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

Zirconia zuurstofanalysator werkingsprincipe

De zirkoniumoxide cel die Systech gebruikt is gemaakt van zirkoniumoxide gestabiliseerd met yttriumoxide als keramiek met poreuze platina elektrodes. Deze cel is afgebeeld in figuur 1.

Moleculaire zuurstof wordt geïoniseerd aan de poreuze platina-elektroden.

PtO → Pt + ½ O2
½ O2 + 2 ^e- → O2 ^–

De platina-elektroden aan elke kant van de cel bieden 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> De P ₂ -ionenstroom zal van P ₁ naar P ₂ zijn, dwz een positieve EMF
Als _P1< De P2 _– ionenstroom zal van _P2 naar _P1 zijn, dwz een negatieve EMF
Als P ₁ =P ₂ zal er geen netto ionenstroom zijn, dat wil zeggen een nul-EMK

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 het meten van de potentiaal, E, die over de zirkoniumcelelektroden wordt geproduceerd, waarbij E in de Nernst-vergelijking wordt vervangen en het loggen wordt tegengegaan om _P02 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 %.

Zirconia o2-sensorkalibratie