Analizador de contenido de oxígeno de Zirconia

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Principio de medición de oxígeno de la sonda de oxígeno de Zirconia

Mecanismo de conducción eléctrica de la zirconia: la solución electrolítica conduce electricidad por iones, y las sustancias sólidas con propiedades de conducción iónica se llaman electrolitos sólidos. Los electrolitos sólidos son estructuras cristalinas iónicas que conducen la electricidad por el Movimiento de iones a través de agujeros, lo que es similar al mecanismo de conducción de agujeros de semiconductores de tipo p.

El óxido de Zirconia puro (zro2) no conduce electricidad y se mezcla con un cierto porcentaje de metales de bajo precio como estabilizadores, como el óxido de calcio (cao 2), el óxido de magnesio (mgo), el óxido de itrio (y2o3), que tiene conductividad eléctrica a alta temperatura y se convierte en un electrolito sólido de óxido de zirconia.

¿¿ por qué la Zirconia tiene una alta conductividad iónica después de agregar estabilizadores?

Esto se debe a que la mezcla de ZrO2 mezclada con una pequeña cantidad de Cao 2, durante el proceso de cristalización, los iones de calcio entran en el cristal cúbico y reemplazan los iones de zirconio. Debido a que los iones de zirconio son + 4 valencias y los iones de calcio son + 2 valencias, un ion de calcio entra en el cristal y solo trae un ion de oxígeno, mientras que los iones de zirconio reemplazados sacan dos iones de oxígeno, lo que resulta en dejar un agujero de iones de oxígeno en el cristal. Por ejemplo, Zirconia (85% en moles de Zirconia y 15% en moles de óxido de calcio) como: (zro2) 0,85 (cao 2) 0,15) tiene 7. El agujero de iones de oxígeno con una fracción molecular del 5% se ha convertido en un buen electrolito sólido de iones de oxígeno.

A ambos lados de un electrolito sólido de Zirconia altamente denso, una capa de platino poroso de varios a decenas de micras de espesor se fabrica mediante sinterización como electrodo, y luego se solda un alambre de platino como alambre de plomo en el electrodo, lo que constituye una batería de concentración de oxígeno, cuya presión parcial de oxígeno es P0 si se introduce gas de referencia (aire) en el lado izquierdo de la batería, y P1 (desconocido) en el lado derecho de la batería.

Suponiendo p0 > p1, a altas temperaturas (650... 850 ° c), el oxígeno se propagará del lado P0 de la presión parcial grande al lado P1 de la presión parcial pequeña. esta difusión no es un proceso en el que las moléculas de oxígeno pasan del lado P0 al lado P1 a través de la zirconia, sino un proceso en el que las moléculas de oxígeno se disuelven en iones de oxígeno y pasan por la zirconia.

A altas temperaturas, alrededor de 750 ° c, bajo la catálisis del electrodo de platino, se produce una reacción de reducción en el lado P0 de la batería, una molécula de oxígeno obtiene cuatro electrones del electrodo de platino y se convierte en dos iones de oxígeno (o2 -) que entran en el electrolito, es decir: el electrodo de platino en el lado O2 (p0) + 4E → 2o2 - P0 lleva una carga positiva debido a la gran cantidad de electrones dados, convirtiéndose en el electrodo positivo o el ánodo de la batería de concentración de oxígeno. Después de que estos iones de oxígeno entran en el electrolito, se mueven hacia adelante a través de agujeros en el cristal hasta el electrodo de platino a la derecha, se produce una reacción de oxidación en el lado P1 de la batería, y los iones de oxígeno liberan electrones en el electrodo de platino y se unen a la precipitación de moléculas de oxígeno, es decir: 2o2 - 4E → O2 (p1)

Los Electrodos de platino del lado P1 se cargan negativamente debido a la gran cantidad de electrones obtenidos, convirtiéndose en electrodos negativos o negativos de las baterías de concentración de oxígeno.

De esta manera, en dos electrodos, se forma un potencial eléctrico debido a la acumulación de cargas positivas y negativas, que se llama fuerza eléctrica de diferencia de concentración de oxígeno. Cuando se conectan dos electrodos en un circuito con un cable, los electrones en el polo negativo fluyen al Polo positivo a través del circuito externo, y luego se suministran moléculas de oxígeno para formar iones, y la corriente eléctrica pasa por el circuito. El tamaño de la fuerza eléctrica de la diferencia de concentración de oxígeno está relacionado con la concentración de oxígeno en los gases a ambos lados del electrolito sólido de zirconia.

Principio de funcionamiento del sensor de oxígeno de Zirconia

Los Electrodos de platino poroso (pt) se sinterizan en ambos lados del electrolito de Zirconia (tubo zro2), y el cuerpo de la batería de medición se divide en tres capas: platino (electrodo) - Zirconia (electrolito) - platino (electrodo). Los Electrodos de platino son porosos. Los gases de combustión entran en el lado del gas medido de la batería de medición a través de un filtro o un gas de verificación a través de un catéter, mientras que el otro lado es el aire de referencia (20,60% de oxígeno).

Dos gases con diferentes concentraciones de oxígeno actúan sobre la batería de medición, lo que produce un potencial eléctrico regular en número (cuanto mayor sea la diferencia de concentración de oxígeno en ambos lados, mayor será la señal de potencial eléctrico). La señal de milivoltios se convierte en una corriente estándar de 0 - 10mA o 4 - 20ma a través de un analizador de oxígeno. Esta corriente es emitida por el terminal de cableado del analizador de oxígeno.

La temperatura de funcionamiento de la batería de medición se establece en una temperatura constante superior a 650 ° c. para mantener la temperatura de funcionamiento constante, se mide la temperatura de funcionamiento de la batería con un termómetro tipo K y el voltaje de calentamiento del calentador se ajusta a través del controlador de temperatura en el analizador de oxígeno.

Cuando la temperatura del gas de combustión medida es superior a 700 ° c, el calentador y el termómetro se eliminan en la composición del sensor.

En el Estado ideal, cuando la concentración del gas de combustión medido es la misma que la del gas de referencia, su potencial eléctrico de salida e es de 0 mv, pero en la aplicación práctica, las condiciones reales y las condiciones de campo del tubo de zirconio no son ideales. El tubo de zirconio en la realidad de la historia se desvía de este valor. De hecho, el potencial eléctrico de la salida del tubo de zircon con cierto contenido de oxígeno es la suma del valor teórico y el potencial eléctrico de fondo. lo que llamamos el valor potencial eléctrico de la salida del tubo de zircon sin diferencia de concentración es el potencial eléctrico de fondo o el potencial eléctrico de posición cero. el tamaño de este valor varía a diferentes temperaturas y varía con la prolongación de la vida útil del tubo de zircon. Por lo tanto, si no se trata de esta situación, afectará seriamente la precisión de todo el medidor de oxígeno y la vida útil de la sonda.

Estructura y tipos del analizador de oxígeno de Zirconia

La composición del analizador de oxígeno de Zirconia está compuesta por sensores de oxígeno (también conocidos como sondas de oxígeno, detectores de oxígeno), Analizadores de oxígeno (también conocidos como transmisores, unidades de transmisión, convertidores, analizadores) y dispositivos antipolvo, termómetros, calentadores, catéteres de gas estándar, cajas de unión y carcasas de carcasa.

El dispositivo antipolvo está compuesto por una cubierta antipolvo y un filtro, que puede evitar que el polvo del gas de combustión entre en el interior del tubo de zirconia, proteger los elementos del tubo de Zirconia de la contaminación y actuar como una muestra de gas amortiguador.

El elemento del tubo de Zirconia es el componente central de la sonda de oxígeno, que produce una señal potencial de diferencia de concentración de oxígeno. Los tubos de Zirconia son óxidos metálicos cerámicos y deben usarse para evitar vibraciones violentas para no dañar los componentes de los tubos de zirconia.

El termómetro es un dispositivo utilizado para controlar la temperatura constante del calentador incorporado a la sonda y un elemento para medir la temperatura del gas medido en la chimenea de la caldera y el horno, proporcionando una señal de temperatura para el cálculo del contenido de oxígeno.

La función del calentador es proporcionar la temperatura necesaria para que el elemento electrolítico sólido de Zirconia funcione correctamente, de modo que también pueda funcionar correctamente en un ambiente de gas de combustión medido por debajo de 600 ° c.

La señal de potencial eléctrico de oxígeno y la señal de temperatura de acoplamiento térmico de la sonda de oxígeno se amplifican y envían al circuito de conversión a / d, y el procesamiento de datos se realiza con el coeficiente de corrección para obtener el contenido porcentual del contenido de oxígeno. Al mismo tiempo, el sistema puede implementar la visualización del potencial eléctrico de oxígeno, la temperatura de la sonda y los valores del coeficiente de corrección, y controlar la temperatura constante del horno eléctrico de calentamiento del tubo de zirconio, complementado con la protección de rotura de acoplamiento, protección de sobretemperatura y protección de reconexión de acoplamiento térmico para garantizar el funcionamiento confiable del sistema.

Según los diferentes métodos de detección, las sondas de oxígeno de Zirconia se dividen en dos categorías principales: las sondas de oxígeno de detección de muestreo y las sondas de oxígeno de inserción directa.

Sonda de oxígeno de detección de muestreo

El método de detección de muestreo es introducir el gas medido en la Cámara de detección de Zirconia a través de un tubo guía, y luego calentar el Zirconia a la temperatura de trabajo (por encima de 750 grados celsius) a través de un elemento de calefacción. El Zirconia generalmente es tubular y el electrodo es un electrodo de platino poroso. La ventaja es que no se ve afectada por la temperatura del gas de detección, que puede detectar el contenido de oxígeno en varios gases de temperatura mediante el uso de diferentes tubos de desviación, una flexibilidad que se aplica a muchas pruebas industriales en línea. La desventaja es que el tiempo de reacción es lento; La estructura es compleja y puede afectar fácilmente la precisión de la detección; Cuando hay muchas impurezas de gas detectadas, el tubo de muestreo es fácil de bloquear; Los Electrodos de platino poroso son vulnerables a la corrosión del azufre, el arsénico, etc. en el gas y al bloqueo de polvo fino; Los calentadores generalmente se calientan con alambre de horno eléctrico y su vida útil no es larga.

Cuando la temperatura del gas detectado es baja (0 ° C a 650 ° c), o cuando el gas medido es más limpio, es adecuado para métodos de detección de estilo de extracción, como la medición de oxígeno por máquina de nitrógeno, la medición de oxígeno por laboratorio, etc.

Analizador de contenido de oxígeno de ZirconiaSonda de oxígeno de detección de inserción directa

La detección directa es la inserción directa de Zirconia en el gas medido a alta temperatura para detectar directamente el contenido de oxígeno en el gas. este método de detección es adecuado para que la temperatura del gas detectado sea de 700 ° C a 1150 ° c (la estructura especial también se puede utilizar a alta temperatura de 1400 ° c). utiliza la alta temperatura del gas medido para que el zirconio alcance la temperatura de funcionamiento sin necesidad de otro calentador. La clave técnica de la sonda de oxígeno enchufable directo es el sellado a alta temperatura de los materiales cerámicos y los problemas de los electrodos.

Debido a la necesidad de insertar Zirconia directamente en el gas de detección, la longitud de la sonda de oxígeno es más exigente, su longitud efectiva es de unos 500 mm a 1000 mm, y la longitud ambiental especial puede alcanzar los 1500 mm. y la precisión de la detección, la estabilidad de trabajo y la vida útil son muy exigentes, por lo que Es difícil para la sonda de oxígeno enchufable directo adoptar la estructura tubular general de Zirconia de la sonda de Zirconia tradicional, mientras que la mayoría de ellas adoptan la estructura de conexión de Zirconia y óxido de aluminio con mayores requisitos técnicos. El rendimiento de sellado es una de las tecnologías clave de esta sonda de oxígeno de zirconia. En la actualidad, * El método de conexión es soldar el Zirconia con el tubo de óxido de aluminio, que tiene un buen rendimiento de sellado, en comparación con el método de detección de estilo de extracción, la detección de enchufe directo tiene ventajas obvias: el Zirconia entra en contacto directo con el gas, la precisión de detección es alta, la velocidad de reacción es rápida y el mantenimiento es pequeño.