Baca Gazı Neminin (Nem Oranının) Çevrimiçi İzlenmesi Teknolojisinin Uygulamaları -2
İyon Akışı (Zirkonya)
Derinlemesine teorik araştırmalar ve çok sayıda deneye dayanarak, iyon akış sensörlerinin doğru nem ölçümü yapabildiği doğrulanmıştır. Nem ölçümü, sensörün katot ve anotuna uygulanan voltajın ayarlanmasıyla gerçekleştirilebilir. Bu keşif, geleneksel nem sensörlerinin yüksek sıcaklık ortamlarında (örneğin 100°C'nin üzerindeki ortamlarda) etkili bir şekilde çalışamaması sorununu çözmektedir.
Stabilize edilmiş ZrO2'nin her iki tarafına da platin elektrotlar kaplanmıştır. Katot tarafı, katot boşluğu oluşturmak için gaz difüzyon delikleri bulunan bir kapakla birleştirilmiştir. Belirli bir sıcaklıkta, ZrO2'nin anot ve katotuna belirli bir çalışma voltajı uygulanır; ardından boşluk içindeki oksijen molekülleri katotta elektron alarak oksijen iyonları (O2-) oluşturur. O2- iyonları, ZrO2'deki oksijen boşluklarından anoda doğru hareket eder, elektronlarını serbest bırakır ve dışarıya doğru deşarj olan oksijen moleküllerine dönüşür. Bu olaya elektrokimyasal pompa denir. Bu şekilde, katot boşluğundaki oksijen, ZrO2 elektroliti tarafından sürekli olarak boşluktan dışarı pompalanır ve oksijen iyonları katottan ZrO2 üzerinden anoda doğru akarak bir oksijen iyon akımı oluşturur. Ölçülen atmosferdeki oksijen konsantrasyonu sabit olduğunda, zirkonya sensörünün çıkış akımı uygulanan voltajın artmasıyla artık artmaz, bunun yerine sabit bir değere ulaşır. Bu sabit akım değeri, söz konusu oksijen konsantrasyonu için sınırlayıcı akım değeri olarak adlandırılır ve biz buna birinci sınırlayıcı akım değeri diyoruz (Şekil 1-A'da gösterildiği gibi). Bu çalışma prensibine göre, ölçülen atmosfer su buharı içerdiğinde, uygulanan çalışma voltajının artırılması su buharının oksijen iyonlarına iyonlaşmasına neden olur. Benzer şekilde, ölçülen atmosferdeki su buharı konsantrasyonu sabit olduğunda, zirkonya sensörü sabit bir akım değeri üretir ve buna ikinci sınırlayıcı akım değeri denir (Şekil 1-B'de gösterildiği gibi). Birinci kademe akım değeri I1 ve ikinci kademe akım değeri I2 sırasıyla oksijen kısmi basıncına ve su buharı içeren atmosferdeki oksijen kısmi basıncına orantılıdır.
Sensörün katot ve anotundaki reaksiyonlar aşağıdaki gibidir:
Şekil (2) İyon akışı prensibi
Fick yasasına göre, sensörün gaz difüzyon delikleriyle sınırlı olarak ve oksijenin difüzyon katsayısının su buharınınkine eşit olduğu varsayılarak, birinci sınırlayıcı akım I1 ve ikinci sınırlayıcı akım I2 sırasıyla aşağıdaki formüllerle ifade edilir:
Formülde:
F, Faraday sabiti; S ise difüzyon deliklerinin alanıdır.
D, karışık gaz moleküllerinin difüzyon katsayısıdır; P ise gaz karışımının toplam basıncıdır.
PO2 oksijenin kısmi basıncı, PH2O ise su buharının kısmi basıncıdır.
R gaz sabiti, T ise mutlak sıcaklıktır.
L, gaz difüzyon deliklerinin uzunluğudur; 0,21 ise havadaki oksijen içeriğidir.
İyonik sınırlayıcı akım değeri ile oksijen konsantrasyonu arasındaki ilişki eğrisi Şekil (3)'te gösterilmiştir:
Baca gazındaki oksijen içeriği birinci sınırlayıcı akıma göre hesaplanabilirken, baca gazındaki nem ise ikinci ve birinci sınırlayıcı akımlar arasındaki farka göre hesaplanabilir. Bu nedenle, sınırlayıcı akım zirkonya prensibini kullanan nem ölçerler, diğer prensipleri kullananlara göre belirgin bir avantaja sahiptir. Temel işlevi oksijen tespiti olduğundan ve oksijen ölçümü nem testi için bir ön koşul olduğundan, kullanıcıların ayrı bir oksijen analizörü kurmasına gerek yoktur. Tek bir nem ölçer, her iki ölçüm verisini de aynı anda sağlayabilir.
>> Emme Tipi 3D İyon Akışı Nem Analiz Cihazı
Çin'de birçok firma tarafından emme tipi yüksek sıcaklık nem analiz cihazları üretilmektedir. Burada Chang Ai firmasının ürünleri örnek olarak tanıtılmaktadır.
Chang Ai, aşındırıcı atmosferlerin sensör elektrotları üzerindeki etkisini gidermek için zirkonya-platin katalitik elektrot malzemelerini geliştirmiş ve nanokimyasal sentez teknolojisiyle yeni bir elektrolit malzemesi kullanmıştır. Bu yöntem, atık yakma tesisleri, cevher kalsinasyonu, seramik fabrikaları ve enerji santrallerinden çıkan yüksek SO2'li baca gazındaki elektrot korozyonu ve kısa hizmet ömrü sorununu çözmektedir. Ayrıca, sınırlayıcı akım sensörlerinin temelini kullanarak, Chang Ai, tek bir oksijen sensörünün dinamik oksijen ve elektrolitik ıslak oksijeni aynı anda ölçememesi sorununu tamamen çözerek, çift oksijen sensörünü tek bir çipe birlikte yerleştirerek cesur bir yenilik gerçekleştirmiştir.
3 boyutlu iyon akış cihazı, çift iyon akış algılama ünitesi kullanır. Bir ünite su buharı ve oksijen içeriğini ölçerken, diğeri saf oksijen içeriğini ölçer. Oksijen iyonlarını iyonlaştırmak ve su buharı ile karıştırmak için farklı voltajlar uygulanarak, akım ölçümü yoluyla oksijen iyonlarının ve su buharının içeriği elde edilebilir. Yüksek sıcaklık direnci ve kirlilik önleme performansı özelliklerine sahip bu sensör, zorlu gaz ortamlarında stabil bir şekilde çalışabilir. Prensibi ve yapısı Şekil 4'te gösterilmiştir.
Şekil (4) Bir iyon akışlı nem sensörünün yapısı
CI-PC196 3D İyon Akışlı Nem Analiz Cihazı, yüksek sıcaklık örnekleme probu ve cihaz kontrol ünitesinden oluşmaktadır (Şekil 5'te gösterildiği gibi). Kontrol ünitesi, otomatik geri yıkama ve otomatik kalibrasyon fonksiyonlarını destekler. Prob, içinde yoğuşma oluşmasını önlemek için ısı izleme fonksiyonu ile donatılmıştır ve ucu sinterlenmiş paslanmaz çelik veya seramik filtre ile donatılmıştır.
Şekil (5) CI-PC196 Yüksek sıcaklık nem ölçer
Bu prob, bacaya yerleştirilen birincil filtre, bir örnekleme tüpü, bir tahliye uygulama ünitesi ve bacanın dışındaki normal sıcaklık ucunda bulunan bir sensör içerir. Yüksek sıcaklıktaki baca gazı, basınçlı hava ile çalışan bir ejektör pompası tarafından bacadan çekilir. Baca gazı sensör girişinden girer ve hava çıkışından dışarı atılır. Basınçlı havanın basıncı ve akış hızı kontrol edilerek, içeri çekilen gazın akış hızı düzenlenebilir. Prob, doğrudan yerleştirilen konsantrasyon tipi zirkonya problarından farklı bir çalışma prensibine sahip akım tipi bir oksijen sensörüdür. Yüksek sıcaklık koşullarında, oksijen iyonlarının göçü nedeniyle zirkonya (ZrO2) malzemesi iletken hale gelir. Sıcaklık 650°C'yi aştığında, oksijen iyonları göç eder; oksijen konsantrasyonu arttıkça, iyon akışındaki artışla orantılı olarak akım da artar.
Geleneksel polimer, elektrolit ve seramik nem sensörlerine kıyasla, bu cihaz yapısal tasarım, test yöntemleri ve çalışma prensipleri açısından tamamen farklıdır ve bu sayede dikkat çekici avantajlar sunar: mükemmel sıcaklık ve korozyon direnci gösterir (sensör 600°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda çalışır), bu da 200°C'nin üzerindeki yüksek sıcaklık ortamlarında kullanılmasını sağlar. Ayrışma voltajı altında su buharının ayrışma miktarına göre nem içeriğini ölçer ve böylece üstün seçicilik sağlar. Ayrıca, bu prensip nemi ve oksijen konsantrasyonunu eş zamanlı olarak ölçebilir. Çevre koruma, baskı ve boyama, ahşap, inşaat malzemeleri, kağıt üretimi, kimya, elyaf ve ilaç endüstrilerinin yanı sıra gıda, tütün, sebze ve tahılların işleme ve depolama alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
>> Islak-kuru Oksijen Yöntemi
CEMS sistemine entegre edilmiş oksijen sensörleri, nem alma işleminden önce ve sonra baca gazındaki oksijen içeriğini ölçmek ve baca gazındaki nemi hesaplamak için kullanıldığında, baca gazı nemi aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır:
Formül (1)'de X´O2 ıslak baca gazındaki oksijenin hacim yüzdesini (%), ve Xo2 kuru baca gazındaki oksijenin hacim yüzdesini (%) temsil eder.
Örneğin: Islak baca gazının O2 konsantrasyonu %6,8 ise ve nem alma işleminden sonra kuru baca gazının O2 konsantrasyonu %7,4 ise, baca gazının nem içeriğini Xsw ile gösterelim, o zaman
Kuru-ıslak oksijen yönteminin temel sorunu, kuru oksijen ve ıslak oksijeni ayrı ayrı ölçmek için iki ayrı cihaza ihtiyaç duymasıdır. Ortaya çıkan hatalar, tutarsız örnekleme noktalarından kaynaklanan örnekleme hatalarının yanı sıra, iki cihazın kendisindeki ölçüm kaymasından kaynaklanan üst üste binen hataları da içerir. Bu hataların bu yöntemle üstesinden gelmek zordur.
Kızılötesi Spektroskopisi
Doğada her gaz belirli dalga boylarındaki ışığı emer. Beyaz ışık demeti (tüm dalga boyu bileşenlerini içeren) gazdan geçtiğinde, çıkan ışık bu belirli dalga boyu bileşenlerini zayıflatır veya tamamen ortadan kaldırır. Spektroskopide, bir maddenin bileşenleri, gazın emilim spektral çizgilerinin bileşimine göre belirlenebilir. Belirli bir gazın belirli bir emilim spektral çizgisi tarafından belirli dalga boylarındaki ışığın emilim derecesini analiz ederek, o gazın konsantrasyonunu hesaplayabiliriz.
Nem ölçümünde yakın kızılötesi soğurma spektroskopisine dayalı iki ana yöntem vardır: Boşluk Halkalı Sönümleme Spektroskopisi (CRDS) ve Ayarlanabilir Lazer Diyot Soğurma Spektroskopisi (TDLAS). Kızılötesi soğurma spektroskopisi, su buharı moleküllerinin belirli kızılötesi dalga boylarını seçici olarak soğurmasının konsantrasyonlarıyla değiştiği prensibine dayanmaktadır. Bununla birlikte, Fowle'un 1912'de kızılötesi nem ölçümünü ilk kez önermesinden bu yana, geleneksel kızılötesi soğurma tekniklerinin (geniş bant soğurma) sınırlamaları nedeniyle nem ölçümünde ilerleme yavaş olmuştur. 1990'larda yarı iletken lazer spektroskopisi teknolojisinin (TDLAS) hızlı gelişimi, günümüzdeki çevrimiçi yüksek sıcaklık baca gazı nem analizörlerinin ortaya çıkmasını kolaylaştırmıştır. Geleneksel kızılötesi soğurma spektroskopisine kıyasla, TDLAS dar bant soğurma kullanır, çünkü yarı iletken lazer kaynağının spektral genişliği (0,0001 nm'den az) gaz soğurma çizgilerinin genişlemesinden çok daha küçüktür.
Her gaz molekülünün kendine özgü bir soğurma spektrumu vardır. Soğurma, ışık kaynağının emisyon spektrumu ile gaz moleküllerinin soğurma spektrumu eşleştiğinde meydana gelir ve soğurma yoğunluğu, gazın hacim oranıyla ilişkilidir. I0 yoğunluğuna sahip bir yarı iletken lazer ışını ölçülecek gazdan geçtiğinde, ışık kaynağının spektrumu gaz moleküllerinin soğurma spektrumunu kapsıyorsa, ışık gazdan geçerken zayıflar. Lambert-Beer yasasına göre, çıkan ışık yoğunluğu I, gelen ışık yoğunluğu I0 ve gaz hacim konsantrasyonu arasındaki ilişki şu şekilde ifade edilir:
Formülde:
I0: Başlangıç ışık yoğunluğu;
I: Gaz numunesindeki su buharı (H2O) tarafından emilimden sonra kalan ışık yoğunluğu;
S: Belirli bir dalga boyunda lazer için suyun (H2O) soğurma katsayısı;
L: Optik yol uzunluğu;
N: Optik yol boyunca bulunan su buharı moleküllerinin miktarı, örnek gazdaki su buharı içeriğiyle ilişkilidir.
Bu nedenle, gaz numunesindeki su içeriği, ilk ışık yoğunluğu ve emilim sonrası ışık yoğunluğu ölçülerek belirlenebilir. Seçilen lazer dalga boyu spesifik olduğundan, ölçüm sonuçları diğer gazlardan neredeyse hiç etkilenmez. Ayrıca, I/I0 oranı kullanılarak yapılan hesaplama, ışık kaynağı yoğunluğundaki, ayna yansıtıcılığındaki ve elektriksel parametrelerdeki değişimlerden kaynaklanan etkileri etkili bir şekilde ortadan kaldırabilir.
Daha yüksek algılama hassasiyeti elde etmek veya iyileştirmek ve lazerin 1/f gürültüsünü azaltmak için, TDLAS teknolojisi genellikle modüle edilmiş spektral algılama kullanımını gerektirir. Bu teknik, yüksek frekanslı modülasyon yoluyla lazer gürültüsünün ölçümler üzerindeki etkisini önemli ölçüde azaltır. Aynı zamanda, faz duyarlı algılamada kullanılan faz duyarlı dedektör için (harmonik bileşenleri algılayan) büyük bir zaman sabiti ayarlanarak, çok dar bir bant geçiren filtre elde edilebilir ve böylece gürültü bant genişliği etkili bir şekilde sıkıştırılabilir. TDLAS teknolojisi kullanılarak geliştirilen baca gazı yüksek sıcaklık nem analizörleri, baca gazı ölçümünde temassız ölçümler yaparak sensör zehirlenmesini ve arka plan gazlarından kaynaklanan parazitleri ortadan kaldırır. Hızlı tepki süresi, yüksek ölçüm doğruluğu, uzun kalibrasyon döngüsü ve neredeyse bakım gerektirmeyen çalışma özelliklerine sahipken, ana dezavantajı yüksek maliyetidir. Bununla birlikte, baca gazı nem ölçümü için kızılötesi absorpsiyon yöntemi kullanıldığında, CO2/SO2/NOX'e duyarlı dalga boylarından kaynaklanan parazitlerden kaçınmak gerekir ki bu da bazı zorluklar ortaya çıkarır. Cihazın yüksek maliyetiyle birlikte, bu yöntem şu anda baca gazı nem ölçümü için nadiren kullanılmaktadır.
Çeşitli İlkelerin Karşılaştırılması
| Karşılaştırma Öğeleri | Sabit Akışlı Püskürtme Yöntemi | Çift hücreli iyon akışı | Zirkonya Yöntemi | Direnç-kapasitans Yöntemi | TLDAS |
| TLDAS | |||||
| Ölçüm Aralığı | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% |
| Yanıt Süresi | T90＜90S(10～190g/kg) | T90＜30S | T90＜30S | T90＜30S | T90＜10S |
| Görüntülemek | Çiğ noktası sıcaklığı: 20～100℃ | Oksijen konsantrasyonu: %0–100 | Hacim oranı (H2O): %0–100 | Bağıl nem (RH%) | Bağıl nem (RH%) |
| Hacim oranı: %2 ila %100 | Hacim oranı (H2O): %0–100 | Hacim oranı %0–100 | Hacim oranı %0–100 | ||
| Mutlak nem: 15～1000 g/kg | |||||
| Su buharı basıncı: 10～1000 hPa | |||||
| Görüntülenen Değer | Mutlak değer | Mutlak değer | Mutlak değer | Göreceli değer | Göreceli değer |
| Sıcaklık | 0～300℃ | 0～700℃ | 0～700℃ | 0～180℃ | 0～240℃ |
| Kesinlik | ±2%F.S | ±2%F.S | ±3%F.S | ±2%F.S | ±1.0%F.S； |
| Kimyasal Direnç | Dirençli | Dirençli | Ilıman | Dirençli değil | Dirençli |
| Uygulanabilirlik | Herhangi bir gaz karışımı | Baca gazı, genel gaz karışımları | Hava ve su buharı karışımları | Baca gazı, genel gaz karışımları | Baca gazı, genel gaz karışımları |
| Ölçüm Yöntemi | Sürekli örnekleme | Yerinde/sürekli örnekleme | Yerinde | Yerinde/sürekli örnekleme | Yerinde/sürekli örnekleme |
| Hizmet Ömrü | 10 yıl | 1-2 yıl | 1-2 yıl | 0,6–2 yıl | ≥2 yıl |
| Kalibrasyon | Kalibrasyon gerekmez, sapma olmaz. | Gerekli (oksijen kalibrasyonu) | Gerekli (oksijen kalibrasyonu) | Yerinde kalibrasyon hizmeti mevcut değildir (profesyonel nem jeneratörü gerektirir). | Yerinde kalibrasyon hizmeti mevcut değildir (profesyonel nem jeneratörü gerektirir). |
