Analisador de teor de oxigênio de zircónio

Analisador de teor de oxigênio de zircónio- Jinhu Tianxiang Instruments Co., Ltd. A qualidade é a vida da empresa, cada produto é uma obra artesanal!

Princípio de medição de oxigênio da sonda de zircónio

O mecanismo condutor do óxido de zircónio: a solução de eletrólito é condutora de íons, e a substância sólida com propriedades condutoras de íons é chamada de eletrólito sólido. Um eletrólito sólido é uma estrutura cristalina iônica que conduz o movimento iônico através de buracos vazios, semelhante ao mecanismo de condução elétrica de buracos vazios de semicondutores tipo P.

O óxido de zircónio puro (ZrO2) não é condutor elétrico, dopando uma certa proporção de metais de baixo preço como estabilizadores, como óxido de cálcio (CaO2), óxido de magnésio (MgO), óxido de ítrio (Y2O3), tem condutividade elétrica a alta temperatura, tornando-se um eletrólito sólido de óxido de zircónio.

Por que o óxido de zircónio tem alta condutividade iónica após a adição de estabilizadores?

Isso ocorre porque, com uma mistura de ZrO2 com uma pequena quantidade de CaO2, durante o processo de cristalização, os íons de cálcio entram no cristal cúbico e substituem os íons de zircónio. Como o zircónio é + 4 valor, e o cálcio é + 2 valor, um íon de cálcio entra no cristal, traz apenas um íon de oxigênio, e o zircónio substituído traz dois íons de oxigênio, como resultado, deixa um vazio de íons de oxigênio no cristal. Por exemplo: (ZrO2) 0,85 (CaO2) 0,15 como o óxido de zircónio (a fração molar do óxido de zircónio é de 85% e a fração molar do óxido de cálcio é de 15%) tem 7. O buraco de íons de oxigênio com fração molar de 5% é um bom eletrólito sólido de íons de oxigênio.

Em ambos os lados de um eletrólito sólido de óxido de zircónio de alta densidade, usando o método de sinterização para fazer camadas porosas de platina de alguns micrômetros a dezenas de micrômetros de espessura como eletrodos, e depois soldar fios de platina como fio de chumbo no eletrodo, constitui a bateria de diferença de concentração de oxigênio, se a bateria do lado esquerdo entra no gás de referência (ar), a pressão parcial de oxigênio é p0; a bateria do lado direito entra no gás medido, a pressão parcial de oxigênio é p1 (desconhecido).

Definir p0 > p1, em altas temperaturas (650 ... 850 ℃), o oxigênio será difundido do lado da pressão fraccionada grande p0 para o lado da pressão fraccionada pequena p1, essa difusão não é a molécula de oxigênio através do óxido de zircónio do lado P0 ao lado P1, mas a molécula de oxigênio é dissolvida em íons de oxigênio após o processo de zircónio.

Em uma temperatura elevada de cerca de 750 ° C, sob a ação catalítica do eletrodo de platina, ocorre uma reação de redução no lado P0 da bateria, uma molécula de oxigênio obtém 4 elétrons do eletrodo de platina, transformando-se em dois íons de oxigênio (O2-) para entrar no eletrólito, ou seja: o eletrodo de platina do lado O2 (P0) + 4e → 2O2-P0 é carregado positivamente devido a uma grande quantidade de elétrons dados, tornando-se o pósito ou ánodo da bateria com diferença de concentração de oxigênio. Depois que esses íons de oxigênio entram no eletrólito, movem-se para a frente através do buraco no cristal até o eletrodo de platina do lado direito, e ocorre uma reação oxidativa no lado P1 da bateria, onde os íons de oxigênio liberam elétrons no eletrodo de platina e se ligam em moléculas de oxigênio, ou seja: 2O2- - 4e → O2 (P1)

O eletrodo de platina lateral P1 é carregado negativamente devido a uma grande quantidade de elétrons, tornando-se o negativo ou o catódo da bateria com diferença de oxigênio.

Desta forma, em dois eletrodos, uma potência elétrica é formada devido ao acúmulo de cargas positivas e negativas, chamada de potência elétrica diferencial de concentração de oxigênio. Quando os dois eletrodos são conectados em um circuito com um fio, os elétrons no pólo negativo fluem através do circuito externo para o pólo positivo, fornecendo moléculas de oxigênio para formar íons, e a corrente passa no circuito. O tamanho da dinâmica diferencial de oxigênio está relacionado com a concentração de oxigênio em ambos os lados do eletrólito sólido de zircónio.

Princípio de funcionamento do sensor de oxigênio de zircónio

Os eletrodos porosos de platina (Pt) sinterizados em ambos os lados do eletrólito de zircónio (tubo ZrO2), o corpo da bateria de medição é dividido em 3 camadas: platina (eletrodo) - zircónio (eletrólito) - platina (eletrodo). Os eletrodos de platina são porosos. O gás de fumigação entra no lado do gás medido da bateria através do filtro ou do gás de verificação através do condutor, enquanto o outro lado é o ar de referência (20,60% de oxigênio).

Dois gases com diferentes concentrações de oxigênio atuam na medição da bateria, gerando um potencial logarístico regular (quanto maior a diferença de concentração de oxigênio em ambos os lados, maior o sinal potencial). O analisador de sinal de milivolts é convertido em corrente padrão de 0-10mA ou 4-20mA. Esta corrente é emitida pelo terminal de ligação do analisador de oxigênio.

A temperatura de funcionamento da bateria de medição é definida para uma temperatura constante acima de 650 ℃, para manter a temperatura de funcionamento constante, use um termopar tipo K para medir a temperatura de funcionamento da bateria, o controlador de temperatura dentro do analisador de oxigênio ajusta a tensão de aquecimento do aquecedor.

Quando a temperatura do gás de fumaça é medida acima de 700°C, o aquecedor e o termopar de medição são eliminados da composição do sensor.

No ideal, quando o gás de fumaça medido é a mesma concentração do gás de referência, seu potencial de saída é de 0 mV, mas em aplicações práticas, as condições reais do zircónio e as condições de campo não são ideais. Na verdade, o zircónio está desviado desse valor. Na verdade, um certo teor de oxigênio potencial de saída de zircónio é o valor teórico e a soma do potencial básico, chamamos o valor potencial de saída de zircónio em condições sem diferença de concentração de potencial básico ou chamado de potencial zero, o tamanho deste valor em diferentes temperaturas apresenta valores diferentes e varia com a extensão do período de uso do zircónio. Portanto, se esta situação não for tratada, afetará gravemente a precisão e a vida útil da sonda de todo o conjunto de oxigêmetros.

Estrutura e tipos de analisadores de oxigênio de zircónio

O analisador de oxigênio de zircónio é composto por um sensor de oxigênio (também conhecido como sonda de oxigênio, detector de oxigênio), um analisador de oxigênio (também conhecido como transmissor, unidade de transmissão, conversor, analisador) e dispositivos à prova de poeira, termopares, aquecedores, condutores de gás padrão, caixas de conexão e carcaça.

O dispositivo à prova de poeira é composto por uma tampa à prova de poeira e um filtro, que pode impedir que a poeira do gás de fumaça entre no interior do tubo de óxido de zircónio, protegendo os componentes do tubo de zircónio da poluição e desempenhando o papel de amostra de gás tampão.

O elemento do tubo de zircónio é o componente central da sonda de oxigênio, que gera um sinal de potencial diferencial de concentração de oxigênio. O tubo de óxido de zircónio é um óxido metálico cerâmico que deve ser usado para evitar vibrações fortes para evitar danos aos componentes do tubo de zircónio.

O termopar é usado para o controle do termostato do aquecedor incorporado na sonda, e também é um componente para medir a temperatura do gás medido na caldeira e no forno, fornecendo um sinal de temperatura para o cálculo do oxigênio.

O papel do aquecedor é fornecer a temperatura necessária para o funcionamento normal do componente de eletrólito sólido de zircónio, de modo que ele também funcione normalmente em ambientes de gás de fumaça medido abaixo de 600 ℃.

O sinal potencial de oxigênio da sonda de oxigênio e o sinal de temperatura do par térmico são amplificados pelo circuito de conversão A / D de transmissão, juntamente com o processamento de dados do fator de correção, para obter a percentagem do teor de oxigênio. Ao mesmo tempo, o sistema pode implementar o potencial de oxigênio, a temperatura da sonda, a exibição do valor do coeficiente de correção e o controle de temperatura estática do forno de aquecimento do zircónio, complementado com a proteção contra a ruptura, a proteção contra a sobretemperatura e a proteção contra a contração do par térmico para garantir o funcionamento confiável do sistema.

De acordo com o método de detecção, a sonda de oxigênio de zircónio é dividida em duas categorias principais: sonda de oxigênio de amostragem e sonda de oxigênio de inserção direta.

Proba de oxigênio de amostragem

O método de amostragem de detecção é através de um tubo de condução, o gás medido é importado para a câmara de detecção de óxido de zircónio e, em seguida, o óxido de zircónio é aquecido para a temperatura de funcionamento (acima de 750 ° C) através do elemento de aquecimento. O óxido de zircónio é geralmente usado em forma de tubo e o eletrodo usa eletrodos porosos de platina. A vantagem é que não é afetada pela temperatura do gás de detecção, e o teor de oxigênio em gases de várias temperaturas pode ser detectado usando diferentes condutores, uma flexibilidade que é aplicada em muitas inspeções on-line industriais. Sua desvantagem é o tempo de resposta lento; Estrutura complexa e fácil de afetar a precisão da detecção; Quando são detectadas mais impurezas de gás, o tubo de amostragem é facilmente bloqueado; Elétrodos porosos de platina são vulneráveis à corrosão de enxofre, arsênico, etc. no gás e ao bloqueio de pequenas poeiras; Os aquecedores geralmente são aquecidos com fio de forno elétrico, e a vida útil não é longa.

Quando a temperatura do gás testado é baixa (0 ° C a 650 ° C), ou o gás testado é mais limpo, é apropriado usar métodos de teste de estilo, como medição de oxigênio de nitrogênio, medição de oxigênio de laboratório, etc.

Analisador de teor de oxigênio de zircónioSonda de oxigênio de detecção direta

A detecção de plug direto é inserir o óxido de zircónio diretamente no gás medido de alta temperatura, detectar diretamente o teor de oxigênio no gás, este método de detecção é adequado para a temperatura do gás detectado em 700 ° C ~ 1150 ° C (a estrutura especial também pode ser usada para a alta temperatura de 1400 ° C), ele usa a alta temperatura do gás medido para que o óxido de zircónio atinja a temperatura de trabalho, sem necessidade de aquecedor adicional. A chave técnica para as sondas de oxigênio plug-in direto é o problema da vedação a alta temperatura e dos eletrodos em materiais cerâmicos.

Devido à necessidade de inserir o óxido de zircónio diretamente no gás de detecção, o comprimento da sonda de oxigênio tem requisitos elevados, o seu comprimento eficaz é de cerca de 500 mm a 1000 mm, o comprimento ambiental especial pode chegar a 1500 mm. E a precisão de detecção, a estabilidade de trabalho e a vida útil são muito altos requisitos, por isso, é difícil usar a estrutura tubular geral da sonda de oxigênio de zircónio tradicional, mas adotar a estrutura de conexão de tubos de zircónio e alumínio com requisitos técnicos mais elevados. O desempenho de vedação é uma das principais tecnologias para esta sonda de oxigênio de zircónio. O modo de conexão atual é soldar o óxido de zircónio com o tubo de óxido de alumínio, sua boa vedação, em comparação com o método de detecção de estilo, a detecção de plug-in direto tem vantagens óbvias: o óxido de zircónio entra em contato direto com o gás, alta precisão de detecção, velocidade de resposta rápida e menor quantidade de manutenção.