Zirconia Zuurstof Analyse - Industrial Physics Zirconia Zuurstof Analyse - 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

Zirconia Zuurstof Analyse

Het meten van gas met Zirconia Zuurstof Analyzer van Systech

De zirconia zuurstofanalysator is geschikt voor metingen van ppm tot % zuurstofgehaltes in een gas of gasmengsel. De zirkooncel is een elektrochemische galvanische cel die gebruik maakt van een keramische sensor bij hoge temperatuur die gestabiliseerd zirkoonoxide bevat.

In een instrument is de zirkooncel gemonteerd in een oven met temperatuurregeling met de nodige elektronica om het signaal van de detectiecel te verwerken. Gewoonlijk worden de metingen rechtstreeks via een digitaal display weergegeven als zuurstofconcentratie in het bereik van 0,01ppm tot 100%.

De theorie achter Systech’s zirconia zuurstof analyzer

De zirconia cel is een keramische sensor voor hoge temperaturen. Het is een elektrochemische galvanische cel die bestaat uit twee elektrisch geleidende, chemisch inerte elektroden die aan weerszijden van een vaste elektrolytbuis zijn bevestigd. Dit is schematisch weergegeven in figuur 1 hieronder.

De buis is volledig gasdicht en gemaakt van een keramiek (gestabiliseerd zirkoniumoxide) dat bij de bedrijfstemperatuur elektriciteit geleidt door middel van zuurstofionen. (Opmerking: Bij sensoren van dit type moet de temperatuur hoger zijn dan 450°C voordat zij actief worden als geleider van elektrolyten). Het potentiaalverschil over de cel wordt gegeven door de Nernst-vergelijking.

 

Waar:

E is het potentiaalverschil (volt)
R de gasconstante is (8,314 J mol-1 K-1)
T is de absolute temperatuur (K)
F de constante van Faraday is (96484 coulomb mol-1)
P1 &P2 zijn de partiële drukken van de zuurstof aan weerszijden van de zirconia buis

 

 

Indien dus de partiële zuurstofdruk aan één van de elektroden bekend is en de temperatuur van de sensor wordt geregeld, kan door meting van het potentiaalverschil tussen de twee elektroden de onbekende partiële druk worden berekend.

Noot

De partiële druk van het gas is gelijk aan de molaire concentratie van de component in een gasmengsel maal de totale druk van het gasmengsel.

PO2 =CO2P2

waar:

PO2 = partiële zuurstofdruk
CO2 = Molaire concentratie van zuurstof
P2 = Totale druk

Voorbeeld

Voor atmosferische lucht:

CO2 = 20,9%
P2 = 1 atmosfeer

PO2 = (0,209/100) x 1

PO2 = 0,209 atmosfeer

Werkingsprincipe

De door Systech Illinois gebruikte zirkoniumoxidecel is gemaakt van zirkoniumoxide gestabiliseerd met yttriumoxide als keramiek met poreuze platina-elektroden. Deze cel is afgebeeld in figuur 1.

 

 

Moleculaire zuurstof wordt geïoniseerd aan de poreuze platina-elektroden.

PtO → Pt + ½ O2
½ O2 +2e- → O2-

De platina-elektroden aan elke kant van de cel vormen een katalytisch oppervlak voor de verandering van zuurstofmoleculen, O2, in zuurstofionen, en van zuurstofionen in zuurstofmoleculen. Zuurstofmoleculen aan de kant van de cel waar het referentiegas zich in hoge concentraties bevindt, krijgen elektronen en worden ionen die in de elektrolyt terechtkomen. Tegelijkertijd verliezen de zuurstofionen aan de andere elektrode elektronen en komen ze als zuurstofmoleculen vrij van het oppervlak van de elektrode.

Het zuurstofgehalte van deze gassen, en dus de partiële zuurstofdruk, is verschillend. Daarom verschilt de snelheid waarmee zuurstofionen worden geproduceerd en in de zirkoniumoxide-elektrolyt terechtkomen bij elke elektrode. Aangezien het zirkoniumoxide de mobiliteit van zuurstofionen mogelijk maakt, zal het aantal ionen dat zich in elke richting door de elektrolyt verplaatst, afhangen van de snelheid waarmee zuurstof wordt geïoniseerd en bij elke elektrode in de elektrolyt terechtkomt. Het mechanisme van deze ionenoverdracht is complex, maar het is bekend dat daarbij vacatures in het zirkoonoxidelatrix betrokken zijn door dotering met yttriumoxide.

Het resultaat van de migratie van zuurstofionen door de elektrolyt is een netto stroom van ionen in één richting, afhankelijk van de partiële druk van zuurstof aan de twee elektroden. Bijvoorbeeld in de Nernst vergelijking:

 

Als P1>P2 ionenstroom zal zijn van P1 naarP2, d .w.z. een positieve E.M.F.
Als P1<P2 ionenstroom zal zijn vanP2 naar P1, d .w.z. een negatieve E.M.F.
Als P1=P2 zal er geen netto ionenstroom zijn, d.w.z. een E.M.F. van nul.

 

De zirconia-analysator gebruikt lucht als referentie, een constante zuurstofconcentratie van 20,9%, en de zirconia-cel is gemonteerd in een oven waarvan de temperatuur wordt geregeld op 650°C (923 K).

 

 

De zirconia-analysator berekent elektronisch de partiële zuurstofdruk, en dus de zuurstofconcentratie, van een monstergas met onbekende zuurstofconcentratie. Dit wordt bereikt door de potentiaal, E, te meten die over de zirkoniumcelelektroden wordt geproduceerd, door E in de Nernst-vergelijking te substitueren en door anti-logging PO2 te verkrijgen. De uitvoer van de celpotentiaal wordt getoond in figuur 2.

 

Figuur 2 Grafiek van celpotentiaal versus zuurstofconcentratie van zirconia-cel.

Door anti-logging van de vergelijking kan het uitgangssignaal rechtstreeks op een digitale afleesteller worden weergegeven als zuurstofconcentratie in ppm of %.

Kalibratie

Aangezien het zirconia-instrument gebruik maakt van een absoluut meetprincipe wanneer het eenmaal is gebouwd en in de fabriek gekalibreerd, behoeft het geen verdere kalibratie in de fabriek.

Fabriekskalibratie bestaat uit het kalibreren van de elektronica om het millivolt-ingangssignaal van de detectiecel te accepteren en te controleren of het instrument dan in lucht, 20,9%, correct afleest. Het instrument wordt vervolgens verder gecontroleerd op een correcte aflezing van het ppm zuurstofgehalte in stikstof.

Toepassingen van zirconiumzuurstofanalysatoren

De zirconia-analysatoren kunnen worden gebruikt voor de meting van zuurstof op elk niveau tussen 0-100% in gassen of gasmengsels.

De enige beperking voor het gebruik van het instrument is dat het te meten gas geen brandbare gassen of stoffen mag bevatten die de zirkoniumoxidedetectiecel kunnen vergiftigen.

Brandbare gassen, b.v. CO, H2, koolwaterstoffen zoals methaan, in het monstergas dat het instrument binnenkomt, zullen zich binden met zuurstof in het monstergas in de oven als gevolg van de hoge temperatuur waarop de oven wordt gehouden. Hierdoor zal de hoeveelheid zuurstof in het monstergas verminderen, waardoor het instrument een onjuiste lage waarde zal aflezen.

Materialen die de detectiecel zullen vergiftigen zijn:

  • Halogenen b.v. Chloor
  • Gehalogeneerde koolwaterstoffen, b.v. methylchloride
  • Zwavelhoudende verbindingen, b.v. waterstofsulfide
  • Loodhoudende verbindingen, b.v. loodsulfide

Gassen of gasmengsels die een van de bovenstaande stoffen bevatten, zijn niet geschikt voor zuurstofbepaling met een zuurstofanalysator van het zirconiumtype.

De ZR800 analysers worden gebruikt door industriële gasproducenten, industriële gasgebruikers en voedselverpakkingsbedrijven:

ToepassingGebruikt
Gasproducentenom de productkwaliteit te garanderen door te meten op zuurstofonzuiverheid of om de zuurstofzuiverheid te controleren.
Gasgebruikersom de betrouwbaarheid van inerte gasdekens te verzekeren
om de kwaliteit te waarborgen van gassen die als productiemateriaal in de chemische industrie worden gebruikt.
Voedselverpakkingom ervoor te zorgen dat de juiste zuurstofniveaus aanwezig zijn in verpakkingen met gewijzigde of gecontroleerde atmosferen

DOWNLOAD DE PDF

BEKIJK ONZE SYSTECH PRODUCTEN