АзбукаКИП
Главная » Обнаружение газов » Приборы и технологии

Циркониевые сенсоры кислорода. Устройство и принцип работы

Наиболее широко сенсоры кислорода на основе оксида циркония применяются в газоанализаторах для непрерывного измерения концентрации кислорода в отходящих топочных газах, например, водогрейных и паровых котлов. Этому способствовала их способность работать в горячих, загрязненных и увлажненных газах без предварительной подготовки пробы.

Циркониевая ячейка

Циркониевая ячейка кислорода представляет собой цилиндрическую емкость (трубку) из оксида циркония. Один торец этой трубки открыт и через него внутрь трубки поступает анализируемая газовая смесь содержащая кислород. Второй торец трубки заглушен наглухо. Циркониевая трубка, которая является своеобразным твердым электролитом, снаружи (измерительный электрод) и внутри (опорный электрод) покрыта тонким пористым слоем металла, обычно платиной. При температурах выше 600 °С, оксид циркония становится проводником ионов кислорода, в результате чего между платиновыми электродами генерируется ЭДС, величина которого зависит от разницы между парциальным давлением кислорода в анализируемой среде и кислорода в газе сравнения (в качестве газа сравнения используют окружающий воздух с содержанием кислорода 20,9 % об.д.).

Проводимость в твердом электролите на основе оксида циркония ZrO2 имеет ионный характер и определяется примесной разупорядоченностью. Примесная разупорядоченность возникает в ионных кристаллах при легировании их ионами с валентностью, отличной от валентности основного иона. При легировании оксида циркония оксидом кальция CaO или оксидом иттрия Y2O3 ионы кальция Ca 2+ или иттрия Y 3+ замещают ионы циркония Zr 4+, а ионы кислорода О2 достраивают кислородную подрешетку. Образуется кислородная вакансия и возникает проводимость по ионам кислорода.

Величина выходного напряжения циркониевого сенсора кислорода, в зависимости от концентрации кислорода в анализируемой смеси и определяется уравнением Нернста:

E = RT/4F * ln [P1]/[P2],

где E - напряжение на выходе ячейки;
R - универсальная газовая постоянная;
T - температура ячейки по Кельвину;
F - число Фарадея;
Р1 - парциальное давление на сравнительном электроде (при продувке его окружающим воздухом с 20,9 % об.д. кислорода);
Р2 - парциальное давление на измерительном электроде.

Выходное напряжение сенсора усиливается и обрабатывается электроникой газоанализатора. Если ячейка с обеих сторон сообщается с окружающим воздухом, то выходной сигнал сенсора равен нулю. 

Циркониевый сенсор кислорода

Циркониевые ячейки кислорода имеют ряд преимуществ по сравнению с другими существующими методами измерения концентрации кислорода:

  • Ячейка может быть размещена непосредственно в потоке дымовых газов, что повышает чувствительность газоанализатора и уменьшает время отклика.
  • Ячейка кислорода может применяться при анализе влажных газов, так как работает при высокой температуре, превышающей значение температуры точки росы дымовых газов.
  • Отсутствует необходимость в предварительной подготовке пробы газа для анализа (очистка, охлаждение и осушка), тем самым снижаются затраты на приобретение и обслуживание оборудования.
  • Циркониевая ячейка не подвержена воздействию вибрации.
  • Выходной сигнал ячейки возрастает при уменьшении концентрации кислорода в анализируемом газе.
  • Срок хранения запасной ячейки практически не ограничен.

Ячейки из оксида циркония обладают еще одним уникальным свойством. В отсутствии молекулярного кислорода, они реагирует на минимальное количество кислорода, образующегося при диссоциации воды и двуокиси углерода на нагретой поверхности ячейки. Эта диссоциация замедляется в присутствии горючих компонентов (Н2 и СО) в анализируемом дымовом газе.

С ростом концентрации горючих компонентов в анализируемых газах концентрация кислорода уменьшается, и выходной сигнал циркониевой ячейки резко увеличивается, когда нетто кислорода в дымовом газе изменяется на нетто горючих компонентов. То есть выходной сигнал циркониевой ячейки меняется, когда кислород нетто отсутствует в дымовом газе. Фактически ячейка становится датчиком чисто горючих компонентов (нетто). Это свойство циркониевой ячейки чрезвычайно полезно при контроле процессов горения, поскольку позволяет измерять либо избыток воздуха, либо избыток топлива.

Сигнал сенсора

Как правило, в дымовых газах печей и котлов из-за не полного сгорания топлива и воздуха присутствуют одновременно кислород и остаточные горючие компоненты. В этом случае на поверхности циркониевой ячейки из-за высокой температуры происходит окисление остаточных горючих компонентов кислородом, содержащимся в дымовых газах. Анализаторы на основе оксида циркония измеряют нетто кислород, т. е. концентрацию кислорода, остающегося после сгорания топлива в печи и окисления горючих компонентов на поверхности нагретой ячейки. Другие анализаторы измеряют кислород брутто, т. е. только концентрацию кислорода, оставшегося после сгорания в печи. Обычно различие между нетто и брутто значениями невелики, поскольку концентрация горючих компонентов находится в диапазоне ppm, а кислорода - в процентном диапазоне.

Однако, иногда возможны ситуации, когда это различие становится существенным. Различия могут возникать также из-за того, что ячейка из оксида циркония измеряет кислород по влажному базису, т. е. когда анализируемый дымовой газ содержит водяной пар. Все другие методы измерений требуют охлаждения и осушки пробы, и, соответственно, работают по сухому базису. Различие между замерами по сухому и влажному базисам может достигать до 0,5% об.д. О2, поскольку концентрация водяных паров в дымовых газах может быть высокой. Оба метода измерения (по влажному или сухому базисам) являются стандартными.

Рекомендуемые статьи
Ремонт газоанализатора Vario Plus с заменой кислородной ячейки
Выбор места установки газоанализаторов горючих и токсичных газов
Критерии выбора портативных газоанализаторов
Категория: Приборы и технологии | Просмотров: 6185

Эксплуатируемые вами газоанализаторы в большинстве своем:
Всего ответов: 29
Присоединяйтесь
Youtube
Контакт