摘要:介紹原電池型和氧化鋯型微量氧分析儀的工作原理及日常維護經驗,結合微量氧分析儀的選型和使用實踐,介紹大型空分設備微量氧分析儀的選型經驗。
空分設備主要的產品之一是氮氣,為保證氮氣產品的質量,需用分析儀對氮氣產品的控制指標進行測量,一般以分析氮氣中雜質含量來確定氮氣純度。微量氧含量是氮氣產品主要的控制指標。
在生產過程中,測量微量氧含量的方法很多,如熱化學法、比色法、熱導法、黃磷發(fā)光法和原電池法等。因熱化學法、比色法和熱導法的靈敏度比較低,黃磷發(fā)光法操作不方便,且所需設備又比較復雜,所以工業(yè)上不常用這些方法。目前廣泛應用于空分行業(yè)的微量氧分析儀,按儀器的測量原理不同,可分為原電池型和氧化鋯型微量氧分析儀。以下按測量原理不同介紹幾種微量氧分析儀在空分設備中的應用。
1. 原電池型微量氧分析儀
原電池型微量氧分析儀測量氧含量,是通過陰陽電極上發(fā)生的氧化-還原反應產生的電流來確定的,一般氧分子在陰極被還原成氫氧根離子,在陽極反應略有不同。原電池型微量氧分析儀分為燃料電池型和赫茲電池型微量氧分析儀等。
1.1 燃料電池型微量氧分析儀
1.1.1 測量原理
微量氧分析儀屬于燃料電池型,在陰極氧分子被銀催化轉化成氫氧根離子,在陽極鉛原子被氧化,產生的電流與樣氣中氧含量成比例?；瘜W反應式如下:
微量氧分析儀由節(jié)流閥、流量計、調濕器、電解池、電子放大電路、恒溫組件和容器池組成。燃料電池是敞開式,可定期維護電極,調濕器用于保持燃料電池內氫氧化鉀溶液的液位,根據電解液的液位變化適當地調節(jié)調濕器旋鈕。儀器有3個量程范圍: 0~1×10-6O2、0~10×10-6O2、0~100×10-6O2。
1.1.2 儀器的日常維護
儀器在日常維護中應注意:
(1)避免高氧含量的樣氣進入燃料電池,樣氣中過高氧含量對鉛電極的腐蝕作用會加劇。鉛電極的腐蝕為一般程度時,可以按1∶4的比例配制硝酸溶液,用稀釋液來清洗鉛電極,嚴重腐蝕時只能更換鉛電極,同時定期更換電解液。
(2)保持測量樣氣的壓力和流量恒定。
(3)定期向容器補充蒸餾水,調節(jié)調濕器來保證電解液液位。
(4)校驗用氣用量程范圍80%的標準氣進行量程標定,以保證測量的準確性。
(5)儀器排放管線要保證常壓通暢,避免放空管帶壓并阻塞,影響儀器的測量準確性。
目前,在空分設備中應用為廣泛的是微燃料電池型微量氧分析儀,其測量原理與微量氧分析儀一樣,但微燃料電池是密封的,使用兩年后傳感器性能下降,需更換微燃料電池。兩者測量精度都比較高,完全滿足工藝控制要求,燃料電池型儀器傳感器使用壽命較長,價格低,但儀器維護的工作量稍大;微燃料電池型傳感器使用壽命相對較短,但操作維護方便,儀器維護的工作量較小,微燃料電池更換方便。
1?2 赫茲電池型微量氧分析儀
1?2?1 測量原理
赫茲電池型微量氧分析儀的傳感器使用一個外加電壓(1.3VDC)去啟動電極反應,氧分子在陰極被還原成氫氧根離子,在陽極氫氧根離子被氧化成氧分子后排出。
1?2?2 儀器的特性
在實際應用中,由于電極傳感器是非消耗型而無需太多的維護工作,只需定期在電解液中補充離子水,不需要頻繁校驗,儀器測量精度高,響應快,防干擾性好,在實際工作中可用作標準儀器來對照分析。
另外,該類型微量氧分析儀還可提供在樣氣中含有酸性氣體的情況下也能正常工作的電解液調節(jié)系統(tǒng),該系統(tǒng)不受酸性氣體(二氧化碳、氧氮化合物、二氧化硫、氯化氫和硫化氫等)的干擾,測量工作穩(wěn)定、可靠。
2 氧化鋯型微量氧分析儀
2.1 測量原理
氧化鋯是一種固體電解質,具有陶瓷性質,在常溫下具有單斜晶系結構。在氧化鋯中加入氧化鈣或氧化釔作為穩(wěn)定劑,再經過高溫焙燒,可形成不隨溫度變化且晶形穩(wěn)定的瑩石立方晶系,具有很高的氧離子導電性。
氧化鋯微量氧分析儀的傳感器由氧化釔穩(wěn)定氧化鋯制成,這個材料被加熱到600℃以上時變?yōu)檠蹼x子,氧離子的導電率隨著溫度按指數率增加。傳感器由一個固定在相同材料的管子上的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯盤組成,盤的表面涂了一層金屬鉑,并安裝在很小的溫度控制圓筒腔內。當盤的兩邊暴露在含氧的氣體中時,構成一個濃差池,輸出的信號與盤的兩邊獲得的氧濃度比值的對數成正比,采用測量電勢的方法,即可得到樣氣中的氧含量。
2.2 儀器的日常維護
氧化鋯微量氧分析儀測量精度高,響應快,測量范圍寬,對空分設備上、下塔過程控制應用方便,可以更早地投用,方便操作人員對工況進行調整和控制。筆者公司有多臺此類型分析儀,在實際應用中總結了一些故障維護經驗和操作注意事項,主要有以下幾方面:
(1)儀器故障顯示測量池溫度低?？蓹z查測量池熱電偶的連接,檢查多路轉換板上的保險,檢查電路板的連線。
(2)儀器故障顯示測量池電勢高或低?？蓹z查測量池的電路連線,檢查電路板之間的連線,檢查氧化鋯傳感器。
(3)傳感器對樣氣氧含量變化反應遲緩,測量值偏低。2005年1月,一臺氧化鋯微量氧分析儀測量值嚴重偏低,傳感器反應遲緩。經過對儀器取樣系統(tǒng)檢查、零點量程的標定、傳感器的檢查等,終確認傳感器發(fā)生故障。更換傳感器后,儀器恢復正常測量。
(4)儀器標定失敗。需正確選擇儀器的零點氣和量程氣,零點氣選用氧含量為100×10-6左右的氮氣,量程氣選用氧含量為20.95%的氮氣。
(5)儀器漂移大。要求樣品氣壓力控制在(34.47±20?68) kPa [ (5±3) psi],流量控制在200~550mL/min,定期校驗儀器。
(6)儀器工作環(huán)境中的氧含量應為空氣的氧含量,避免其他因素對工作環(huán)境的氧含量造成影響。2005年6月,公司分析室柜式空調更換氟里昂時發(fā)生外泄,幾臺氧化鋯氧分析儀測量值瞬時波動,測量值偏高報警。通風置換分析室內空氣后,儀器恢復正常測量。
(7)儀器開車投用時,各路取樣管線需通入潔凈的空氣或氮氣,并吹掃干凈;儀器入口需安裝過濾器,避免空分設備開車時,取樣管線內的雜質對傳感器造成破壞。
(8)要保證儀器排放管線常壓通暢,避免放空管帶壓并阻塞,影響儀器的測量準確性。
(9)測量樣氣中的可燃性氣體對氧化鋯氧分析儀測量結果有一定影響,但由于可燃性氣體含量(如甲烷、一氧化碳和二氧化碳等)很低,故對微量氧測量造成的干擾很小。
3 微量氧分析儀的選型經驗
在空分設備中,微量氧分析儀應用廣泛,可用于測量上、下塔氮氣純度、精氬塔氬中微量氧含量等過程控制參數,同時也可測量終產品管道氣、液體氮和貯槽氬中微量氧含量等質量控制參數。微量氧分析儀的選型可根據儀器不同的測量原理,綜合考慮生產控制質量要求、經濟成本、維護工作量和維修成本等多種因素來進行?，F在結合揚子石化比歐西氣體有限責任公司4套空分設備微量氧分析儀的選型和使用情況,介紹微量氧分析儀的選型經驗。
(1)便攜式微量氧分析儀選用微燃料電池型微量氧分析儀,用于測量槽車液氮、氮壓機開車送氣中微量氧的分析等。其測量精度高,傳感器響應快,價格低,維護工作量少;同時由于帶旁通吹掃閥和流量計,使用和操作方便。傳感器使用壽命在3~5年,儀器不使用時用氮氣保護,可延長使用壽命。使用此儀器近4年來,其響應靈敏、測量準確,故未更換過傳感器。
(2)氧化鋯微量氧分析儀測量精度高,傳感器不怕高純氧污染,測量范圍寬,維護工作量少,儀器測量響應快,傳感器使用壽命長(正常為5~10年),但價格偏高,適合于生產過程控制。40000m3/h空分設備選用該型號氧化鋯微量氧分析儀,滿足了工藝控制精度的要求。而且該氧分析儀樣品多路切換靈活,多通道樣品測量減少了儀器總臺(件)數,降低固定資產成本。
(3)微燃料電池型微量氧分析儀的測量精度高,價格適中,維護工作量少,傳感器更換方便。但傳感器怕高純氧污染,適合于終液體貯槽產品質量控制。如應用于生產過程控制,取樣系統(tǒng)可考慮設置當氧純度過高時自動切換至氮氣保護的聯(lián)鎖系統(tǒng),避免傳感器被污染,影響傳感器的使用壽命。
4結束語
隨著大型空分技術的不斷發(fā)展,對產品氮氣、氬氣的質量要求越來越高,相應地對微量氧分析儀測量的精度、可靠性和自動化程度要求也越來越高,所以,微量氧分析儀的正確選型、使用和維護就顯得尤其重要
轉載請注明出處：傳感器應用_儀表儀器應用_電子元器件產品 – 工采資訊 http://www.negome.com/2913.html
