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Elektrochemische Zellen für Sauerstoff-Analysatoren

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Elektrochemische Zellen für Sauerstoff-Analysatoren

Elektrochemische Zellen für Sauerstoff-Analysatoren

Elektrochemische Sensoren, die auch als Brennstoffzellen bekannt sind, messen den prozentualen Anteil oder Spuren (ppm) von Sauerstoff in einem Gas oder Gasgemisch und werden in den Sauerstoffanalysegeräten von Systech Illinois verwendet.

Optimierung von Sauerstoffanalysatoren für verschiedene Anwendungen

Varianten dieser beiden Zellentypen für Messungen in Wasserstoff oder wasserstoffhaltigen Atmosphären sind ebenfalls erhältlich. Es gibt eine Reihe von Zellentypen, so dass die Zelle für die gewählte Gasanalyseanwendung optimiert werden kann.

Die Theorie hinter unseren elektrochemischen Sauerstoffsensoren

Alle elektrochemischen Sauerstoffsensoren sind selbstversorgende, diffusionsbegrenzte Metall-Luft-Batterien, die eine Anode, eine halbfeste Elektrolytpaste und eine Luftkathode enthalten. Die Zelle besteht aus einem Gehäuse mit zwei Elektroden, einem flachen PTFE-Band mit einem aktiven Katalysator, der Kathode und einem Bleiblock (Anode). Das Gehäuse ist bis auf eine kleine Kapillare, die den Sauerstoffeintritt in die Zelle steuert, dicht. Der Sauerstoff tritt durch die Kapillare in den Sensor ein, wo er mit der Kathode in Kontakt kommt und sofort zu Hydroxl-Ionen reduziert wird: O2 + 2H2O+ 4 e-- → 4 OH -- (1) Diese Hydroxyl-Ionen wandern dann durch den Elektrolyten zur Bleianode. Die Hydroxyl-Ionen reagieren mit der Bleianode, die daraufhin zu Bleioxid oxidiert wird. 2 Pb + 4 OH -- → 2 PbO + 4 e-- + 2H2O(2) Bei diesen beiden Vorgängen wird ein Strom erzeugt, der mit dem Gerät gemessen werden kann. Dieser Strom ist proportional zur Sauerstoffkonzentration und führt zu einer genauen Bestimmung des Sauerstoffs für Gasanalysezwecke.

Lebensdauer des Sauerstoffanalysesensors

Da die elektrochemische Reaktion zur Oxidation der Bleianode führt, ändern sich die elektrischen/chemischen Eigenschaften der Zelle, was eine regelmäßige Kalibrierung erfordert. Die Oxidation der Bleianode bedeutet auch, dass die Sensoren des Sauerstoffanalysators eine begrenzte Lebensdauer haben. Sobald das gesamte verfügbare Blei oxidiert ist, liefert die Zelle keine Leistung mehr und muss ersetzt werden. Je niedriger der Sauerstoffgehalt ist, dem der Sensor ausgesetzt ist, desto länger funktioniert er. Die ppm-Zellen von Systech Illinois, die niedrige Sauerstoffkonzentrationen messen, sollten eine Lebensdauer von mehr als 3 Jahren haben. Prozentuale Zellen, die Luft messen, sollten eine Lebensdauer von etwa 5 Jahren haben. Einige Bestandteile des Gasstroms erhöhen die Oxidationsrate oder bilden andere Bleiverbindungen, wodurch sich die Lebensdauer des Sensors verkürzt. Dazu gehören CO2 und Cl2. Gasströme, die diese Gase enthalten, sollten nach Möglichkeit vermieden werden.

Messung der Sauerstoffkonzentration oder des Sauerstoffpartialdrucks

Alle elektrochemischen Zellen von Systech Illinois arbeiten mit Kapillardiffusion und messen die Sauerstoffkonzentration. Bei membranartigen Diffusionsbarrieren wird der Partialdruck gemessen.

Auswirkungen des Gasdrucks auf Sauerstoffanalysatoren

Der von der Zelle erzeugte Strom ist proportional zum Volumenanteil des Sauerstoffs und unabhängig vom Druck des Gases. Wenn die Zelle jedoch einer kleinen Druckänderung oder kleinen Druckimpulsen ausgesetzt wird, z. B. durch eine Pumpe, kann ein transienter Strom erzeugt werden, der sich auf dem Analysegerät als Änderung der Sauerstoffanzeige bemerkbar macht. Wenn sich der Druck ändert, wird das Gas durch die Kapillarbarriere gepresst (bekannt als Volumenstrom). Dies führt zu einem verstärkten (oder verringerten) Gasfluss in die Zelle und damit zu einer Transiente im Ausgangssignal. Sobald der Druckimpuls beendet ist und die Diffusionsbedingungen wiederhergestellt sind, beruhigt sich die Transiente schnell. Die Illinois-Zellen von Systech sind mit einem Anti-Bulkflow-Mechanismus ausgestattet, der Druckschwankungen dämpft, was zu einer erheblichen Verringerung des transienten Signals und damit zu einer genaueren Sauerstoffgasmessung führt. Der Einfluss von Druckimpulsen auf die Sauerstoffmessung Einige Pumpen können die Zelle einer Flut von Druckimpulsen aussetzen, die die Anti-Bulkflow-Vorrichtung überwinden und zu einer erhöhten Sauerstoffanzeige führen. In diesen Fällen ist es notwendig, das Probensystem so zu gestalten, dass die Impulse minimiert werden. Wenn der Druckimpuls groß genug ist, reißt die Zellbarriere, was häufig mit einem Auslaufen des Elektrolyts aus der Zelle einhergeht. Drücke von nur 1 Bar können bei falscher Anwendung zu Überdruck führen. Es muss darauf geachtet werden, dass die Zellen nicht unter Überdruck geraten, da Schäden dieser Art nicht von der Garantie von Systech Illinois abgedeckt werden.

Temperatureinflüsse auf Sauerstoffanalysegeräte

Die elektrochemischen Zellen sind temperaturempfindlich, auch wenn die Auswirkungen relativ gering sind. Ein Wechsel der Temperatur von +20 auf -20°C führt zu einem Verlust des Ausgangssignals von etwa 10 %. Um die Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf die Genauigkeit der Sauerstoffgasmessung zu minimieren, verfügen die Zellen einiger Geräte, z. B. des EC900, über eine integrierte Temperaturkompensation. Andere Geräte können mit einer Temperaturkompensation ausgestattet werden.

Linearität der Ausgabe von Sauerstoffanalysatoren von Systech Illinois

Das Signal einer Systech Illinois Zelle ist: O/P = Konstante * ln[1/(1-C)] Dabei ist C die fraktionierte Konzentration von Sauerstoff In der Praxis ist die Leistung der Zellen bis zu 30 % Sauerstoff effektiv linear. Sauerstoffkonzentrationen von mehr als 30 % würden sowohl wegen der Nichtlinearität als auch wegen der geringeren Lebensdauer Schwierigkeiten bereiten.

Die elektrochemischen Sauerstoffanalysatoren von Systech Illinois zeichnen sich durch Langzeitstabilität und geringe Drift aus.

Die Konstruktion der Zelle setzt voraus, dass die Reaktionsgeschwindigkeit der Zelle für die Diffusion durch die Kapillare ausreicht und alle anderen Phasen des Prozesses deutlich schneller sind. Systech Illinois-Zellen haben hochaktive Elektroden, so dass die Zellen über eine große Aktivitätsreserve verfügen. Dies ist ein Faktor, der eine ausgezeichnete Langzeitstabilität und eine geringe Drift gewährleistet.

Einsatz von Wasserstoffzellen in der Gasanalyse

Wasserstoffzellen sind speziell so konzipiert, dass sie eine geringe Wasserstoffquerempfindlichkeit aufweisen. Sie müssen in Wasserstoff und wasserstoffhaltigen Gasströmen, einschließlich Gasen wie Ethylen, verwendet werden. Wasserstoffzellen können auch für andere Gasströme, z. B. Stickstoff, verwendet werden, aber ihr geringerer Signalausgang erfordert eine Modifizierung des Geräts, um die richtigen Messwerte anzuzeigen.

Korrektur des Molekulargewichts des Trägergases

Das Molekulargewicht des Träger- oder Hintergrundgases beeinflusst die Geschwindigkeit, mit der Sauerstoff durch die Kapillare in die Zelle gelangen kann. Dies führt dazu, dass bei gleicher Sauerstoffkonzentration je nach Trägergas ein unterschiedlicher Strom abgegeben wird. Eine Korrektur dieser Differenz ist erforderlich, wenn sich das Messträgermedium vom Kalibriermedium unterscheidet. Für weitere Informationen und Berechnungen laden Sie bitte die vollständige Diskussionsnotiz herunter.

Zulässige Gase für den Sauerstoffmessstrom

Elektrochemische Zellen sind sehr tolerant gegenüber vielen Komponenten im zu messenden Gasstrom. Dadurch eignen sich diese Analysatoren besonders für Messungen in Kohlenwasserstoffen, Öfen und Lötöfen, wo viele Verunreinigungen vorhanden sein können. Einige Verbindungen stören jedoch den Betrieb der Zelle, während andere die Lebensdauer der Zelle verkürzen, indem sie mit den Komponenten der Zelle reagieren. Ein besonderes Problem stellen Lösungsmittel dar, die häufig das Zellmaterial angreifen, so dass die Kapillare anschwillt und der Sauerstoff die Zelle nicht mehr erreicht. Lösungsmittelhaltige Gasströme sollten vermieden werden. Saure Gase können die Funktion des Elektrolyten beeinträchtigen, was wiederum eine korrekte Messung des Sauerstoffs verhindert. Gasströme, die säurehaltige oder ätzende Verbindungen enthalten, sollten ebenfalls vermieden werden. Die nachstehenden Listen geben einen Überblick über einige der Gase, die mit den Brennstoffzellen-Analysatoren von Systech Illinois erfolgreich gemessen werden, sowie über einige der bekannten Problemgase. Akzeptable Gase Stickstoff, Argon, Helium, Wasserstoff*, Xenon, SF6, Butadien*, Ethylen*, Acetylen* * H2-Zelle verwenden Besondere Vorsicht geboten Zu vermeidende Gase Kohlendioxid (nur niedrige Konzentrationen) Kohlenmonoxid* (verkürzt die Lebensdauer der Zellen) Chlor (Cl2), Ammoniak, Acetaldehyd*, Ethylenglykol*, Formaldehyd*, Vinylchlorid*, Methyldioxolan*, Schwefelwasserstoff (H2S) * Akzeptabel, wenn die Konzentration unter 5ppm liegt Für Anwendungen, die andere als die oben aufgeführten Gase betreffen, wenden Sie sich bitte an Systech Illinois, um sich beraten zu lassen.

Industrielle Anwendungen von elektrochemischen Sauerstoffanalysatoren

Die elektrochemischen Analysatoren von Systech Illinois werden von industriellen Gasproduzenten, industriellen Gasverbrauchern und zur Sicherheitsüberwachung eingesetzt.
AnmeldungVerwendet
GasproduzentenZur Sicherung der Produktqualität durch Messung einer Sauerstoffverunreinigung.
Gasverbraucherzur Gewährleistung der Zuverlässigkeit von Schutzgasdecken Gewährleistung der Qualität der als Produktionsmaterial verwendeten Gase zur Überwachung und Steuerung des Sauerstoffgehalts in Lötöfen, Schmelzöfen und Fertigungsprozessen
Überwachung der Sicherheitum sicherzustellen, dass in einer Arbeitsatmosphäre, in der es zu Sauerstoffmangel kommen kann, ausreichend Sauerstoff vorhanden ist.
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