Nguyên lý hoạt động và bảo trì máy phân tích oxy zirconia

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của đầu dò oxy zirconia

Theo các phương pháp phát hiện khác nhau, đầu dò oxy zirconia được chia thành hai loại: đầu dò oxy lấy mẫu và đầu dò oxy cắm trực tiếp.

1. Đầu dò oxy kiểu lấy mẫu

Phương pháp phát hiện lấy mẫu là dẫn khí cần đo vào buồng phát hiện oxit zirconi thông qua một ống dẫn, và oxit zirconi được nung nóng đến nhiệt độ làm việc (trên 750°C) bằng một bộ phận gia nhiệt. Oxit zirconi thường có dạng ống, và điện cực sử dụng điện cực bạch kim xốp. Phát minh này có ưu điểm là không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ của khí cần đo, và có thể phát hiện hàm lượng oxy trong khí ở các nhiệt độ khác nhau bằng cách sử dụng các ống dẫn dòng khác nhau, và tính linh hoạt được áp dụng cho nhiều ứng dụng phát hiện trực tuyến trong công nghiệp. Nhược điểm là thời gian phản ứng chậm. Cấu trúc phức tạp, dễ ảnh hưởng đến độ chính xác phát hiện. Ống lấy mẫu dễ bị tắc nghẽn khi có nhiều tạp chất trong khí cần đo. Điện cực bạch kim xốp dễ bị ăn mòn bởi lưu huỳnh và asen trong khí và bị tắc nghẽn bởi bụi mịn. Bộ phận gia nhiệt thường được đốt nóng bằng dây điện, và tuổi thọ của nó không dài.

Khi nhiệt độ của khí cần phát hiện thấp (0-650°C) hoặc khí cần phát hiện sạch, phương pháp phát hiện kiểu lấy mẫu là phù hợp, chẳng hạn như đo oxy bằng máy tạo nitơ và đo oxy trong phòng thí nghiệm, v.v.

2. Đầu dò oxy cắm trực tiếp

Phương pháp phát hiện kiểu cắm trực tiếp là cắm trực tiếp zirconia vào khí cần đo ở nhiệt độ cao để phát hiện trực tiếp hàm lượng oxy trong khí. Phương pháp này phù hợp với nhiệt độ khí cần đo từ 700°C đến 1150°C (cấu trúc đặc biệt cũng có thể sử dụng cho nhiệt độ cao hơn, lên đến 1400°C). Nhiệt độ cao của khí cần đo được sử dụng để giúp zirconia đạt đến nhiệt độ hoạt động mà không cần sử dụng bộ gia nhiệt (hình 3). Công nghệ then chốt của đầu dò oxy cắm trực tiếp là vấn đề làm kín ở nhiệt độ cao và vấn đề điện cực của vật liệu gốm. Cấu trúc của hai loại đầu dò oxy cắm trực tiếp được liệt kê dưới đây.

(1) Ống zirconia nguyên khối

Cấu trúc này được phát triển từ cấu trúc ống oxit zirconi được sử dụng trong phương pháp lấy mẫu và phát hiện, nghĩa là ống oxit zirconi ban đầu được kéo dài ra, để oxit zirconi có thể được kéo dài trực tiếp vào khí cần đo ở nhiệt độ cao. Cấu trúc này không cần phải xem xét vấn đề làm kín ở nhiệt độ cao.

(2) Đầu dò oxy zirconia kiểu cắm thẳng

Do cần phải đưa trực tiếp zirconia vào khí cần kiểm tra, chiều dài của đầu dò oxy có yêu cầu cao hơn, chiều dài hiệu dụng khoảng 500mm~1000mm, và chiều dài trong môi trường đặc biệt có thể đạt tới 1500mm. Độ chính xác khi kiểm tra, độ ổn định khi làm việc và tuổi thọ đều là những yêu cầu rất cao, vì vậy đầu dò oxy đưa trực tiếp khó có thể sử dụng cấu trúc ống zirconia nguyên khối như đầu dò oxy zirconia truyền thống, mà thường phải sử dụng cấu trúc kết nối giữa zirconia và ống alumina với yêu cầu kỹ thuật cao hơn. Khả năng làm kín là một trong những công nghệ quan trọng nhất của đầu dò oxy zirconia này. Hiện nay, phương pháp kết nối tiên tiến nhất trên thế giới là hàn vĩnh viễn ống zirconia và ống alumina với nhau, khả năng làm kín rất tốt. So với phương pháp lấy mẫu, phương pháp đưa trực tiếp có những ưu điểm rõ rệt: Oxit zirconium tiếp xúc trực tiếp với khí, có ưu điểm là độ chính xác cao, tốc độ phản ứng nhanh và chi phí bảo trì thấp.

Ứng dụng công nghiệp của đầu dò oxy

1. Ứng dụng của lò hơi công nghiệp và lò nung

Khi sử dụng đầu dò oxy, có hai cách đưa khí cần đo vào, đó là đưa trực tiếp và lấy mẫu phát hiện. Kiểu đưa trực tiếp có thời gian phản hồi ngắn, không cần bộ gia nhiệt, cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn và dễ mang theo, nhưng cần phải phát hiện đồng thời nhiệt độ của khí cần đo. Vì nhiệt độ của đầu dò oxy được điều khiển bằng bộ gia nhiệt, độ chính xác đo cao và hoạt động đáng tin cậy, nhưng thời gian phản hồi phụ thuộc vào lưu lượng khí.

Máy phân tích oxy cắm trực tiếp được sử dụng rộng rãi trong việc xác định hàm lượng oxy trong khí thải của lò hơi và lò tái nhiệt (Hình 4). Đầu dò oxy được sử dụng cho mục đích này chủ yếu có cấu trúc hình ống, và ống có thể được mở ở cả hai đầu hoặc ở một đầu, loại thứ hai phổ biến nhất trên thị trường hiện nay. Các điện cực Pt xốp được phủ trên thành trong và thành ngoài của ống ZrO2, và các điện cực trong và ngoài lần lượt kéo dài đến cuối ống, và dây NiCr được nối ở cuối ống làm đầu ra tín hiệu, từ đó điều khiển hệ thống đốt cháy để thực hiện quá trình đốt cháy ít oxy, đạt được mục đích giảm tổn thất nhiệt và tiết kiệm năng lượng.

Lắp đặt cảm biến oxy

Việc lắp đặt hợp lý là chìa khóa để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của cảm biến oxy. Nhiều sự cố khi sử dụng là do lắp đặt cảm biến oxy không đúng cách.

1. Điểm đo lấy mẫu

Việc xác định điểm đo là công việc chính, cần tuân theo các nguyên tắc sau:

(1) Điểm đo được chọn yêu cầu khí được phát hiện trong lò có thể được phản xạ chính xác để đảm bảo tính xác thực của tín hiệu đầu ra của cảm biến oxy và tránh tối đa góc chết của luồng khí hồi lưu;

(2) Điểm đo không được quá gần điểm đốt hoặc vòi phun, vì khí ở những bộ phận này đang phản ứng mạnh, điều này sẽ khiến giá trị phát hiện của cảm biến oxy dao động và biến dạng mạnh; Không được quá gần các thiết bị tạo khí như quạt, để tránh làm hỏng cảm biến do rung động của động cơ;

(3) Phát minh này có thể tránh được việc đặt ở vị trí có thể xảy ra va chạm để tránh làm hỏng đầu dò do va chạm và đảm bảo an toàn cho cảm biến.

2. Phương thức lắp đặt và kết nối cảm biến oxy

(1) Việc lắp đặt đầu dò oxy có thể được thực hiện theo phương ngang hoặc phương dọc, trong đó lắp đặt theo phương dọc là lý tưởng. Cho dù sử dụng phương pháp nào, hướng của tấm dẫn hướng của ống lấy mẫu đầu dò nên càng gần hướng dòng khí cần đo càng tốt, và trong quá trình lắp đặt ban đầu, hướng cơ bản được xác định bằng cách nắm rõ quy trình. Sau khi hệ thống được cấp nguồn để làm nóng đầu dò, hướng của ống lấy mẫu được xoay, và sự dao động của điện thế oxy đầu ra được quan sát bằng đồng hồ vạn năng kỹ thuật số để cuối cùng xác định hướng dẫn tốt hơn.

(2) Khớp nối được sử dụng để lắp đặt cảm biến oxy là khớp nối mặt bích đặc biệt, và miếng đệm amiăng được bố trí để ép chặt nhằm đảm bảo độ kín, nếu không, do lò nung thông thường là áp suất âm, sự rò rỉ tại khớp nối mặt bích có thể ảnh hưởng đến độ chính xác đo hoặc gây ra sự dao động tín hiệu.

(3) Đường dẫn tín hiệu ra của cảm biến oxy tốt nhất nên là đường dây bọc chống nhiễu. Cách tốt nhất là sử dụng hai cáp hai lõi, một cáp bọc hai lõi để xuất ra điện thế oxy và một cáp điều khiển KVV hai lõi để điều khiển đầu dò làm nóng đầu nối. Nếu điều kiện thực địa không tồn tại, có thể sử dụng cáp KVV 4 lõi để kết nối trực tiếp tín hiệu điện thế oxy của đầu dò với đầu gia nhiệt.

(4) Cổng khí tiêu chuẩn của đầu dò oxy thường đóng và chỉ được sử dụng khi khí được hiệu chuẩn; Cổng thổi khí được kết nối với bơm khí hoặc đường ống khí nén, đầu vào khí của cổng thổi khí thường được điều khiển bởi một van như van điện từ, van được mở một lần trong một khoảng thời gian nhất định, khí được đưa vào ống lấy mẫu thổi khí, van được đóng lại khi đầu dò hoạt động bình thường và không có khí nào khác có thể đi vào ống lấy mẫu. Đầu dò quét khí nén của nhà sản xuất phải đảm bảo rằng khí nén không chứa nước, tức là khí nén được sử dụng phải được tách khỏi nước.

Sử dụng và bảo trì cảm biến oxy

1. Kết nối điều khiển nhiệt

Đầu dò oxy kiểu lấy mẫu chỉ hoạt động bình thường sau khi cảm biến oxy được kết nối với bộ điều khiển nhiệt. Tín hiệu đầu ra ở trạng thái nguội là tín hiệu ngẫu nhiên, không có ý nghĩa gì. Sau khi cảm biến oxy được kết nối với bộ điều khiển nhiệt, quá trình đo khí bình thường có thể bắt đầu ở nhiệt độ phòng. Thông thường, điểm 0 của đầu dò được thiết lập ở nhiệt độ phòng. Sau khi làm nóng đầu dò và đo không khí, người ta sử dụng đồng hồ vạn năng kỹ thuật số để đo giá trị milivolt đầu ra của đầu dò tại thời điểm này. Giá trị này là giá trị độ lệch vị trí 0 của đầu dò. Độ lệch vị trí 0 cần được cộng thêm vào thiết bị hiển thị để hiệu chỉnh nồng độ oxy được hiển thị.

2. Những điều cần cân nhắc khi lắp đặt hoặc thay thế cảm biến oxy

Khi lắp đặt hoặc thay thế cảm biến oxy, giá trị hiển thị nồng độ oxy của máy phân tích oxy phải được hiệu chỉnh. Nếu không thực hiện thao tác này, nồng độ oxy được máy phân tích oxy phát hiện có thể sai lệch so với nồng độ thực tế sau khi thay thế cảm biến mới, do đó ảnh hưởng đến phép đo.

3. Nguyên tắc và phương pháp hiệu chỉnh nồng độ oxy.

Tín hiệu đầu ra của cảm biến oxy là nồng độ khí cần đo và giá trị chênh lệch điện thế chuẩn so với không khí, ta gọi đó là điện thế oxy. Giá trị điện thế này tại điểm 0 (tức là đo trong không khí), có thể bị sai lệch do điện thế đầu ra ban đầu của các đầu dò khác nhau, và điện thế đầu ra được chuyển đổi từ mô hình sang nồng độ oxy có thể bị sai số. Vì vậy, việc hiệu chuẩn tín hiệu đầu dò trong máy phân tích oxy là rất cần thiết, nếu không, nồng độ oxy và nồng độ khí thực tế đo được sẽ có sự sai lệch lớn, không đáp ứng được nhu cầu sản xuất thực tế, thậm chí còn gây ảnh hưởng sai lệch đến quá trình sản xuất.

Việc hiệu chỉnh cụ thể thường được thực hiện bằng khí chuẩn. Phương pháp là đưa khí chuẩn đã được xác nhận bằng phương pháp đo vào đầu dò thông qua cổng khí chuẩn, đo điện thế oxy đầu ra và nồng độ oxy hiển thị trên thiết bị tại thời điểm này. Nồng độ oxy hiển thị trên thiết bị phải giống với nồng độ khí chuẩn; nếu có bất kỳ sự sai lệch nào, cần hiệu chỉnh thông số tuyến tính của thiết bị. Phương pháp đo chuẩn yêu cầu ít nhất ba hệ thống hiệu chuẩn khí chuẩn có nồng độ khác nhau, để độ tuyến tính của hệ thống được hiệu chỉnh lặp đi lặp lại thông qua ba lần hiệu chuẩn, và đảm bảo hoạt động bình thường của hệ thống.

4. Ảnh hưởng của sự tích tụ bụi đến cảm biến oxy và phương pháp làm sạch.

Vì cảm biến oxy là thiết bị đo và phát hiện trực tuyến dài hạn, bụi sinh ra từ lò hơi và các thiết bị khác (đặc biệt là lò đốt than hoặc lò đốt bột, v.v.) sẽ làm tắc nghẽn đường ống lấy mẫu dẫn khí, dẫn đến sai lệch số liệu đo, thậm chí không thể đo được. Lúc này, cần phải thường xuyên quét bụi trong ống lấy mẫu, xác định mức độ lắng đọng tro bụi dựa trên chiều dài và thời gian quét. Phương pháp quét này yêu cầu máy phân tích oxy phải có chức năng tương ứng hoặc thiết bị bảo dưỡng cảm biến oxy phù hợp. Nếu không có các thiết bị này, chỉ có thể lắp đặt van điều khiển bằng tay để điều chỉnh khí nén hoặc bơm khí để thường xuyên đưa khí vào cổng thổi bụi để làm sạch đầu dò. Tuy nhiên, lúc này cần chú ý đến các tình huống sau:

(1) Do điện thế oxy của cảm biến oxy sẽ giảm trong quá trình làm sạch, mức thấp nhất có thể giảm xuống còn 1, 2 mV, lúc này điện thế oxy được phát hiện không đại diện cho bầu khí quyển trong lò nung, điểm này cần được lưu ý.

(2) Lưu lượng khí quét phải đảm bảo có thể loại bỏ muội than, có thể quan sát giá trị đầu ra của điện thế oxy của cảm biến oxy trong quá trình quét. Nếu giá trị điện thế oxy không giảm, điều đó cho thấy lưu lượng khí quá nhỏ, bụi chưa được làm sạch và cần điều chỉnh hoặc kiểm tra đường ống quét.

(3) Kênh của lỗ thổi được thông trực tiếp với lò, và sau khi quá trình thổi hoàn tất, van phải được đóng lại, lỗ thổi phải được bịt kín, và không khí áp suất âm trong lò phải được ngăn không cho xâm nhập vào, vì điều này sẽ ảnh hưởng đến việc phát hiện cảm biến oxy.

Khi phân tích chất lượng cảm biến, cần xem cảm biến oxy như một bộ phận phát hiện riêng biệt. Khi kiểm tra điện thế oxy của cảm biến oxy, cần ngắt kết nối tất cả các dây dẫn nối với cảm biến oxy, và điện thế oxy được đo trực tiếp tại đầu ra của cảm biến bằng đồng hồ đo kỹ thuật số có điện trở trong cao. Bằng cách đo điện thế oxy, các giá trị thu được sẽ được so sánh với các giá trị khi sử dụng bình thường.

Hoạt động thực tế

Từ năm 2003, lò cracking của nhà máy chúng tôi đã sử dụng máy phân tích zirconia trực tiếp chịu nhiệt độ cao ZGP2+ZDT, chủ yếu dùng để đo hàm lượng oxy trong khí thải, tham gia vào việc điều khiển quá trình đốt cháy của lò cracking, và hoạt động ổn định, đáng tin cậy. Vào tháng 5 năm 2005, phát hiện thấy độ lệch của giá trị chỉ thị tương đối lớn, tất cả đều là độ lệch dương, xác định rằng đường dẫn khí bị rò rỉ, khí điểm không được thông qua đường dẫn khí chuẩn, và phát hiện rò rỉ ở lưu lượng kế rôto. Do áp suất âm trong hệ thống đo, không khí bên ngoài xâm nhập vào, vì tỷ lệ thể tích oxy trong không khí cao nên giá trị đo được cao, và quá trình xử lý vẫn bình thường. Tóm lại, một số điểm cần chú ý trong thực tế như sau:

⑴ Ống zirconium cần hoạt động bình thường ở 750°C, do đó thiết bị phải duy trì nhiệt độ ổn định.

⑵Không có rò rỉ đường ống dẫn khí

⑶Giữ áp suất kim phun ổn định ở mức 0,15MPa

⑷ Nguồn khí phun phải được đóng lại khi kiểm tra khí chuẩn và mở ra trong quá trình đo.

⑸Sự hiện diện của H2, CO, CH4 và các khí dễ cháy khác trong khí đo sẽ làm cho kết quả đo thấp hơn.

Phần kết luận

Máy đo oxy zirconia có những ưu điểm như cấu trúc đơn giản, thời gian phản hồi ngắn, phạm vi đo rộng, nhiệt độ sử dụng cao, hoạt động đáng tin cậy, lắp đặt thuận tiện, bảo trì ít, v.v.

Do đó, nó được sử dụng rộng rãi trong luyện kim, công nghiệp hóa chất, điện lực, gốm sứ, ô tô, bảo vệ môi trường và các ngành công nghiệp khác.