereik | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% |
| reactietijd | T90＜90S(10～190g/kg) | T90＜30S | T90＜30S | T90＜30S | T90＜10S |
| Weergave | Dauwpuntstemperatuur: 20～100℃ | Zuurstofconcentratie: 0–100% | Volumeverhouding (H2O): 0–100% | Relatieve luchtvochtigheid (RV%) | Relatieve luchtvochtigheid (RV%) |
| Volumeverhouding: 2～100% | Volumeverhouding (H2O): 0–100% | Volumeverhouding 0–100% | Volumeverhouding 0–100% | ||
| Absolute luchtvochtigheid: 15～1000 g/kg | |||||
| Waterdampdruk: 10～1000 hPa | |||||
| Weergegeven waarde | Absolute waarde | Absolute waarde | Absolute waarde | Relatieve waarde | Relatieve waarde |
| Temperatuur | 0～300℃ | 0～700℃ | 0～700℃ | 0～180℃ | 0～240℃ |
| Precisie | ±2%F.S | ±2%F.S | ±3%F.S | ±2%F.S | ±1.0%F.S； |
| Chemische bestendigheid | bestand | bestand | Gematigd | Niet bestand | bestand |
| Toepasbaarheid | Elk gasmengsel | Rookgas, algemene gasmengsels | Mengsels van lucht en waterdamp | Rookgas, algemene gasmengsels | Rookgas, algemene gasmengsels |
| Meetmethode | Continue bemonstering | In-situ/continue bemonstering | In situ | In-situ/continue bemonstering | In-situ/continue bemonstering |
| Levensduur van de dienst | 10 jaar | 1-2 jaar | 1-2 jaar | 0,6–2 jaar | ≥2 jaar |
| Kalibratie | Geen kalibratie nodig, geen drift. | Vereist (zuurstofkalibratie) | Vereist (zuurstofkalibratie) | Kalibratie op locatie niet beschikbaar (vereist een professionele vochtigheidsgenerator). | Kalibratie op locatie niet mogelijk (vereist een professionele vochtigheidsgenerator). |
