지르코늄 산소 함유량 분석기

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지르코늄 산소 프로브의 산소 측정 원리

지르코늄의 전도 기능: 전해질 용액은 이온에 의해 전도되며, 이온 전도 성질을 가진 고체 물질을 고체 전해질이라고 한다.고체전해질은 이온결정구조로서 공혈에 의해 이온운동을 전도하는데 이는 P형반도체의 공혈전도와 기리가 비슷하다.

순수 지르코니아 (ZrO2) 는 전기가 전도되지 않고 일정한 비율의 저가 금속물을 안정제로 섞는다. 예를 들어 산화칼슘 (CaO2), 산화마그네슘 (MgO), 산화이트륨 (Y2O3) 은 고온 전도성을 가지고 지르코니아 고체 전해질이 된다.

왜 안정제를 넣으면 지르코늄이 이온 전도성이 높을까요?

소량의 CaO2가 섞인 ZrO2 혼합물이 결정 과정에서 칼슘 이온이 큐브 결정체에 들어가 지르코늄 이온을 치환했기 때문이다.지르코늄 이온은 +4가이고 칼슘 이온은 +2가이기 때문에 칼슘 이온 하나가 결정체에 들어가 산소 이온 하나만 가져왔고, 치환된 지르코늄 이온은 산소 이온 2개를 가져왔으며, 그 결과 결정체에 산소 이온 빈 구멍이 하나 남았다.예를 들어, (ZrO2) 0.85 (CaO2) 0.15와 같은 지르코니아 (지르코니아의 몰 점수는 85%, 산화칼슘의 몰 점수는 15%) 는 7이다.5% 의 몰분수의 산소이온공혈은 량호한 산소이온고체전해질로 되였다.

고밀도 지르코늄 고체 전해질의 양쪽에 소결 방법으로 몇 마이크로미터에서 수십 마이크로미터 두께의 다공성 백금층을 전극으로 만들고, 다시 전극에 백금사를 용접하여 도선으로 삼으면 산소 농차 전지를 구성한다. 만약 전지 왼쪽에 참비 가스 (공기) 가 통하면 그 산소 분압은 p0이다. 전지 오른쪽에 측정된 기체가 통하면 그 산소 압력은 p1 (알 수 없음) 이다.

p0 > p1을 설정하면 고온(650...850 ℃) 에서 산소가 분압이 큰 p0 쪽에서 분압이 작은 p1 쪽으로 퍼지는데, 이런 확산은 산소분자가 지르코늄을 통해 P0 쪽에서 P1 쪽으로 가는 것이 아니라 산소분자가 산소이온으로 분해된 후 지르코늄을 통과하는 과정이다.

750 ℃ 정도의 고온에서 백금 전극의 촉매 작용으로 배터리의 P0 측면에서 환원 반응이 발생하는데, 한 산소 분자가 백금 전극에서 4개의 전자를 얻어 두 개의 산소 이온 (O2-) 이 전해질로 변한다. 즉 O2 (P0) + 4e → 2O2-P0 측 백금 전극은 대량의 전자를 주어 양전기를 띠게 되어 산소 농차 배터리의 양극 또는 양극이 된다.이 산소 이온은 전해질에 들어간 후 결정 속의 빈 구멍을 통해 앞으로 이동하여 오른쪽의 백금 전극에 도달하여 배터리의 P1 측면에서 산화 반응을 일으키고, 산소 이온은 백금 전극에서 전자를 방출하고 산소 분자 석출로 결합한다: 2O2--4e→O2 (P1)

P1측 백금 전극은 전자를 많이 얻기 때문에 음전기를 띠고 산소 농차 전지의 음극이나 음극이 된다.

이렇게 두 전극에서 양과 음의 전하가 쌓여서 하나의 전세를 형성하는데 이를 산소농차전동세라고 한다.도선으로 두 전극을 회로로 연결하면 음극의 전자는 외부 회로를 통해 양극으로 흐르고, 다시 산소 분자를 공급하여 이온을 형성하면 회로에 전류가 통과한다.산소농도차 전동세의 크기는 지르코니아 고체전해질 량측 기체의 산소농도와 관련된다.

지르코늄 산소 센서 작동 원리

지르코니아 전해질 (ZrO2 튜브) 의 양 측면에 각각 다공성 백금 (Pt) 전극을 소결하고 측정 배터리 본체는 백금 (전극) - 지르코니아 (전해질) - 백금 (전극) 3 층으로 나뉩니다.백금 전극은 다공성이다.연도 가스는 필터나 검사 가스를 통해 전도관을 통해 측정 배터리의 측정된 가스 쪽으로 들어가고, 다른 쪽은 비교 공기 (산소 20.60%) 이다.

산소 함유 농도가 다른 두 종류의 기체가 배터리를 측정하는 데 작용하면 대수를 규칙으로 하는 전세가 발생한다 (양쪽의 산소 농도 차이가 클수록 전세 신호가 크다).밀리볼트 신호는 산소 분석기를 통해 0-10mA 또는 4-20mA 표준 전류로 변환됩니다.이 전류는 산소 분석기의 접선 단자에 의해 출력된다.

측정 배터리의 작동 온도는 650 ℃ 보다 높은 일정한 온도로 설정되며, 작동 온도를 일정하게 유지하기 위해 K형 열전지로 배터리의 작동 온도를 측정하고 산소 분석기 내의 온도 컨트롤러를 통해 히터의 가열 전압을 조절한다.

담배 연기 온도가 700 ℃ 보다 높은 것을 측정 할 때, 센서는 중간 히터와 온도 측정 열전지를 구성합니다.

이상적인 상태에서 피측정된 연기가 비교가스 농도와 같을 때 그 출력전세 E값은 0mV이지만 실제 응용에서 지르코늄관의 실제 조건과 현장 상황은 모두 이상적인 상태가 아니다.이야기의 실제 지르코늄 튜브는 이 값에서 벗어난 것이다.실제로, 일정한 산소 함량의 지르콘관 출력의 전세는 이론값과 본저전세의 합이다. 우리가 무농차 조건에서 지르콘관 출력의 전세값이라고 하는 것은 본저전세 또는 0위전세이다. 이 값의 크기는 또 다른 온도에서 다른 값을 나타내며 지르콘관 사용기간이 연장됨에 따라 변화한다.따라서 이 상황을 처리하지 않으면 전체 산소 측정기의 정확성과 프로브 수명에 심각한 영향을 줄 수 있다.

지르코늄 산소량 분석기의 구조 및 종류

지르코늄 산소량 분석기의 구성은 산소 센서 (일명 산소 프로브, 산소 검출기), 산소 분석기 (일명 트랜스포머, 트랜스포머 유닛, 변환기, 분석기) 및 방진 장치, 열전지, 히터, 표준 가스 도관, 배선 박스 및 케이스 하우징 등으로 구성된다.

방진 장치는 연기 속 먼지가 지르코늄 튜브 내부로 들어가는 것을 막아 지르코늄 튜브 소자가 오염되지 않도록 하고 가스 견본을 완충하는 역할을 하는 방진 덮개와 필터로 구성됐다.

지르코니아 소자는 산소 프로브의 핵심 부품으로 산소 농차 전세 신호를 생성한다.지르콘은 세라믹류 금속산화물로서 사용시 반드시 격렬한 진동을 피하여 지르콘부속품을 손상시키지 않도록 해야 한다.

열전지는 프로브 내장 가열기 항온 제어용이자 보일러, 가마 연도에서 측정된 기체의 온도를 측정하는 부품으로 산소량 계산에 온도 신호를 제공한다.

히터는 지르코늄 고체 전해질 소자가 정상적으로 작동하는 데 필요한 온도를 공급해 600℃ 미만의 측정된 연기 환경에서도 정상적으로 작동할 수 있도록 하는 역할을 한다.

산소프로브에서 온 산소전세신호, 열짝온도신호는 증폭을 거쳐 A/D변환회로를 보내 교정계수와 함께 데터처리를 진행하면 산소함량의 100% 함량을 얻을수 있다.이와 동시에 시스템은 산소전세, 프로브온도, 교정계수치의 표시를 실행할수 있으며 지르코늄관의 가열전기로에 대해 항온제어를 진행할수 있으며 단짝, 초온보호, 열짝반접보호를 보조하여 시스템의 믿음직한 작업을 확보할수 있다.

검측 방식에 따라 지르코늄 산소 프로브는 샘플링 검측식 산소 프로브와 직삽식 산소 프로브로 두 종류로 나뉜다.

샘플링 검사식 산소 프로브

샘플링 검사 방식은 도인관을 통해 측정된 가스를 지르코니아 검사실로 가져온 뒤 다시 가열소자를 통해 지르코늄을 작동온도(750℃ 이상)로 가열하는 방식이다.지르코늄은 일반적으로 관 모양을 사용하고, 전극은 다공성 백금 전극을 사용한다.그 장점은 기체의 온도를 측정하는 영향을 받지 않고 부동한 도류관을 채용하여 각종 온도기체의 산소함량을 측정할수 있는데 이런 신축성은 많은 공업온라인검측에 활용된다.반응 시간이 느리다는 단점이 있습니다.구조가 복잡하여 검측 정밀도에 영향을 주기 쉽다;검출된 기체의 불순물이 비교적 많을 때 샘플링관이 쉽게 막힌다;다공성 백금 전극은 기체 중의 황, 비소 등의 부식 및 미세한 분진의 막힘에 의해 효력을 잃기 쉽다;가열기는 일반적으로 전기 난로 실로 가열하는데 수명이 길지 않다.

피검측기체의 온도가 비교적 낮거나 (0 ℃ ~650 ℃) 측정기체가 비교적 청결할 때 질소제조기의 산소측정, 실험실의 산소측정 등 표본추출식검측방식에 적합하다.

지르코늄 산소 함유량 분석기직삽 검사식 산소 프로브

직삽식 검사는 지르코늄을 고온 피측정 기체에 직접 삽입하여 기체 중의 산소 함량을 직접 검사하는 것으로, 이러한 검사 방식은 피측정 기체 온도가 700 ℃ ~1150 ℃ 일 때 (특수 구조는 1400 ℃ 의 고온에도 사용할 수 있음) 적합하며, 피측정 기체의 고온을 이용하여 지르코늄을 작업 온도에 도달시킬 수 있으며, 별도로 히터를 사용할 필요가 없다.직삽식 산소 프로브의 기술 관건은 도자기 재료의 고온 밀봉과 전극 문제이다.

검출 가스에 지르코늄을 직접 삽입해야 하기 때문에 산소 프로브의 길이에 대한 요구가 높으며, 유효 길이는 500mm~1000mm 정도이며, 특수한 환경 길이는 1500mm에 달한다. 또한 검출 정밀도, 작업 안정성과 사용 수명이 매우 높기 때문에 직삽식 산소 프로브는 전통적인 지르코늄 산소 프로브의 전체 지르코늄 튜브 구조를 사용하기 어렵고, 기술적 요구가 높은 지르코늄과 알루미늄 튜브 구조를 많이 사용한다.밀봉 성능은 이런 지르코늄 산소 프로브의 핵심 기술 중의 하나이다.현재 상 *의 연결 방식은 지르코늄과 산화알루미늄 파이프를 함께 용접하는 것으로, 밀봉 성능이 뛰어나고, 샘플링 검사 방식에 비해 직삽식 검사는 명백한 장점이 있다: 지르코늄은 기체에 직접 접촉하고, 검사 정밀도가 높으며, 반응 속도가 빠르고, 유지보수량이 적다.