Ưu điểm của máy phân tích oxy dòng ion 3D trong phát hiện hàm lượng cao

Ưu điểm của máy phân tích oxy dòng ion 3D trong phát hiện hàm lượng cao

Yến Hoài Trí

(Công ty TNHH Công nghệ Điện tử Thượng Hải Chang Ai)

Tóm tắt: Trong những năm qua, các thông số về hàm lượng oxy cao đã trở thành cơ sở của các bộ điều khiển khí/không khí công nghiệp. Hiện nay, các phương pháp chính được sử dụng để đo lượng oxy dư bao gồm phương pháp hấp thụ dung dịch amoniac đồng, cảm biến oxy dư từ tính, cảm biến oxy điện hóa, zirconia (ZrO2), v.v. Bài báo này giới thiệu bảy nguyên lý đo oxy và đo môi trường có hàm lượng oxy cao.

Từ khóa: Phương pháp hấp thụ dung dịch đồng-amoniac, oxit zirconi, dòng ion, hàm lượng oxy cao, loại cơ từ.

Các nguyên tắc đo nồng độ oxy thông thường:

1. Phương pháp hấp thụ bằng dung dịch đồng-amoniac

Dung dịch đồng-amoniac được điều chế từ amoni clorua, đồng nguyên chất và nước amoniac. Khi một lượng khí nhất định (oxy) tiếp xúc với dung dịch đồng-amoniac, trong sự có mặt của nước amoniac, oxy (O2) phản ứng với đồng (Cu) để tạo ra đồng oxit (CuO) và đồng oxit (Cu2O), và các phản ứng hóa học sau đây xảy ra:

Đồng oxit (CuO) và đồng(I) oxit (Cu2O) được tạo ra lần lượt bằng cách cho dung dịch amoniac và amoni clorua tác dụng, tạo thành muối đồng hóa trị cao hòa tan Cu(NH3)2Cl2 và muối đồng hóa trị thấp Cu(NH3)2Cl. Muối đồng hóa trị thấp hấp thụ oxy và chuyển hóa thành muối đồng hóa trị cao, muối đồng hóa trị cao bị khử bởi đồng thành muối đồng hóa trị thấp, và muối đồng hóa trị thấp phản ứng với oxy. Chu trình này được thực hiện cho đến khi quá trình tiêu thụ oxy trong khí hoàn tất, sau đó có thể thu được nồng độ phần trăm thể tích của oxy trong khí dựa trên sự giảm thể tích của khí. Chỉ cần có đủ đồng nguyên chất trong toàn bộ quá trình, phản ứng hóa học có thể tiếp tục.

2. Phương pháp sử dụng pin có nồng độ oxit zirconi

Điện cực bạch kim (Pt) xốp được nung kết ở cả hai phía của chất điện phân oxit zirconi (ống ZrO2), và ở một nhiệt độ nhất định, khi nồng độ oxy ở hai phía của chất điện phân khác nhau, các phân tử oxy ở phía có nồng độ cao hơn (không khí) được hấp thụ trên điện cực bạch kim và kết hợp với các electron (4e) để tạo thành các ion oxy O2-, làm cho điện cực tích điện dương, và các ion O2- được chuyển đến điện cực Pt ở phía có nồng độ thấp hơn thông qua các lỗ trống ion oxy trong chất điện phân để giải phóng electron, các electron này được chuyển hóa thành các phân tử oxy, do đó điện cực tích điện âm. Chế độ phản ứng của hai điện cực như sau: Phía tham chiếu: O2+4e——2O2- Phía đo: 2O2-－4e——O2

Như vậy, một suất điện động nhất định được tạo ra giữa hai điện cực, chất điện phân zirconia, điện cực Pt và khí có nồng độ oxy khác nhau ở cả hai phía tạo thành một đầu dò oxy, hay còn gọi là pin nồng độ zirconia. Suất điện động E giữa hai giai đoạn được tính từ công thức Nernst:

Trong công thức E=RT/nFln(P0/P1), E là nồng độ oxy đầu ra của pin; n là số electron chuyển giao (4 trong công thức này); R là hằng số khí lý tưởng, 8,314 W·S/mol; T là nhiệt độ tuyệt đối (K); F là hằng số Faraday, 96500 °C; P1 là phần trăm nồng độ oxy của khí cần đo; P0 là phần trăm nồng độ oxy của khí tham chiếu.

Công thức này là cơ sở của phép đo oxy bằng pin nồng độ oxit zirconi. Khi nhiệt độ của ống oxit zirconi được nung nóng đến 600-1400°C, khí ở phía nồng độ cao được sử dụng làm khí tham chiếu với nồng độ oxy đã biết, chẳng hạn như không khí (P0=20,60%), sức điện động đầu ra E của pin nồng độ và nhiệt độ tuyệt đối T của khí cần đo được đo, và áp suất riêng phần (nồng độ) oxy P0 của khí cần đo có thể được tính toán, đó là nguyên lý cơ bản của pin nồng độ oxit zirconi.

3. Zirconia diện tích rộng

Cảm biến oxy băng thông rộng gồm hai bộ phận: một là buồng cảm ứng, bộ phận còn lại là bơm oxy.

Buồng cảm biến, một mặt tiếp xúc với khí quyển và mặt còn lại là buồng thử nghiệm, tiếp xúc với khí thải thông qua lỗ khuếch tán, giống như cảm biến oxy zirconia thông thường. Do hàm lượng oxy ở hai phía của buồng cảm biến khác nhau, nên một sức điện động Us được tạo ra. Cảm biến zirconia thông thường lấy điện áp này làm tín hiệu đầu vào cho bộ điều khiển để điều chỉnh tỷ lệ không khí-nhiên liệu, nhưng cảm biến oxy diện tích rộng thì khác: Bộ điều khiển động cơ làm cho hàm lượng oxy ở hai phía của buồng nạp khí nhất quán, giữ giá trị điện áp ở mức 0,45V. Điện áp này chỉ là giá trị tiêu chuẩn tham chiếu của máy tính, cần có thêm một bộ phận khác của cảm biến để hoàn thiện.

Bộ bơm oxy được nối với buồng thử nghiệm ở một đầu và khí thải ở đầu kia. Bộ bơm oxy sử dụng nguyên lý phản ứng của cảm biến zirconia để cấp điện áp cho bộ phận zirconia (bộ bơm oxy), điều này sẽ gây ra sự chuyển động của các ion oxy, bơm oxy trong khí thải vào buồng thử nghiệm, sao cho giá trị điện áp của hai phía buồng nạp được giữ ở mức 0,45V. Điện áp cấp cho bộ bơm oxy là tín hiệu về hàm lượng oxy cần thiết. Nếu hỗn hợp quá đặc, hàm lượng oxy trong khí thải giảm, và lượng oxy từ lỗ khuếch tán nhiều hơn, dẫn đến điện áp của buồng nạp tăng lên. Để đạt được sự cân bằng, bộ điều khiển động cơ sẽ tăng dòng điện điều khiển để tăng hiệu suất bơm oxy và hàm lượng oxy trong buồng thử nghiệm, sao cho điện áp của buồng nạp có thể được điều chỉnh đến 0,45V; Ngược lại, khi hỗn hợp quá loãng, hàm lượng oxy trong khí thải tăng lên. Lúc này, oxy sẽ đi vào buồng thử nghiệm từ lỗ khuếch tán, và điện áp của buồng nạp sẽ giảm xuống. Lúc này, oxy bơm sẽ được thải ra để cân bằng hàm lượng oxy trong buồng thử nghiệm, sao cho điện áp của buồng cảm ứng được duy trì ở mức 0,45V. Nói tóm lại, điện áp cấp thêm cho oxy bơm có thể đảm bảo rằng khi lượng oxy trong buồng thử nghiệm nhiều hơn, oxy trong buồng sẽ được thải ra, khi đó dòng điện điều khiển của bộ điều khiển động cơ sẽ dương; khi lượng oxy trong buồng ít hơn, oxy sẽ được cung cấp, và dòng điện điều khiển của bộ điều khiển động cơ sẽ âm. Dòng điện cung cấp cho oxy bơm trong quá trình trên phản ánh hệ số hàm lượng không khí dư thừa trong khí thải.

4. Điện hóa

Cảm biến điện hóa bao gồm điện cực kim loại + điện cực chì (hoặc than chì) + chất điện phân. Tấm kim loại tiếp xúc đóng vai trò là điện cực chì được nối tương ứng với cực âm và cực dương, và chất điện phân tràn qua nhiều lỗ tròn trên bề mặt cực âm phía trên để tạo thành một lớp điện phân mỏng. Lớp điện phân được phủ một lớp màng polytetrafluoroethylene (PTFE) thấm khí. Khí mẫu đi vào lớp điện phân mỏng thông qua màng thấm và trải qua phản ứng hóa học. Ví dụ, khi sử dụng bạc làm điện cực kim loại, oxy trong khí mẫu sẽ thực hiện phản ứng điện hóa sau trên điện cực:

catốt bạc: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

Anode chì: 2Pb + 4OH- → 2PbO + 2H2O + 4e-

Phản ứng tổng hợp pin: O2 + 2Pb → 2PbO

Dòng điện do ion OH- tạo ra tỷ lệ thuận với nồng độ oxy trong khí mẫu.

5. Loại cơ từ

Mọi vật chất đều có thể bị từ hóa dưới tác dụng của từ trường ngoài. Độ nhạy từ k và độ thẩm từ tương đối μr của các vật liệu khác nhau cũng khác nhau do cấu trúc thành phần khác nhau của vật chất.

Khi μr>1, k>0, vật chất hoặc khí có thể bị hút bởi từ trường, được gọi là vật chất thuận từ. Oxy là một chất thuận từ, và độ nhạy từ thể tích của nó là k=106,2×10-6 ở 20°C. Khi μr<1, k<0, vật chất hoặc khí bị đẩy bởi từ trường, được gọi là vật chất nghịch từ. Nitơ là một chất nghịch từ, và độ nhạy từ khối k=-0,34×10-6 ở 20°C. Chỉ có độ nhạy từ của O2 trong các loại khí khác nhau là lớn nhất, và độ nhạy từ của các khí khác rất nhỏ so với độ nhạy từ khối của oxy (ngoại trừ NO). Độ nhạy từ thể tích của hỗn hợp khí chủ yếu được xác định bởi độ nhạy từ thể tích của oxy và hàm lượng phần trăm của nó. Hàm lượng phần trăm của oxy trong hỗn hợp khí có thể thu được miễn là có thể đo được độ nhạy từ thể tích k-mixing của hỗn hợp khí.

Máy đo oxy từ tính hoạt động dựa trên nguyên lý tính chất thuận từ của oxy và độ nhạy từ cực đại để phân tích hàm lượng oxy trong hỗn hợp khí.

Cảm biến cơ từ bao gồm một cặp quả cầu thủy tinh thạch anh hình tạ chứa đầy khí nitơ, các quả cầu này được bao quanh bởi một dây bạch kim, tạo thành một vòng phản hồi điện. Các quả cầu được treo trong một từ trường, và một gương phản xạ nhỏ được bố trí ở giữa các quả cầu. Khi có các phân tử oxy xung quanh quả cầu, các phân tử này sẽ đẩy quả cầu lệch hướng dưới tác dụng của từ trường. Nồng độ oxy càng cao, góc lệch càng lớn. Một hệ thống quang học chính xác bao gồm nguồn sáng, gương phản xạ và phần tử cảm quang sẽ đo độ lệch này và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện. Sau khi tín hiệu được khuếch đại bởi bộ khuếch đại, một vòng dòng điện được hình thành thông qua mạch phản hồi, và dưới tác dụng của từ trường, quả cầu bị buộc phải trở lại vị trí cân bằng ban đầu. Giá trị dòng điện trong mạch này tỷ lệ thuận với nồng độ oxy.

6. Laser

Nguyên lý đo nồng độ oxy bằng laser như sau: Tia laser hồng ngoại ở một phía của bộ phát được chiếu tới bộ thu ở phía đối diện. Kỹ thuật đo dựa trên sự khác biệt về khả năng hấp thụ ánh sáng của các phân tử khí. Hầu hết các khí chỉ hấp thụ ánh sáng có bước sóng cụ thể, và khả năng hấp thụ ánh sáng phản ánh trực tiếp hàm lượng khí.

Bước sóng laser có thể được xác định bằng cách quét vạch hấp thụ đã chọn, và cường độ ánh sáng được phát hiện thay đổi theo bước sóng laser do sự hấp thụ của các phân tử khí cụ thể trên diode laser và bộ детектор. Để tăng độ nhạy, có thể sử dụng kỹ thuật điều chế bước sóng: Khi quét vạch hấp thụ, bước sóng laser được điều chỉnh nhẹ. Tín hiệu hài bậc hai được sử dụng để đo nồng độ khí hấp thụ. Vì các vạch hấp thụ của các khí khác không tồn tại ở bước sóng cụ thể đó, nên không có sự nhiễu trực tiếp từ các khí khác. Nồng độ khí được đo tỷ lệ thuận với biên độ của vạch hấp thụ.

7. Dòng ion Zirconia

Nguyên lý hoạt động của cảm biến oxy dòng ion được thể hiện trong Hình 1.

Các điện cực bạch kim được phủ lên cả hai mặt của ZrO2 ổn định, và phía cực âm được nối với một nắp có lỗ khuếch tán khí để tạo thành khoang cực âm. Ở một nhiệt độ nhất định, khi hai mặt của điện cực ZrO2 được cấp một điện áp nhất định, các phân tử oxy trong khoang nhận electron tạo thành các ion oxy (O2-) ở cực âm. Ion O2- di chuyển đến cực dương thông qua các lỗ trống oxy của ZrO2, electron được giải phóng và trở thành phân tử oxy dạng khí được giải phóng. Hiện tượng này được gọi là bơm điện hóa, do đó oxy trong khoang cực âm liên tục được bơm ra khỏi khoang bởi chất điện phân ZrO2, và dòng điện được hình thành trong vòng tuần hoàn. Khi tỷ lệ mol của oxy không đổi, điện áp tăng và cường độ dòng điện tăng. Khi điện áp vượt quá một giá trị nhất định, cường độ dòng điện đạt đến trạng thái bão hòa, đó là kết quả của sự khuếch tán oxy qua lỗ nhỏ vào khoang cực âm bị giới hạn bởi lỗ nhỏ đó. Dòng điện bão hòa này được gọi là dòng điện giới hạn. Cơ chế khuếch tán khí trong các lỗ nhỏ quyết định các đặc tính của cảm biến. Có hai giới hạn đối với sự khuếch tán trong lỗ nhỏ, đó là khuếch tán phân tử và khuếch tán Knudsen. Khi đường kính lỗ lớn hơn đường kính trung bình của phân tử khí, dòng điện giới hạn IL trong vùng khuếch tán là:

Trong công thức, F là hằng số Faraday; D là hệ số khuếch tán của phân tử oxy trong không gian tự do; S là diện tích mặt cắt ngang của lỗ khuếch tán; L là chiều dài của lỗ khuếch tán; C là phần mol của oxy xung quanh cảm biến; CT là phần mol của toàn bộ chất khí. Khi C/CT < 1, từ công thức (1), giá trị dòng điện giới hạn tỷ lệ thuận với phần mol của oxy, giá trị dòng điện giới hạn IL là:

Từ công thức (2), dòng điện giới hạn và phần mol oxy gần như tuyến tính. Phần mol oxy trong khí đo được có thể được xác định theo dòng điện đầu ra.

Lớp nền gốm xốp được sử dụng làm lớp khuếch tán để kiểm soát lượng oxy cung cấp cho cực âm của cảm biến, và cấu trúc của cảm biến oxy loại lớp xốp được thể hiện trong Hình 2.

Hình 2. Cảm biến oxy lớp xốp.

Dòng điện giới hạn của cảm biến oxy lớp xốp giống với dòng điện của công thức (2).

Trong công thức, F là hằng số Faraday; Hệ số khuếch tán hiệu dụng của oxy trong lớp xốp Deff; S là diện tích catốt; L là độ dày chất nền của lớp xốp; C là phần mol oxy xung quanh cảm biến. Từ công thức (3), giá trị dòng điện giới hạn của cảm biến oxy lớp xốp tỷ lệ tuyến tính với phần mol oxy.

Đo nồng độ oxy cao

Các nguyên tắc đo nồng độ oxy nêu trên không phải lúc nào cũng được sử dụng cho việc đo nồng độ oxy cao. Ví dụ, zirconia có diện tích bề mặt lớn, nồng độ oxy khoảng 80%, dòng điện tối đa của cảm biến, nếu nồng độ oxy tiếp tục tăng sẽ gây hư hỏng cảm biến, và loại cảm biến này cần phải nung nóng ống zirconia đến 600-1400°C để đo chính xác, có nhiều hạn chế; Cảm biến điện hóa thuộc loại pin nhiên liệu, phản ứng hóa học bên trong cảm biến là không thuận nghịch, cực dương (chì hoặc than chì) liên tục bị oxy hóa (trở thành oxit chì hoặc CO2) trong phản ứng, cho đến khi cực dương bị cạn kiệt, giống như một số nhiên liệu bị oxy hóa và cháy hết, vì vậy tuổi thọ của cảm biến điện hóa có liên quan đến nồng độ oxy đo được, nồng độ càng lớn, sự tiêu hao cực dương càng nhiều, tuổi thọ của cảm biến càng ngắn và độ trôi hàng tháng khoảng 1% khi nồng độ oxy cao hơn 90%.

Do đó, để đo nồng độ oxy cao, người ta thường sử dụng phương pháp dòng ion oxit zirconi, phương pháp cơ từ, phương pháp hấp thụ dung dịch amoniac đồng, v.v.

Phương pháp đo nồng độ oxy bằng từ trường cơ học là một công nghệ đã hoàn thiện, những ưu điểm chính của nó là:

Nó không bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi của các thành phần không đo được trong hỗn hợp khí.

Phản ứng nhanh

Độ ổn định tốt

Nhược điểm chính:

Quá trình tiền xử lý khí mẫu đòi hỏi áp suất cao hơn, bụi, nhựa đường, hơi nước, v.v. có thể dễ dàng ảnh hưởng đến độ chính xác đo, thậm chí gây hư hỏng cảm biến.

Dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường làm việc như lực ngang, rung động, từ trường môi trường.

Trong quá trình thí nghiệm, phương pháp hấp thụ dung dịch amoniac đồng có thể được sử dụng để thay đổi lượng tiêu thụ dây đồng, nhiệt độ môi trường, áp suất môi trường và thành phần khí.

Tỷ lệ phần trăm thể tích oxy trong hỗn hợp khí đo được bằng phương pháp hấp thụ dung dịch đồng-amoniac không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất môi trường, nếu thành phần khí giống nhau, và các giá trị đo được trong các môi trường khí quyển khác nhau sẽ bằng nhau. Tuy nhiên, khi khí chứa các khí oxy hóa khác, kết quả sẽ bị ảnh hưởng nhiều hơn.

Khi sử dụng dòng ion oxit zirconi để đo nồng độ oxy có hàm lượng cao, chỉ có oxy mới có thể được tích điện ở cực âm của chất điện phân rắn và đi qua chất điện phân rắn, và giá trị dòng điện giới hạn tỷ lệ thuận với phần mol của oxy, do đó cảm biến có độ chính xác đo cao và phạm vi đo rộng (0-100%), không bị ảnh hưởng bởi tạp chất, áp suất và nhiệt độ môi trường, có độ ổn định tốt và tiêu thụ điện năng thấp.

Hiện nay, trong và ngoài nước, có rất ít máy phân tích oxy hàm lượng cao dựa trên cảm biến oxy loại dòng ion zirconia, chỉ có khoảng 3-4 công ty trên thế giới, như Shi Fu Mei của Anh, Bille của Đức, v.v. Do giá thành cao, loại máy phân tích này khó được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo hàm lượng oxy cao. Công ty TNHH Công nghệ Điện tử Chang Ai, dựa trên nhiều năm kinh nghiệm phát triển và thiết kế máy phân tích khí, đã giới thiệu một loạt cảm biến oxy dòng ion zirconia dựa trên CI2000-CY, GNL-2100L, SP-980L, GNL-6100 và các máy phân tích oxy hàm lượng cao khác, không chỉ có hiệu suất tương đương với các sản phẩm cùng loại ở nước ngoài mà còn giải quyết được vấn đề giá thành cao của loại máy phân tích này, mang đến nhiều lựa chọn hơn cho người dùng trong và ngoài nước.

Thông số kỹ thuật của máy phân tích hàm lượng oxy cao Chang Ai:

Phạm vi đo: 10.000～99.999%

Độ chính xác đo: ±2%FS

Thời gian phản hồi: T90≤20 giây

Độ ổn định: <±1%FS/7d

Nhiệt độ môi trường thử nghiệm: 0～50℃

Kiểm tra độ ẩm môi trường: <80% RH

Lưu lượng khí mẫu: 400～600ml/phút

Áp suất khí mẫu: 0,05MPa 入口压力 0,2 MPa

Ứng dụng:

Ngành công nghiệp tách khí

Ngành công nghiệp hóa chất và luyện kim

Phát hiện nồng độ oxy trong lò nung nhiệt độ cao

Phát hiện nồng độ oxy trong khí bảo vệ của chất bán dẫn

Xác định nồng độ oxy trong quá trình chăn nuôi, trồng trọt, chế biến và bảo quản rau quả và thực phẩm.

Việc đo nồng độ oxy trong các tàu thuyền, trung tâm chỉ huy ngầm, đường hầm, giếng sâu, các dự án phòng không dân sự và đường hầm đô thị, v.v.

Thẩm quyền giải quyết:

Weng Xiao Ping. Cải tiến hệ thống tiền xử lý của máy phân tích oxy cơ học từ tính [J], Công ty TNHH Gang thép Baoshan (Thượng Hải), 201900.

Zhang Hui và Liu Yingshu. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến việc xác định oxy bằng phương pháp hấp thụ dung dịch đồng-amoniac [J], Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh, 2010.

Wu Qiang và Liu Zhong. Nghiên cứu về cảm biến oxy dòng điện cực mạnh [A], Viện nghiên cứu số 49 thuộc Tập đoàn Công nghệ Điện tử Trung Quốc.