Werkingsprincipe en onderhoud van de zirkoniumoxide-zuurstofanalysator

Structuurtype en werkingsprincipe van de zirkoniumoxide-zuurstofsonde

Afhankelijk van de verschillende detectiemethoden worden zuurstofsondes van zirkonia in twee categorieën verdeeld: zuurstofsondes voor monstername en zuurstofsondes voor directe invoer.

1. Zuurstofsonde voor bemonsteringsdetectie

De bemonsteringsdetectiemodus houdt in dat het te meten gas via een geleidingsbuis in de detectiekamer van zirkoniumoxide wordt geleid, waarna het zirkoniumoxide door een verwarmingselement tot de werktemperatuur (boven 750 °C) wordt verwarmd. Zirkoniumoxide heeft doorgaans een buisvorm en de elektrode is een poreuze platina-elektrode. De uitvinding heeft als voordelen dat de temperatuur van het te detecteren gas de detectie niet beïnvloedt en dat het zuurstofgehalte in gassen met verschillende temperaturen kan worden gemeten door gebruik te maken van verschillende geleidingsbuizen. De flexibiliteit maakt de uitvinding geschikt voor diverse industriële online detectietoepassingen. Nadelen zijn de trage reactietijd en de complexe structuur, die de detectienauwkeurigheid kan beïnvloeden. De bemonsteringsbuis kan gemakkelijk verstopt raken bij een hoge concentratie onzuiverheden in het te detecteren gas. De poreuze platina-elektrode is gevoelig voor corrosie door zwavel en arseen in het gas en voor verstopping door fijnstof. De verwarming vindt meestal plaats via een elektrische draad, waardoor de levensduur beperkt is.

Wanneer de temperatuur van het te detecteren gas laag is (0-650 °C) of het te detecteren gas schoon is, is de bemonsteringsdetectiemethode geschikt, zoals de zuurstofmeting met een stikstofgenerator en de zuurstofmeting in een laboratorium, enzovoort.

2. Directe inbrengbare zuurstofdetectiesonde

Bij de direct-insert-detectiemethode wordt zirkonia rechtstreeks in het hogetemperatuur-meetgas geplaatst om het zuurstofgehalte in het gas direct te meten. Deze detectiemethode is geschikt voor gastemperaturen van 700 °C tot 1150 °C (met een speciale constructie kan het ook worden gebruikt voor temperaturen tot 1400 °C). De hoge temperatuur van het meetgas zorgt ervoor dat de zirkonia de werktemperatuur bereikt zonder dat een verwarmingselement nodig is (figuur 3). De belangrijkste technologie van de direct-insert-zuurstofsonde is de hoge-temperatuurafdichting en het probleem van de elektroden van keramisch materiaal. De structuren van twee soorten direct-insert-zuurstofsondes worden hieronder weergegeven.

(1) Integrale zirkoniumoxidebuis

De vorm is afgeleid van de vorm van de zirkoniumoxidebuis die gebruikt wordt bij de bemonsteringsdetectie. De oorspronkelijke zirkoniumoxidebuis is verlengd, zodat het zirkoniumoxide direct in het hogetemperatuur-meetgas kan worden gebracht. Bij deze constructie hoeft geen rekening te worden gehouden met het probleem van afdichting bij hoge temperaturen.

(2) Rechte insteekbare zirkoniumoxide zuurstofsonde

Omdat het nodig is om zirkoniumoxide rechtstreeks in het detectiegas te brengen, stelt de lengte van de zuurstofsonde hogere eisen. De effectieve lengte ligt tussen de 500 mm en 1000 mm, en voor speciale omstandigheden kan de lengte oplopen tot 1500 mm. De testnauwkeurigheid, de werkstabiliteit en de levensduur zijn allemaal zeer hoge eisen. Daarom is het voor de direct in te brengen zuurstofsonde lastig om de traditionele zirkoniumoxide-zuurstofsonde met een volledig buisvormige zirkoniumoxideconstructie te gebruiken. In plaats daarvan wordt vaker gekozen voor een constructie met een verbinding tussen zirkoniumoxide en een aluminiumoxidebuis, wat hogere technische eisen stelt. De afdichting is een van de belangrijkste aspecten van deze zirkoniumoxide-zuurstofsonde. De meest geavanceerde verbindingsmethode ter wereld is momenteel het permanent lassen van zirkoniumoxide en een aluminiumoxidebuis. Deze methode biedt uitstekende afdichtingsprestaties en heeft, vergeleken met de bemonsteringsmethode, duidelijke voordelen: het zirkoniumoxide komt direct in contact met het gas, wat resulteert in een hoge detectienauwkeurigheid, een snelle reactiesnelheid en weinig onderhoud.

Industriële toepassing van de zuurstofsonde

1. Toepassing van industriële boilers en verwarmingsovens

Bij gebruik van de zuurstofsonde zijn er twee manieren om het te meten gas toe te voeren: rechtstreeks inbrengen en bemonstering. De reactietijd bij rechtstreeks inbrengen is kort, er is geen verwarmingselement nodig, de structuur is eenvoudig, het formaat is klein en het apparaat is draagbaar. Het nadeel is echter dat de temperatuur van het te meten gas gelijktijdig moet worden gemeten. Omdat de temperatuur van de zuurstofsonde wordt geregeld door een verwarmingselement, is de meetnauwkeurigheid hoog en de werking betrouwbaar, maar de reactietijd is afhankelijk van de gasstroom.

De direct in te brengen zuurstofanalysator wordt veel gebruikt voor het bepalen van het zuurstofgehalte in rookgassen van ketels en herverwarmingsovens (Figuur 4). De zuurstofsonde die hiervoor wordt gebruikt, heeft meestal een buisvormige structuur. De buis kan aan beide uiteinden of aan één uiteinde open zijn; de laatste variant is momenteel het meest gangbaar op de markt. Poreuze Pt-elektroden zijn aangebracht op de binnen- en buitenwand van de ZrO2-buis. De binnen- en buitenelektroden lopen respectievelijk door tot het uiteinde van de buis. Aan het uiteinde van de buis zijn NiCr-draden bevestigd als signaaluitgang, waardoor het verbrandingssysteem wordt aangestuurd om verbranding met een laag zuurstofgehalte te realiseren, met als doel warmteverlies te verminderen en energie te besparen.

Installatie van een zuurstofsensor

Een correcte installatie is essentieel voor een betrouwbare werking van de zuurstofsensor. Veel gebruiksproblemen worden veroorzaakt door een onjuiste installatie van de zuurstofsensor.

1. bemonsteringsmeetpunt

Het bepalen van het meetpunt is de belangrijkste taak en dient volgens de volgende principes te gebeuren:

(1) Het gekozen meetpunt moet ervoor zorgen dat het gedetecteerde gas in de oven correct kan worden gereflecteerd, om de authenticiteit van het uitgangssignaal van de zuurstofsensor te waarborgen en de dode hoek van de retourlucht zoveel mogelijk te vermijden;

(2) Het meetpunt mag niet te dicht bij het verbrandingspunt of de sproeier liggen, omdat het gas in deze delen een intense reactie ondergaat, waardoor de meetwaarde van de zuurstofsensor sterk kan fluctueren en vervormen. Houd het meetpunt ook uit de buurt van luchtgenererende apparatuur zoals ventilatoren, om schade aan de sensor door de trillingen van de motor te voorkomen.

(3) De uitvinding voorkomt dat de sensor in een positie wordt geplaatst waar botsingen mogelijk zijn, waardoor schade aan de sensor door botsingen wordt voorkomen en de veiligheid van de sensor wordt gewaarborgd.

2. Installatie- en aansluitwijze van de zuurstofsensor

(1) De zuurstofsonde kan horizontaal of verticaal worden geïnstalleerd, waarbij verticale installatie ideaal is. Ongeacht de gekozen installatiewijze moet de geleidingsplaat van de bemonsteringsbuis van de sonde zoveel mogelijk in de richting van de te meten luchtstroom wijzen. Bij de eerste installatie wordt de basisrichting bepaald aan de hand van de procedure. Nadat het systeem is ingeschakeld om de sonde te verwarmen, wordt de richting van de bemonsteringsbuis gedraaid en wordt de fluctuatie van de uitgangszuurstofspanning met een digitale multimeter geobserveerd om uiteindelijk de beste geleidingsrichting te bepalen.

(2) De verbinding die gebruikt wordt voor de installatie van de zuurstofsensor is een speciale flensverbinding, en het asbestkussen wordt zo geplaatst dat het wordt aangedrukt om een ​​goede afdichting te garanderen. Anders kan, omdat er in een gewone oven sprake is van onderdruk, lekkage bij de flensverbinding de meetnauwkeurigheid beïnvloeden of signaalfluctuaties veroorzaken.

(3) De signaaluitgang van de zuurstofsensor is bij voorkeur afgeschermd om interferentie te voorkomen. De beste manier is om twee tweeaderige kabels te gebruiken: een afgeschermde tweeaderige kabel voor de uitgang van het zuurstofpotentiaal en een tweeaderige KVV-stuurkabel om de sonde te verwarmen. Indien de veldomstandigheden dit niet toelaten, kan een vieraderige KVV-kabel rechtstreeks worden gebruikt om het zuurstofpotentiaalsignaal van de sonde met de verwarming te verbinden.

(4) De standaard gaspoort van de zuurstofsonde is normaal gesloten en wordt alleen gebruikt tijdens de gaskalibratie; de ​​blaasluchtpoort is aangesloten op een luchtpomp of een persluchtleiding. De luchttoevoer van de blaasluchtpoort wordt over het algemeen geregeld door een klep, zoals een elektromagnetische klep. Deze klep wordt eenmaal per bepaalde periode geopend, waardoor gas in een gasblaasmonsterbuis wordt geleid. De klep wordt gesloten wanneer de sonde normaal detecteert en er geen ander gas in de monsterbuis kan komen. De fabrikant van de persluchtscansonde moet ervoor zorgen dat de perslucht geen water bevat, dat wil zeggen dat de gebruikte perslucht watervrij moet zijn.

Gebruik en onderhoud van zuurstofsensoren

1. Aansluiting verwarmingsregeling

De zuurstofsonde van het bemonsteringsdetectietype werkt pas normaal nadat de zuurstofsensor is aangesloten op de verwarmingsregelaar. In koude toestand geeft de sensor een willekeurig signaal zonder betekenis. Nadat de zuurstofsensor is aangesloten op de verwarmingsregelaar, kan de normale gasmeting bij kamertemperatuur worden gestart. De sonde wordt doorgaans op kamertemperatuur op nul gezet. Na het verwarmen van de sonde wordt de uitgangsspanning in millivolt gemeten met een digitale multimeter. Deze waarde vertegenwoordigt de nulpuntsafwijking van de sonde. Deze afwijking moet worden gecorrigeerd in het display van het instrument om de weergegeven zuurstofconcentratie te bepalen.

2. Aandachtspunten bij het installeren of vervangen van een zuurstofsensor

Bij het installeren of vervangen van een zuurstofsensor moet de weergegeven zuurstofconcentratie van de zuurstofanalysator worden gecorrigeerd. Zonder deze correctie kan de door de zuurstofanalysator gemeten zuurstofconcentratie na de vervanging van de sensor afwijken van de werkelijke concentratie, waardoor de meting wordt beïnvloed.

3. Het correctieprincipe en de correctiemethode voor de zuurstofconcentratie.

De output van de zuurstofsensor is de concentratie van het gemeten gas en het potentiaalverschil ten opzichte van de standaardlucht. Dit noemen we de zuurstofpotentiaal. Deze potentiaalwaarde wordt gemeten op het nulpunt (d.w.z. de luchtmeting). De initiële outputpotentiaal van de sensor kan afwijken, en de omrekening van de outputpotentiaal naar een andere sensor kan leiden tot fouten in de zuurstofconcentratie. Daarom is het kalibreren van het sensorsignaal van de zuurstofanalysator essentieel. Anders zal er een grote afwijking bestaan ​​tussen de gemeten zuurstofconcentratie en de werkelijke gasconcentratie, wat niet voldoet aan de eisen van de productie in het veld en zelfs kan leiden tot misleidende controles.

De specifieke correctie wordt doorgaans uitgevoerd met behulp van een standaardgas. De methode is als volgt: het standaardgas, bevestigd door de meting, wordt via de standaardgaspoort in de sonde gebracht. Vervolgens worden het uitgangszuurstofpotentiaal en de op het instrument weergegeven zuurstofconcentratie gemeten. De weergegeven zuurstofconcentratie moet gelijk zijn aan de standaardgasconcentratie. Indien er een afwijking is, wordt de lineaire parameter van het instrument gecorrigeerd. Voor standaardmeting zijn minimaal drie kalibratiesystemen met verschillende standaardgasconcentraties nodig, zodat de lineariteit van het systeem driemaal wordt gecorrigeerd en de normale werking van het systeem wordt gewaarborgd.

4. Effect van stofophoping op de zuurstofsensor en de spoel- en reinigingsmethode

Omdat de zuurstofsensor een apparaat is voor langdurige online detectie en meting, kan het stof dat door de ketel en andere apparatuur (met name kolenverbrandingsovens of poederverbrandingsovens, enz.) wordt geproduceerd, de gasgeleidende monsternameleiding verstoppen. Dit leidt tot numerieke vertekening van de meting, of zelfs tot het volledig uitvallen ervan. In dat geval is het noodzakelijk om regelmatig het stof in de monsternameleiding te scannen. De lengte en duur van de scans worden gebruikt om de mate van stofafzetting te bepalen. Deze scanmethode vereist dat de zuurstofanalysator over de juiste functie beschikt of dat er een bijbehorend onderhoudsapparaat voor de zuurstofsensor is. Indien deze apparaten niet beschikbaar zijn, kan men alleen handmatige kleppen installeren om de perslucht of een luchtpomp te regelen die regelmatig via de blaasopening de sensor stofvrij maakt. In dat geval moet men echter op de volgende situaties letten:

(1) Omdat de zuurstofpotentiaal van de zuurstofsensor tijdens het spoelproces zal afnemen, tot een minimum van 1 of 2 mV, is de gemeten zuurstofpotentiaal op dat moment niet representatief voor de atmosfeer in de oven. Dit punt moet in acht worden genomen.

(2) De luchtstroom van de veeglucht moet zodanig zijn dat het roet kan worden verwijderd. Tijdens het vegen kan de waarde van het zuurstofpotentieel van de zuurstofsensor worden gecontroleerd. Als de waarde van het zuurstofpotentieel niet daalt, wijst dit erop dat de luchtstroom te laag is, het stof niet is verwijderd en dat de veegleiding moet worden aangepast of gecontroleerd.

(3) Het kanaal van de blaasopening staat rechtstreeks in verbinding met de oven. Nadat het blazen is voltooid, moet de klep worden gesloten, de blaasopening worden afgesloten en moet worden voorkomen dat de onderdruklucht in de oven binnendringt, aangezien dit de detectie van de zuurstofsensor beïnvloedt.

Bij het analyseren van de kwaliteit van de zuurstofsensor moet deze als een afzonderlijk detectieonderdeel worden beschouwd. Om het zuurstofpotentieel van de sensor te meten, moeten alle draden die met de sensor verbonden zijn, worden losgekoppeld. Het zuurstofpotentieel wordt vervolgens direct aan de uitgang van de sensor gemeten met een digitale meter met een hoge interne weerstand. De gemeten waarden worden vergeleken met de waarden bij normaal gebruik.

Feitelijke werking

Sinds 2003 maakt de kraakoven van onze fabriek gebruik van de ZGP2+ZDT hogetemperatuur direct-ingevoegde zirkoniumoxide-analysator, die voornamelijk wordt gebruikt voor het meten van het zuurstofgehalte in rookgassen en een rol speelt in de verbrandingsregeling van de kraakoven. De werking is stabiel en betrouwbaar. In mei 2005 werd echter geconstateerd dat de afwijking van de gemeten waarde relatief groot was, met uitsluitend positieve afwijkingen. Dit wees uit dat er een lek in het gascircuit zat, waarbij het nulpuntgas via het standaard gascircuit werd doorgegeven. Er werd een lek in de rotordebietmeter gevonden. Door de onderdruk in het meetsysteem kwam buitenlucht binnen. Omdat de volumefractie zuurstof in de lucht hoog is, werd een hoge gemeten waarde gemeten, terwijl het proces verder normaal verliep. Hieronder volgen enkele aandachtspunten voor de praktijk:

⑴De zirkoniumbuis moet normaal functioneren bij 750 °C, dus het instrument moet een constante temperatuur behouden.

⑵Geen lekkage van gasleidingen

⑶ Houd de injectordruk stabiel op 0,15 MPa.

⑷ De ejectorgastoevoer moet gesloten zijn tijdens de controle van het standaardgas en geopend tijdens de meting.

⑸De aanwezigheid van H2, CO, CH4 en andere brandbare gassen in het meetgas zal het meetresultaat verlagen.

Conclusie

Het zuurstofmeetinstrument van zirkonia heeft als voordelen een eenvoudige structuur, een korte reactietijd, een breed meetbereik, een hoge bedrijfstemperatuur, een betrouwbare werking, een gemakkelijke installatie en weinig onderhoud.

Daarom wordt het veelvuldig gebruikt in de metallurgie, chemische industrie, elektriciteitssector, keramiek, automobielindustrie, milieubescherming en andere industriële sectoren.