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Zirkoniumdioxid-Sauerstoff-Analyse

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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
Die Zirkoniumdioxidzelle ist ein keramischer Hochtemperatursensor. Es handelt sich um eine elektrochemische galvanische Zelle, die aus zwei elektrisch leitenden, chemisch inerten Elektroden besteht, die auf beiden Seiten eines festen Elektrolytrohrs angebracht sind. Dies ist in der nachstehenden Abbildung 1 schematisch dargestellt. Das Rohr ist völlig gasdicht und besteht aus einer Keramik (stabilisiertes Zirkoniumoxid), die bei der Betriebstemperatur den Strom durch Sauerstoffionen leitet. (Anmerkung: Bei Sensoren dieser Art muss die Temperatur über 450°C liegen, bevor sie als Elektrolytleiter aktiv werden). Die Potenzialdifferenz über der Zelle wird durch die Nernst-Gleichung bestimmt. Wo: E ist die Potentialdifferenz (Volt) R ist die Gaskonstante (8,314 J mol-1 K-1) T ist die absolute Temperatur (K) F ist die Faraday-Konstante (96484 Coulomb mol-1) P1 undP2 sind die Partialdrücke des Sauerstoffs auf beiden Seiten des Zirkoniumdioxidrohrs Die Nernst-Gleichung lässt sich daher wie folgt reduzieren: Wenn also der Sauerstoffpartialdruck an einer der Elektroden bekannt ist und die Temperatur des Sensors kontrolliert wird, kann durch die Messung der Potenzialdifferenz zwischen den beiden Elektroden der unbekannte Partialdruck berechnet werden. Hinweis Der Partialdruck des Gases ist gleich der molaren Konzentration der Komponente in einem Gasgemisch mal dem Gesamtdruck des Gasgemisches. PO2 =CO2P2 wo: PO2 = Sauerstoffpartialdruck CO2 = Molare Konzentration von Sauerstoff P2 = Gesamtdruck Beispiel Für atmosphärische Luft: CO2 = 20,9 %. P2 = 1 Atmosphäre PO2 = (0,209/100) x 1 PO2 = 0,209 Atmosphären

Prinzip der Arbeitsweise

Die von Systech Illinois verwendete Zirkoniumoxid-Zelle besteht aus Zirkoniumoxid, das mit Yttriumoxid als Keramik stabilisiert ist, und porösen Platinelektroden. Diese Zelle ist in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 1: Vergrößerte Querschnittsdarstellung des Zirkoniumdioxid-Substrats Molekularer Sauerstoff wird an den porösen Platinelektroden ionisiert. PtO → Pt + ½ O2 ½ O2 + 2e- → 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 P1>P2 , fließt der Ionenfluss von P1 nachP2 , d.h. eine positive EMF. Wenn P1<P2 , fließt der Ionenfluss vonP2 zu P1, d.h. eine negative EMF. Wenn P1=P2 ist, gibt es keinen Netto-Ionenfluss, d.h. eine E.M.F. von Null. Im Zirkoniumdioxid-Analysator wird die Nernst-Gleichung wie folgt geschrieben 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. Somit reduziert sich unsere Nernst-Gleichung weiter auf: Der Zirkoniumdioxid-Analysator berechnet elektronisch den Sauerstoffpartialdruck und damit die Sauerstoffkonzentration eines Probengases mit unbekannter Sauerstoffkonzentration. Dazu wird das an den Elektroden der Zirkoniumzelle erzeugte Potenzial E gemessen, E in die Nernst-Gleichung eingesetzt und durch Antilogging PO2 ermittelt. 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

Da das Zirkoniumdioxid-Instrument ein absolutes Messprinzip verwendet, muss es nach der Herstellung und Kalibrierung im Werk nicht mehr kalibriert werden. Die Werkskalibrierung besteht aus der Kalibrierung der Elektronik, um das Millivolt-Eingangssignal von der Detektionszelle zu akzeptieren, und der Überprüfung, ob das Gerät dann an Luft 20,9 % korrekt anzeigt. Anschließend wird das Gerät auf die korrekte Anzeige des Sauerstoffgehalts in ppm in Stickstoff überprüft.
Anwendungen von Sauerstoffanalysatoren aus Zirkoniumdioxid
Die Zirkoniumdioxid-Analysatoren können für die Messung von Sauerstoff in Gasen oder Gasgemischen in einem Bereich von 0-100 % verwendet werden. Die einzige Einschränkung bei der Verwendung des Geräts besteht darin, dass das zu messende Gas keine brennbaren Gase oder Stoffe enthalten darf, die die Zirkonoxid-Detektionszelle vergiften könnten. Jedes brennbare Gas, z. B. CO, H2, Kohlenwasserstoffe wie Methan, in dem in das Gerät eintretenden Probengas verbindet sich aufgrund der hohen Temperatur, auf der der Ofen gehalten wird, mit dem Sauerstoff im Probengas im Ofen. Dadurch wird die Sauerstoffmenge im Messgas reduziert und das Gerät zeigt einen falschen niedrigen Messwert an. Materialien, die die Detektionszelle vergiften können, sind:
  • Halogene, z. B. Chlor
  • Halogenierte Kohlenwasserstoffe, z. B. Methylchlorid
  • Schwefelhaltige Verbindungen, z. B. Schwefelwasserstoff
  • Bleiverbindungen, z. B. Bleisulfid
Gase oder Gasgemische, die einen der oben genannten Stoffe enthalten, sind für die Sauerstoffbestimmung mit einem Sauerstoffanalysator vom Typ Zirkoniumdioxid nicht geeignet. Die ZR800-Analysatoren werden von Industriegasherstellern, Industriegasverbrauchern und Lebensmittelverpackungsunternehmen eingesetzt:
AnmeldungVerwendet
Gasproduzentenzur Sicherung der Produktqualität durch Messung einer Sauerstoffverunreinigung oder zur Überwachung der Sauerstoffreinheit.
Gasverbraucherzur Gewährleistung der Zuverlässigkeit von Schutzgasdecken Gewährleistung der Qualität von Gasen, die als Produktionsmaterial in der chemischen Industrie verwendet werden.
Lebensmittelverpackungenum sicherzustellen, dass der richtige Sauerstoffgehalt in Verpackungen mit modifizierter oder kontrollierter Atmosphäre vorhanden ist
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