En Yeni Oksijen İçeriği Ölçüm Prensibi: 3D İyon Akışlı Oksijen Analiz Cihazı

Bu yöntemler arasında bakır-amonyak çözeltisi absorbsiyon yöntemi, yakıt hücresi yöntemi, paramanyetik yöntem, zirkonya konsantrasyon potansiyeli yöntemi ve lazer yöntemi yer almaktadır. Prensipleri, avantajları ve dezavantajları kısaca aşağıdaki gibidir:

Bakır-amonyak çözeltisi, sarmal bakır telin, hacim oranı 1:1 olan doymuş amonyum klorür çözeltisi ve amonyaklı su ile karıştırılmış bir çözeltiye yerleştirilmesiyle hazırlanır. Oksijen içeren gaz örneği, bakır-amonyak çözeltisi içeren emme şişesine verildiğinde, bakır, amonyağın varlığında örnekteki oksijen tarafından oksitlenerek bakır oksit (CuO) ve bakır(I) oksit (Cu2O) üretir. Reaksiyon denklemleri aşağıdaki gibidir:

Oluşan bakır oksit ve bakır(I) oksit sırasıyla amonyaklı su ve amonyum klorür ile reaksiyona girerek çözünebilir bakır(II) tuzu Cu(NH3)2Cl2 ve bakır(I) tuzu Cu2(NH3)2Cl2 oluşturur. Bakır(I) tuzu oksijeni emer ve bakır(II) tuzuna dönüşürken, bakır(II) tuzu bakır tarafından tekrar bakır(I) tuzuna indirgenir. Bu döngü, gazdaki oksijen tamamen tüketilene kadar devam eder. Gazdaki oksijen içeriği (hacimce yüzde konsantrasyonu), gaz hacmindeki azalmaya göre belirlenebilir.

Bu, oksijen içeriği ölçümü için klasik bir yöntem olup, düşük maliyetle yaygın olarak kullanılmaktadır. Birçok gaz laboratuvarı ve test kurumunda hala kullanılmaktadır. Bununla birlikte, genellikle yalnızca oksijen içeriği %99,9'un altında olan gaz örnekleri için geçerlidir. Dezavantajları arasında, nispeten zahmetli olan çözelti hazırlama ve bakır tel sarma gerekliliği; tüm ölçüm sürecinin manuel işlem gerektirmesi ve bu nedenle çevrimiçi sürekli analiz için uygun olmaması; ve örnek gazda diğer oksitleyici gazların bulunmasının ölçüm sonuçlarını etkilemesi yer almaktadır. Ayrıca, tüm absorpsiyon cihazı camdan oluştuğu için kırılmaya yatkındır.

>> Yakıt Hücresi Yöntemi

Bir yakıt hücresi genellikle inert bir metal elektrottan (katot), bir kurşun (veya grafit) elektrottan (anot) ve bir elektrolitten (asidik ve alkali tipleri mevcuttur) oluşur. Katot ve anotun her biri, elektrot iletkeni görevi gören bir metal levhaya bağlıdır. Elektrolit, katottaki çok sayıda yuvarlak delikten taşarak katot yüzeyinde ince bir elektrolit tabakası oluşturur. Bu ince elektrolit tabakasının üzerinde gaz geçirgen bir politetrafloroetilen (PTFE) membran bulunur. Gaz örneği geçirgen membrandan geçerek katoda girer ve burada oksijen elektrolitle reaksiyona girer. Oluşan OH⁻ iyonları, bir elektrik alanının etkisi altında anoda doğru hareket eder ve anotta elektron kaybederek su oluşturur. Anot malzemesi olarak gümüşü örnek alırsak, kimyasal reaksiyon denklemi şu şekildedir:

Gümüş katot: O₂+2H₂O+4e→4OH-

Kurşun anot: 2Pb + 4OH- → 2 PbO + 2H₂O + 4e

Genel hücre reaksiyonu: 2Pb + O₂→2 PbO

OH− iyonlarının göçüyle oluşan akım şiddeti, gaz numunesindeki oksijen içeriğiyle orantılıdır. Numunenin oksijen içeriği, yakıt hücresinde oluşan akımı ölçerek belirlenebilir.

Bu yöntemin avantajları, yakıt hücrelerinin basit bir yapıya, kompakt boyuta ve hızlı tepki süresine sahip olmasıdır. Buna göre, bu yönteme dayalı oksijen analizörleri taşınabilir kullanım için oldukça uygundur ve nispeten ucuzdur. Bununla birlikte, yakıt hücreleri tüketilebilir dedektörlerdir ve kullanım ömrü, sensörden geçen toplam kümülatif oksijen miktarına bağlıdır. Anot elektrotu, ölçüm sırasında kimyasal reaksiyonlar yoluyla sürekli olarak tüketilir; tükendiğinde, yakıt hücresi arızalanır ve değiştirilmesi gerekir. Özellikle, oksijen içeriği %90'ın üzerinde olan gaz örnekleri ölçülürken, aylık sapma %1'i aşabilir. Ayrıca, alkali elektrolitli yakıt hücrelerinin asidik gazlardaki oksijen içeriğini analiz etmek için uygun olmadığı, asidik elektrolitli yakıt hücrelerinin ise alkali gazları ölçmek için uygun olmadığı da belirtilmelidir.

>> Paramanyetik yöntem (örnek olarak manyetik mekanik bir tür kullanılarak)

Oksijen ölçümü için paramanyetik yöntem, oksijenin paramanyetik bir madde olması ve hacimsel manyetik duyarlılığının 20 ℃'de k=1062×10−6 (CGSM) değerine ulaşması özelliğine dayanmaktadır. Diğer gazların (NO hariç) hacimsel manyetik duyarlılığı oksijeninkinden çok daha düşüktür. Bu nedenle, paramanyetik yöntem uzun zamandır oksijen içeriği analizi için en etkili yöntemlerden biri olmuştur.

Manyetik-mekanik oksijen analizörleri, oksijen içeriği analizinde paramanyetik yöntemi benimseyen temsili cihazlardan biridir. Elektriksel geri besleme döngüsü oluşturmak için kürelerin etrafına platin tel sarılır. Küreler, merkezlerine küçük bir reflektör monte edilmiş şekilde manyetik bir alanda asılıdır. Cihaza entegre edilmiş bir ışık kaynağı, reflektör tarafından yansıtılan ve ışığa duyarlı bir bileşenden yapılmış bir fotodedektör tarafından alınan bir ışık demeti yayar. Oksijen molekülleri dambıl şeklindeki kürelerin etrafında bulunduğunda, manyetik alanın etkisi altında hareket ederler ve dambılları sapmaya zorlarlar. Oksijen konsantrasyonu ne kadar yüksekse, sapma açısı da o kadar büyük olur.

Bu sapma, reflektörü hareket ettirerek fotodedektöre doğru yönelen ışık yolunun da sapmasına neden olur. Fotodedektör bu sapmayı algılar ve elektriksel bir sinyal üretir. Bir yükseltici tarafından güçlendirildikten sonra, sinyal geri besleme devresinden geçerek kapalı bir döngü oluşturur ve bu döngü, manyetik alanın etkisi altında dambılı birincil denge konumuna geri döndürür. Bu döngüdeki akım, oksijen içeriğiyle doğru orantılıdır. Gaz örneğinin oksijen içeriği, bu akım değeri ölçülerek belirlenebilir.

Aynı zamanda, bu taraftaki elektrot pozitif yüklü hale gelir ve oksijen konsantrasyon hücresinin pozitif kutbu veya anotu görevi görür. Oksijen iyonları, zirkonya kristal kafesindeki boşluklardan daha düşük oksijen içeriğine sahip karşı tarafa göç eder ve burada platin elektrot üzerinde elektron kaybederek oksijen molekülleri oluşturur, yani:

Bu arada, bu elektrot negatif yüklü hale getirilir ve oksijen konsantrasyon hücresinin negatif elektrodu veya katodu olarak görev yapar. İki elektrot üzerindeki pozitif ve negatif yüklerin birikmesi belirli bir elektrik potansiyeli oluşturur. Bu potansiyel, zirkonyumun her iki tarafındaki gazın oksijen içeriğiyle ilişkilidir ve Nernst denklemine uyar:

E: Oksijen konsantrasyon potansiyeli (mV);

R: Gaz sabiti, 8,3145 J/mol·K;

T: Zirkonya probunun çalışma sıcaklığı, mutlak sıcaklık (K) cinsinden ifade edilir = 273,15 + t (°C);

n: Tepkimeye katılan elektron sayısı; oksijen için n = 4;

F: Faraday sabiti, 96485.3365 (C/mol);

P0: Referans gazındaki oksijenin kısmi basıncı;

P1: Numune gazındaki oksijenin kısmi basıncı.

Bu denklem, zirkonya konsantrasyon hücresi yöntemi kullanılarak gazlardaki oksijen içeriğinin ölçülmesinin temelini oluşturur. Gerçek ölçümde, zirkonya tüpü 600~1400 ℃'ye ısıtılır. Zirkonya tüpünün referans tarafına, hava (P0=20.6%) gibi bilinen ve nispeten yüksek oksijen içeriğine sahip bir gaz referans gaz olarak verilirken, diğer tarafa ölçülecek gaz verilir. Konsantrasyon hücresi potansiyeli E ve zirkonya probunun mutlak sıcaklığı ölçülerek, ölçülecek gazın oksijen kısmi basıncı (P1) hesaplanabilir ve sonuç olarak numune gazının oksijen konsantrasyonu elde edilir.

Bu yöntemin avantajları arasında yüksek hassasiyet, hızlı tepki süresi, geniş doğrusal aralık ve iyi tekrarlanabilirlik ve kararlılık yer almaktadır. Manyetik oksijen yöntemindeki analizörlerle karşılaştırıldığında, zirkonya oksijen analizörleri daha basit bir iç yapıya sahiptir; sıcaklık ve titreşim gibi dış çevresel koşullardan neredeyse hiç etkilenmezler ve neredeyse hiç bakım gerektirmezler. Bununla birlikte, belirgin dezavantajları da vardır. Elektronlar zirkonya malzemesinden yalnızca nispeten yüksek sıcaklıklarda geçebildiğinden, cihazın normal şekilde çalışabilmesi için uzun bir ısınma süresine neden olan zirkonya tüpünü ısıtmak için bir ısıtma fırını ile donatılması gerekir. Ayrıca, oksijen konsantrasyonu ölçülürken, zirkonya yöntemi numune gazında bulunan indirgeyici gazlardan etkilenir ve bu da daha düşük ölçüm sonuçlarına yol açar. Bu nedenle, indirgeyici maddeler veya yüksek düzeyde indirgeyici gazlar içeren gazlardaki oksijen konsantrasyonunu belirlemek için uygun değildir. Bu, özellikle indirgeyici gazların ölçüm sonuçları üzerindeki etkisinin dikkatlice değerlendirilmesi gereken ppm seviyesindeki gaz numunelerinin ölçülmesinde önemlidir. Ayrıca, numune gazındaki oksijen konsantrasyonu havadakinden (%20,6) fazla olduğunda, pozitif potansiyel farkı sağlamak için referans gaz olarak daha yüksek konsantrasyonlu bir gaz kullanmanın yanı sıra zirkonya algılama hücresini de değiştirmek gerekir ki bu da cihazın maliyetini önemli ölçüde artırır.

Lazer oksijen ölçüm yöntemi, oksijen moleküllerinin belirli dalga boylarındaki lazer ışığını emme özelliğine dayanmaktadır. Cihazın içinde, bir lazer diyot, bilinen ışık şiddetine sahip sabit dalga boylu bir lazer ışını üretir. Işın, test edilecek gaz numunesiyle dolu ölçüm hücresine girer. Ölçüm hücresinin iki tarafındaki iki reflektör arasında birden fazla kez yansıdıktan sonra, ışığın bir kısmı gaz numunesinde bulunan oksijen tarafından emilir. Kalan ışın, toplayıcıya yansıtılır ve ardından yakalanır.

Beer yasasına göre, emilen ışık demetinin yoğunluğunun orijinal ışık yoğunluğuna oranı, gaz örneğindeki oksijen içeriğiyle doğru orantılıdır:

Denklemde

I0: Başlangıç ​​ışık yoğunluğu;

I: Gaz örneğindeki oksijen tarafından emildikten sonra kalan ışık yoğunluğu;

S: Belirli dalga boyunda lazer için oksijenin soğurma sabiti;

L: Optik yol uzunluğu;

N: Optik yol boyunca bulunan oksijen molekülü sayısı; bu sayı, örnek gazdaki oksijen içeriğiyle ilişkilidir.

Bu nedenle, bir gaz numunesindeki oksijen içeriği, ilk ışık yoğunluğu ve emilimden sonraki ışık yoğunluğu ölçülerek belirlenebilir. Seçilen lazer dalga boyu belirli olduğundan, ölçüm sonucu diğer gazlardan neredeyse hiç etkilenmez. Dahası, hesaplamalar için I/I0 oranının kullanılması, ışık kaynağı yoğunluğundaki, ayna yansıtıcılığındaki ve elektrikli cihazlardaki varyasyonların etkilerini neredeyse tamamen ortadan kaldırır. Şu anda, bu prensibi benimseyen yerli üretim cihazlar nispeten pahalıdır ve performans kararlılıklarının daha da geliştirilmesi gerekmektedir.