Elektrochemische cellen gebruikt in zuurstofanalysatoren - Industrial Physics Elektrochemische cellen gebruikt in zuurstofanalysatoren - Industrial Physics

Productaanvragen

Product(en) waarin ik geïnteresseerd ben

U heeft momenteel geen producten in uw winkelwagen, ga verder met browsen en selecteer een of meerdere producten.

Offerte aanvragen

Ga door met browsen

Kennisbank

Elektrochemische cellen gebruikt in zuurstofanalysatoren

Elektrochemische cellen gebruikt in zuurstofanalysatoren

Elektrochemische sensoren, ook bekend als brandstofcellen, meten percentages of sporen (ppm) van zuurstof in een gas of gasmengsel en worden gebruikt in de zuurstofanalyseapparatuur van Systech Illinois.

Optimalisering van zuurstofanalysatoren voor verschillende toepassingen

Varianten op deze beide celtypes voor metingen in waterstof of waterstofhoudende atmosferen zijn eveneens verkrijgbaar. Er zijn een aantal typen celbehuizingen, zodat de cel kan worden geoptimaliseerd voor de gekozen toepassing voor gasanalyse.

De theorie achter onze elektrochemische zuurstofsensoren

Alle elektrochemische zuurstofsensoren zijn van het type met zelfvoorziening, diffusiebeperking, metaal-luchtbatterij, bestaande uit een anode, een halfvaste elektrolytpasta en een luchtkathode. De cel bestaat uit een behuizing met twee elektroden, een platte PTFE-band met een actieve katalysator, de kathode en een blok lood (anode). De behuizing is afgesloten, afgezien van een klein capillair dat de snelheid regelt waarmee zuurstof de cel kan binnendringen.

Zuurstof komt de sensor binnen via het capillair waar het in contact komt met de kathode, en wordt onmiddellijk gereduceerd tot hydroxl-ionen:

O2 + 2H2O+ 4 e– → 4 OH — (1)

Deze hydroxylionen migreren dan door de elektrolyt naar de loodanode. De hydroxylionen reageren met de loodanode, die vervolgens wordt geoxideerd tot loodoxide.

2 Pb + 4 OH — → 2 PbO + 4 e– + 2H2O(2)

Wanneer deze twee processen plaatsvinden, wordt een stroom opgewekt die door het instrument kan worden gemeten. Deze stroom is evenredig met de zuurstofconcentratie en leidt tot een nauwkeurige bepaling van zuurstof voor gasanalysedoeleinden.

Levensduur zuurstofanalysator-sensor

Aangezien de elektrochemische reactie resulteert in de oxidatie van de loodanode, veranderen de elektrische/chemische eigenschappen van de cel, zodat periodieke kalibratie nodig is. De oxidatie van de loodanode betekent ook dat de zuurstofanalysatorsensoren een beperkte levensduur hebben. Zodra al het beschikbare lood is geoxideerd, zal de cel geen output meer produceren, en moet worden vervangen. Hoe lager het zuurstofniveau waaraan de sensor wordt blootgesteld, hoe langer hij dus zal werken.

Systech Illinois ppm-cellen die lage zuurstofniveaus meten, moeten een levensduur van meer dan 3 jaar hebben. Procentcellen, die lucht meten, moeten een levensduur van ongeveer 5 jaar hebben.

Sommige componenten van de gasstroom verhogen de oxidatiesnelheid, of vormen andere loodverbindingen, waardoor de levensduur van de sensor wordt verkort. Deze omvatten CO2 en Cl2. Gasstromen die deze gassen bevatten, moeten waar mogelijk worden vermeden.

Meting van zuurstofconcentratie of partiële druk

Alle elektrochemische cellen van Systech Illinois maken gebruik van capillaire diffusie en meten de zuurstofconcentratie. Diffusiebarrières van het membraantype meten de partiële druk.

Gasdrukeffecten op zuurstofanalysatoren

De door de cel opgewekte stroom is evenredig met de volumefractie van zuurstof en deze is onafhankelijk van de druk van het gas. Indien de cel echter wordt onderworpen aan een kleine verandering in de druk of kleine drukpulsen, bijvoorbeeld door een pomp, dan kan een voorbijgaande stroom worden opgewekt die op de analysator als verandering in de zuurstofmeting wordt waargenomen.

Wanneer de druk verandert, wordt gas door de capillaire barrière geperst (bekend als bulkflow). Dit resulteert in een verhoogde (of verlaagde) stroom van gas naar de cel en derhalve in een transiënt op het uitgangssignaal. Het voorbijgaande wordt snel weer rustig wanneer de drukpuls is voltooid en de verspreidingsomstandigheden zijn hersteld. Systech Illinois cellen zijn uitgerust met een anti-bulkflow mechanisme, dat drukveranderingen dempt, wat resulteert in een aanzienlijke vermindering van het transiënte signaal, en dus een nauwkeurigere zuurstofgasmeting.

Het effect van drukpulsen op zuurstofmetingen

Sommige pompen kunnen de cel onderwerpen aan een spervuur van drukpulsen, die het anti-bulkstroomapparaat overwinnen en resulteren in een verbeterde zuurstofmeting. In deze gevallen is het noodzakelijk het bemonsteringssysteem zodanig te ontwerpen dat de pulsen tot een minimum worden beperkt.

Als de drukpuls voldoende groot is, zal de celbarrière scheuren, wat vaak gepaard gaat met het weglekken van elektrolyt uit de cel. Drukken van slechts 1 bar kunnen bij onjuiste toepassing overdruk veroorzaken. Voorkom overdruk van de cellen, aangezien dit soort schade niet door de garantie van Systech Illinois wordt gedekt.

Temperatuurinvloeden op zuurstofanalyseapparatuur

De elektrochemische cellen zijn gevoelig voor temperatuur, hoewel het effect betrekkelijk gering is. Verandering van de temperatuur van +20 naar -20°C zal resulteren in ongeveer 10% verlies van het uitgangssignaal. Om de effecten van temperatuurschommelingen op de nauwkeurigheid van zuurstofgasmetingen te minimaliseren, hebben de cellen voor sommige instrumenten, bv. EC900, temperatuurcompensatie ingebouwd. Andere instrumenten kunnen met temperatuurcompensatie worden uitgerust.

Lineariteit van de output van Systech Illinois’ zuurstofanalysatoren

Het signaal van een Systech Illinois cel is:

O/P = constante * ln[1/(1-C)]

Waarbij C de fractionele concentratie van zuurstof is

In de praktijk is de output van de cellen effectief lineair tot 30% zuurstof. Zuurstofconcentraties van meer dan 30% zouden moeilijkheden opleveren, zowel door de niet-lineariteit als door de verminderde levensduur.

De elektrochemische zuurstofanalysatoren van Systech Illinois zijn stabiel op lange termijn en hebben een lage drift

Het ontwerp van de cel vereist dat de reactiesnelheid van de cellen voldoende moet zijn voor diffusie door het capillair en dat alle andere stadia in het proces aanzienlijk sneller moeten zijn. Systech Illinois cellen hebben zeer actieve elektroden, zodat de cellen een grote activiteitsreserve hebben. Dit is een factor die zorgt voor een uitstekende stabiliteit op lange termijn en een geringe drift.

Gebruik van waterstofcellen bij gasanalyse

Waterstofcellen zijn speciaal ontworpen om een lage waterstofkruisinterferentie te hebben. Zij moeten worden gebruikt in waterstof- en waterstofhoudende gasstromen, met inbegrip van gassen zoals ethyleen.

Waterstofcellen kunnen worden gebruikt voor andere gasstromen, b.v. stikstof, maar hun lagere signaaloutput vereist een aanpassing van het instrument om de juiste meetwaarden weer te geven.

Correctie voor molecuulgewicht van draaggas

Het moleculaire gewicht van het draaggas of achtergrondgas zal van invloed zijn op de snelheid waarmee zuurstof via het capillair de cel kan binnendringen. Dit zal resulteren in een verschillende stroomafgifte voor dezelfde zuurstofconcentratie, afhankelijk van het draaggas. Correctie voor dit verschil is nodig indien het metingsdraaggas verschilt van het kalibratiedraaggas.

Voor meer informatie en berekeningen kunt u de volledige discussienota downloaden.

Aanvaardbare gassen voor de zuurstofmeetstroom

Elektrochemische cellen zijn zeer tolerant ten aanzien van vele componenten in de gasstroom die moet worden gemeten. Dit maakt deze analysers bijzonder geschikt voor metingen in koolwaterstoffen, ovens en soldeerovens, waar veel verontreinigingen aanwezig kunnen zijn. Sommige verbindingen interfereren echter met de werking van de cel en andere verkorten de levensduur van de cel door te reageren met de bestanddelen van de cel.

Oplosmiddelen zijn een bijzonder probleem, vaak tasten zij het celmateriaal aan, waardoor het capillair opzwelt en de zuurstof de cel niet kan bereiken. Gasstromen die oplosmiddelen bevatten, moeten worden vermeden.

Zure gassen kunnen de werking van de elektrolyt verstoren, waardoor de zuurstof opnieuw niet correct kan worden gemeten. Gasstromen die zure of corrosieve verbindingen bevatten, moeten eveneens worden vermeden.

De onderstaande lijsten geven een overzicht van enkele gassen die met succes worden gemeten met Systech Illinois brandstofcelanalysers en enkele van de bekende probleemgassen.

Aanvaardbare gassen
Stikstof, argon, helium, waterstof*, xenon, SF6, butadieen*, ethyleen*, acetyleen*
* Gebruik H2 cel

Speciale voorzorgsmaatregelen Gassen die vermeden moeten worden
Kooldioxide (alleen lage concentraties)
Koolmonoxide* (Vermindert de levensduur van de cel)
Chloor (Cl2), Ammoniak, Acetaldehyde*, Ethyleenglycol*, Formaldehyde*, Vinylchloride*, Methyldioxolaan*, Waterstofsulfide (H2S)
* Aanvaardbaar indien concentratie lager dan 5ppm

Voor toepassingen met andere gassen dan hierboven vermeld, gelieve Systech Illinois te contacteren voor advies.

Industriële toepassingen van elektrochemische zuurstofanalysatoren

De elektrochemische analysers van Systech Illinois worden gebruikt door industriële gasproducenten, industriële gasgebruikers en voor veiligheidsbewaking.

ToepassingGebruikt
GasproducentenOm de productkwaliteit te garanderen door te meten op zuurstofonzuiverheid.
Gasgebruikersom de betrouwbaarheid van inerte gasdekens te verzekeren
de kwaliteit van de als productiemateriaal gebruikte gassen te waarborgen
voor de bewaking en regeling van het zuurstofgehalte in soldeerovens, ovens en fabricageprocessen
Veiligheidstoezichtom ervoor te zorgen dat er voldoende zuurstof aanwezig is in een werkatmosfeer waar de atmosfeer een zuurstoftekort kan krijgen.

DOWNLOAD DE PDF

BEKIJK ONZE SYSTECH PRODUCTEN