Zirkonoxid Sauerstoffgehaltsanalysator

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Sauerstoffmessprinzip der Zirkonoxid-Sauerstoffsonde

Leitfähigkeit von Zirconiumoxid: Elektrolytlösung ist von Ionen geleitet, und Feststoffe mit Ionen-Leitfähigkeit werden als Festelektrolyte bezeichnet. Feste Elektrolyte sind Ionenkristallstrukturen, die durch Hohlloche die Ionenbewegung leiten, ähnlich dem Mechanismus der elektrischen Leitung von Halbleiterlochen des Typs P.

Reines Zirkonoxid (ZrO2) ist nicht leitfähig und dopiert mit einem bestimmten Anteil an niedrigen Werten als Stabilisator, wie Calciumoxid (CaO2), Magnesiumoxid (MgO), Yttriumoxid (Y2O3), hat eine hohe Temperaturleitfähigkeit und wird zu einem festen Zirkonoxidelektrolyten.

Warum hat Zirconiumoxid eine hohe ionische Leitfähigkeit, wenn Stabilisatoren hinzugefügt werden?

Dies liegt daran, dass die ZrO2-Mischung mit einer kleinen Menge CaO2 während des Kristallisationsprozesses in den Kubikkristall gelangt und Zirkonium ersetzt wird. Da das Zirkonium +4 ist und das Kalziumion +2 ist, tritt ein Kalziumion in den Kristall ein, bringt nur ein Sauerstoffion ein, und das ersetzte Zirkonium bringt zwei Sauerstoffionen heraus, was ein Sauerstoffion-Loch im Kristall hinterlässt. Zum Beispiel: (ZrO2) 0,85 (CaO2) 0,15 Zirkonoxid (der Molanteil von Zirkonoxid ist 85%, der Molanteil von Calciumoxid ist 15%) hat 7. Das Sauerstoff-Ionen-Loch mit einem Molanteil von 5% ist ein guter Sauerstoff-Ionen-Festelektrolyt.

Auf beiden Seiten eines hochdichten Zirkonoxid-festen Elektrolyten wird eine poröse Platinschicht von ein paar Mikrometer bis Dutzende Mikrometer dick als Elektrode gefertigt, dann wird der Platindraht als Leitung auf der Elektrode geschweißt, um eine Sauerstoffdifferenzbatterie zu bilden, wenn die Batterie auf der linken Seite in das Referenzgas (Luft) gelangt, der Sauerstoffanteildruck ist p0; Die Batterie auf der rechten Seite gelangt in das gemessene Gas, dessen Sauerstoffanteildruck ist p1 (unbekannt).

Setzen Sie p0 > p1, bei hohen Temperaturen (650 ... 850 ° C), wird Sauerstoff von der Partitionsdruck große p0 Seite auf die Partitionsdruck kleine p1 Seite verbreiten, diese Diffusion, nicht die Sauerstoffmoleküle durch Zirkoniumoxid von der P0 Seite auf die P1 Seite, sondern die Sauerstoffmoleküle nach der Auflösung in Sauerstoffionen, durch den Prozess von Zirkoniumoxid.

Bei einer hohen Temperatur von etwa 750 ° C unter der katalytischen Wirkung der Platinelektrode findet die Reduktionsreaktion auf der P0-Seite der Batterie statt, ein Sauerstoffmolekül erhält 4 Elektronen aus der Platinelektrode und verwandelt sich in zwei Sauerstoffionen (O2-) in den Elektrolyten, dh: O2 (P0) + 4e → 2O2-P0-Seite der Platinelektrode ist aufgrund einer großen Menge an Elektronen positiv geladen und wird zur positiven oder anoden der Sauerstoffdifferenzbatterie. Diese Sauerstoffionen gelangen in den Elektrolyten und bewegen sich durch die Hohlloche im Kristall nach vorne, um die Platinetrode auf der rechten Seite zu erreichen. Auf der P1-Seite der Batterie erfolgt eine Oxidationsreaktion, wobei Sauerstoffionen Elektronen auf der Platinetrode freisetzen und sich zu Sauerstoffmolekülen binden, nämlich: 2O2- - 4e → O2 (P1)

Die P1-seitige Platinelektrode ist aufgrund der großen Menge an Elektronen negativ geladen und wird zur Negative oder Kathode einer Sauerstoffdifferenzbatterie.

Auf diese Weise bildet sich an beiden Elektroden aufgrund der Ansammlung positiver und negativer Ladungen ein Potential, das als Sauerstoffdifferenz-Potential bezeichnet wird. Wenn die beiden Elektroden mit einem Leiter in einen Schaltkreis verbunden werden, fließen die Elektronen auf dem negativen Pol durch den äußeren Schaltkreis zum positiven Pol und versorgen die Sauerstoffmoleküle mit Ionen, die den Strom im Schaltkreis durchführen. Die Größe der differentiellen elektrischen Dynamik des Sauerstoffkonzentrations hängt mit der Sauerstoffkonzentration in den Gasen auf beiden Seiten des Zirkonoxid-Festelektrolyten zusammen.

Arbeitsprinzip des Zirkonoxidsauerstoffsensors

Die poröse Platin-Elektrode (Pt) wird auf beiden Seiten des Zirkonoxid-Elektrolyten (ZrO2-Rohr) gesintert und der Messkörper wird in 3 Schichten unterteilt: Platin (Elektrode) - Zirkonoxid (Elektrolyt) - Platin (Elektrode). Die Platinelektrode ist porös. Das Rauchgass gelangt über den Filter oder das Verifikationsgas über das Leitrohr auf der Seite des Messgasses der Batterie und auf der anderen Seite ist die Referenzluft (Sauerstoffgehalt 20,60%).

Zwei Gase mit unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen wirken bei der Messung der Batterie und erzeugen ein logarithmisches Potential (je größer der Unterschied in der Sauerstoffkonzentration auf beiden Seiten ist, desto größer ist das Potentialsignal). Der Millivolt-Signalanalysator wird in einen Standardstrom von 0 bis 10 mA oder 4 bis 20 mA umgewandelt. Dieser Strom wird von der Anschlussklemme des Sauerstoffanalysators ausgegeben.

Die Betriebstemperatur der Messbatterie ist auf eine konstante Temperatur von über 650 ° C eingestellt, um die Betriebstemperatur konstant zu halten, messen Sie die Betriebstemperatur der Batterie mit einem K-Thermoelement, und der Temperaturregler im Oxygenanalysator regelt die Heizspannung des Heizers.

Bei der Messung von Rauchgasen über 700 °C werden Heizer und Thermoelektronen aus der Sensorzusammensetzung gespart.

Idealerweise beträgt das gemessene Rauchgas den Ausgangspotentialwert E von 0 mV, wenn es die gleiche Konzentration des Referenzgases hat, aber in der praktischen Anwendung sind weder die tatsächlichen Bedingungen noch die Feldbedingungen des Zirkonrohres idealer Zustand. Die Geschichte ist tatsächlich Zirkon abweicht von diesem Wert. Tatsächlich ist das Potential eines bestimmten Sauerstoffgehalts der Ausgabe von Zirkonröhren die Summe der theoretischen Werte und des Grundpotentials, wir nennen den Potentialwert der Ausgabe von Zirkonröhren unter keinen starken Differenzbedingungen das Grundpotential oder das Nullpotential, die Größe dieses Wertes ist bei verschiedenen Temperaturen unterschiedlich und ändert sich mit der Verlängerung der Zirkonröhrendauer. Wenn diese Situation nicht behandelt wird, können die Genauigkeit und die Lebensdauer des gesamten Oxygenmeters stark beeinträchtigt werden.

Struktur und Arten von Zirkonoxid-Sauerstoffanalysern

Die Zusammensetzung des Zirkonoxid-Sauerstoffanalysers besteht aus Sauerstoffsensoren (auch Sauerstoffsonden, Sauerstoffdetektoren genannt), Sauerstoffanalysern (auch Sender, Übertragungseinheiten, Umrichter, Analysatoren genannt) sowie Staubschutzeinrichtungen, Thermoelementen, Heizungen, Standard-Gasleitungen, Anschlussboxen und Gehäusegehäusen.

Die Staubschutzeinrichtung besteht aus einer Staubschutzabdeckung und einem Filter, der verhindert, dass der Staub aus dem Rauchgas in das Zirkonoxid-Rohr eindringt, so dass die Zirkonröhrelemente vor Verschmutzung geschützt sind und als Puffergas wirken können.

Das Zirkonoxid-Rohrelement ist ein Kernbauteil der Sauerstoffsonde, die ein Signal des Differenzpotentials erzeugt. Zirkonoxidrohr ist ein keramisches Metalloxid, das bei der Verwendung starke Vibrationen vermeiden muss, um die Zirkonoröhrelemente zu beschädigen.

Das Thermoelektroelement dient zur Thermostateinregelung des in die Sonde eingebauten Heizers und ist auch ein Element zur Messung der Temperatur des gemessenen Gases in den Kesseln und Ofenruchkanälen, um ein Temperatursignal für die Sauerstoffberechnung bereitzustellen.

Die Rolle des Heizers ist es, die Temperatur zu liefern, die für den normalen Betrieb der Zirkonoxid-Elektrolytkomponenten erforderlich ist, damit sie auch in einer gemessenen Rauchgas-Umgebung unter 600 ° C funktionieren kann.

Das Sauerstoffpotentialsignal der Sauerstoffsonde und das Thermoelement-Temperatursignal werden durch einen verstärkten A/D-Umwandlungskreis mit dem Korrekturkoeffizienten verarbeitet, um den prozentualen Sauerstoffgehalt zu ermitteln. Gleichzeitig kann das System die Anzeige des Sauerstoffpotentials, der Temperatur der Sonde und des Korrekturkoeffizienten durchführen und die thermostatische Steuerung des Heizofens des Zirkonrohres durchführen, ergänzt durch den Kopplungsschutz, den Übertemperaturschutz und den Rückkoppelschutz, um die zuverlässige Arbeit des Systems sicherzustellen.

Je nach Prüfmethode unterteilt sich die Zirkoxid-Sauerstoffsonde in zwei Hauptkategorien: Probenaufnahme-Sauerstoffsonde und direkte Sauerstoffsonde.

Sauerstoffprobe zur Probenahme

Die Probenahmemethode besteht darin, das gemessene Gas durch ein Leitrohr in die Zirkoniumerfassungskammer zu bringen und das Zirkoniumer durch das Heizelement auf die Arbeitstemperatur (über 750 °C) zu erhitzen. Zirconiumoxid verwendet in der Regel eine röhrenförmige Elektrode mit porösen Platinelektroden. Der Vorteil besteht darin, dass es nicht von der Erfassungstemperatur beeinflusst wird und dass der Sauerstoffgehalt in verschiedenen Temperaturgasen durch die Verwendung verschiedener Leiter erfasst werden kann. Diese Flexibilität wird in vielen industriellen Onlineprüfungen angewendet. Der Nachteil ist die langsame Reaktionszeit; Komplexe Struktur und Einfluss auf die Prüfgenauigkeit; Wenn mehr Gasverschmutzungen erkannt werden, kann das Probenrohr leicht verstopft werden; Die poröse Platinelektrode ist anfällig für die Korrosion von Schwefel, Arsen usw. in Gasen und die Verstopfung von feinem Staub; Die Heizung wird in der Regel mit elektrischem Ofendraht erhitzt und hat keine lange Lebensdauer.

Wenn die Temperatur des getesteten Gases niedriger ist (0 ° C bis 650 ° C) oder das gemessene Gas sauberer ist, ist es geeignet, Stil-Testmethoden wie Stickstoffmaschinen, Sauerstoffmessungen im Labor usw. zu verwenden.

Zirkonoxid SauerstoffgehaltsanalysatorDirekt eingesetzte Sauerstoffsonde

Direktplug-Detektion ist Zirkonioxid direkt in das hohe Temperatur gemessene Gas einzuführen, direkt den Sauerstoffgehalt im Gas zu erkennen, diese Detektionsmethode ist geeignet, um die Gastemperatur bei 700 ° C ~ 1150 ° C zu erkennen (die spezielle Struktur kann auch für die hohe Temperatur von 1400 ° C verwendet werden), es nutzt die hohe Temperatur des gemessenen Gases, um Zirkonioxid zu erreichen, ohne zusätzliche Heizung zu verwenden. Der technische Schlüssel für die direktsteckbare Sauerstoffsonde ist das Problem der Hochtemperaturdichtung und der Elektroden von Keramikmaterialien.

Aufgrund der Notwendigkeit, Zirconium direkt in das Detektionsgas einzuführen, hat die Länge der Sauerstoffsonde hohe Anforderungen, ihre effektive Länge beträgt etwa 500mm bis 1000mm, und die spezielle Umgebungslänge kann bis zu 1500mm erreichen. Die Prüfgenauigkeit, die Arbeitsstabilität und die Lebensdauer haben hohe Anforderungen, so dass die direktsteckbare Sauerstoffsonde schwierig ist, die gesamte Zirconium-Rohrstruktur der traditionellen Zirconium-Sauerstoffsonde anzunehmen, sondern die Struktur der Zirconium- und Aluminiumoxid-Rohrverbindung mit hohen technischen Anforderungen. Dichtungsleistungen sind eine der Schlüsseltechnologien dieser Zirconium-Sauerstoffsonde. Derzeit ist die Verbindungsmethode von Zirconium mit Aluminiumoxid-Rohren verschweißt, seine Dichtung ist gut, im Vergleich zu der Prüfmethode des Stils hat die Direktplug-Detektion offensichtliche Vorteile: Zirconium direkt in Kontakt mit dem Gas, hohe Präzision, schnelle Reaktionsgeschwindigkeit und geringere Wartungsmenge.