Zirkoniumdioxid-Sauerstoff-Analyse

Gasmessung mit Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysator von Systech

Der Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysator eignet sich für Messungen des Sauerstoffgehalts in ppm bis % in einem Gas oder Gasgemisch. Die Zirkoniumdioxidzelle ist eine elektrochemische galvanische Zelle mit einem keramischen Hochtemperatursensor, der stabilisiertes Zirkoniumoxid enthält.

In einem Gerät ist die Zirkoniumdioxidzelle in einem temperaturgeregelten Ofen mit der notwendigen Elektronik zur Verarbeitung des Signals der Detektionszelle montiert. In der Regel werden die Messwerte direkt über ein digitales Display als Sauerstoffkonzentration im Bereich von 0,01ppm bis 100% angezeigt.

Die Theorie hinter dem Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysator von Systech

Funktionsprinzip des Zirkonoxid-Sauerstoffanalysators

Die von Systech verwendete Zirkoniumoxid-Zelle besteht aus Zirkoniumoxid, das mit Yttriumoxid als Keramik stabilisiert wurde, und porösen Platinelektroden. Diese Zelle ist in Abbildung 1 dargestellt.

Molekularer Sauerstoff wird an den porösen Platinelektroden ionisiert.

PtO → Pt + ½ O2
½ O2 + 2 ^e- → O2 ^–

Die Platinelektroden auf jeder Seite der Zelle bieten eine katalytische Oberfläche für die Umwandlung von Sauerstoffmolekülen,_O2, in Sauerstoffionen und von Sauerstoffionen in Sauerstoffmoleküle. Die Sauerstoffmoleküle auf der hochkonzentrierten Referenzgasseite der Zelle nehmen Elektronen auf und werden zu Ionen, die in den Elektrolyten gelangen. Gleichzeitig verlieren die Sauerstoffionen an der anderen Elektrode Elektronen und werden als Sauerstoffmoleküle von der Oberfläche der Elektrode freigesetzt.

Der Sauerstoffgehalt dieser Gase und damit die Sauerstoffpartialdrücke sind unterschiedlich. Daher ist die Geschwindigkeit, mit der Sauerstoffionen erzeugt werden und in den Zirkoniumoxid-Elektrolyten eintreten, an jeder Elektrode unterschiedlich. Da das Zirkoniumoxid die Mobilität der Sauerstoffionen zulässt, hängt die Anzahl der Ionen, die sich in jede Richtung durch den Elektrolyten bewegen, von der Geschwindigkeit ab, mit der Sauerstoff ionisiert wird und an jeder Elektrode in den Elektrolyten eintritt. Der Mechanismus dieses Ionentransfers ist komplex, aber es ist bekannt, dass er durch die Dotierung mit Yttriumoxid Leerstellen im Zirkoniumoxid-Gitter beinhaltet.

Das Ergebnis der Wanderung von Sauerstoffionen durch den Elektrolyten ist ein Netto-Ionenfluss in eine Richtung, abhängig von den Sauerstoffpartialdrücken an den beiden Elektroden. Zum Beispiel in der Nernst-Gleichung:

Wenn P ₁> Der P ₂ -Ionenfluss erfolgt von P ₁ nach P ₂ , dh eine positive EMF
Wenn P ₁< Der P ₂ -Ionenfluss erfolgt von P ₂ nach P ₁ , dh eine negative EMF
Wenn P ₁ = P ₂ , gibt es keinen Nettoionenfluss, dh eine EMF von Null

Der Zirkoniumdioxid-Analysator verwendet Luft als Referenz, eine konstante Sauerstoffkonzentration von 20,9 %, und die Zirkoniumdioxid-Zelle befindet sich in einem Ofen, dessen Temperatur auf 650 °C (923 K) geregelt wird.

Der Zirkoniumdioxid-Analysator berechnet elektronisch den Sauerstoffpartialdruck und damit die Sauerstoffkonzentration eines Probengases mit unbekannter Sauerstoffkonzentration. Dies wird erreicht, indem das an den Elektroden der Zirkoniumzelle erzeugte Potenzial E gemessen, E in der Nernst-Gleichung ersetzt und eine Protokollierung verhindert wird, um PO ₂ zu erhalten. Das Ausgangspotenzial der Zelle ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2 Diagramm des Zellpotenzials im Vergleich zur Sauerstoffkonzentration einer Zirkoniumdioxidzelle.

Durch Antilogging der Gleichung kann das Ausgangssignal direkt auf einem digitalen Anzeigegerät als Sauerstoffkonzentration in ppm oder %.angezeigt werden %.

Kalibrierung des Zirkonoxid-O2-Sensors