Wenn die Sauerstoffkonzentration Referenzgas (Luft) > Probengas ist
Abbildung 3: Aufbau und Funktionsprinzip eines Sauerstoff-Gasanalysators auf Basis einer Konzentrationszelle im Zirkonoxidverfahren
Gleichung 1: Nernst-Gleichung
Zirkonoxidelemente mit festem Elektrolyten sind unter Hochtemperaturbedingungen leitfähig für Sauerstoffionen.
Wenn ein Zirkonia-Element mit beidseitig angebrachten Platinelektroden auf über 400 Grad erhitzt wird und jedes Gas mit unterschiedlicher Sauerstoffkonzentration mit beiden Seiten in Kontakt kommt, wird durch eine ähnliche Reaktion in einer Zelle eine „elektromotorische Kraft“ erzeugt.
Dies wird als Sauerstoffkonzentrationszelle bezeichnet.
Auf der Elektrodenseite mit hoher Sauerstoffkonzentration gewinnen Sauerstoffmoleküle Elektronen und werden zu Sauerstoffionen, die durch das Zirkonoxidelement zur anderen Elektrodenseite gelangen, wo sie Elektronen abgeben und zu Sauerstoffmolekülen zurückkehren. Je größer der Unterschied in der Sauerstoffkonzentration auf beiden Seiten ist, desto größer ist die erzeugte elektromotorische Kraft.
Die elektromotorische Kraft steigt mit zunehmender Temperatur des Zirkonoxidelements. Durch Messen dieser elektromotorischen Kraft und der Temperatur des Zirkonoxidelements kann die Sauerstoffkonzentration im Probengas ermittelt werden.
Der Ablauf dieser elektrochemischen Reaktionen wird durch die Nernst-Gleichung (Gleichung 1) dargestellt.
Wenn die Sauerstoffkonzentration Referenzgas (Luft) > Probengas ist
Abbildung 3: Aufbau und Funktionsprinzip eines Sauerstoff-Gasanalysators auf Basis einer Konzentrationszelle im Zirkonoxidverfahren
Gleichung 1: Nernst-Gleichung
Wenn zwischen den Elektroden auf beiden Seiten eines erhitzten Zirkonoxidelements elektrischer Strom angelegt wird, bewegen sich Sauerstoffionen zwischen den Elektroden und Sauerstoff wird durch Pumpwirkung von einer Elektrode zur anderen transportiert. Diese elektrochemische Wirkung wird als Sauerstoffpumpwirkung bezeichnet und die Menge des durch die Pumpwirkung transportierten Sauerstoffs ist proportional zum angelegten Strom.
Wenn die Sauerstoffpumpwirkung in der durch die Gasdiffusionslöcher begrenzten Gasdiffusionskammer ausgeführt wird, bleibt der Strom durch das Zirkoniumoxidelement konstant, selbst wenn die an das Zirkoniumoxidelement angelegte Spannung erhöht wird. Dieser konstante Strom wird Grenzstrom genannt. Dieser Grenzstrom ist proportional zur Sauerstoffkonzentration im Probengas, sodass die Sauerstoffkonzentration durch Messen des Grenzstroms gemessen werden kann.
Das strukturelle Merkmal des Analysators besteht darin, dass eine Probengasdiffusionskammer, eine Referenzgaskammer, Elektroden und Gasdiffusionslöcher in das Zirkonoxidelement eingebaut sind und das gesamte Zirkonoxidelement durch eine Heizung ständig beheizt wird. (Abbildung 4-1)
Mit dieser Struktur und den folgenden Vorgängen kann die Sauerstoffkonzentration mit der Kombinationsmethode einer Sauerstoffkonzentrationszelle und eines Grenzstroms gemessen werden. (Abbildung 4-2, Abbildung 4-3, Abbildung 4-4)
Abbildung 4-1: Struktur eines Sauerstoffanalysators unter Verwendung des Grenzstromtyps in der Zirkoniumoxidmethode.
Abbildung 4-2: Sauerstoffpumpwirkung
Zwischen den Elektroden 3 und 4 wird Strom (IP-34) angelegt, um durch Sauerstoffpumpwirkung etwas Sauerstoff aus der Probengasdiffusionskammer in die Referenzgaskammer zu übertragen, und die Referenzgaskammer wird mit einer Sauerstoffkonzentration von 100 % gefüllt.
Der zum Pumpen von Sauerstoff erforderliche Strom wird als Pumpstrom bezeichnet. (Abbildung 4-2)
Abbildung 4-3: Konzentrationszelle bilden
Gleichzeitig wird zwischen den Elektroden 1 und 2 ein Pumpstrom (IP-12) angelegt und der Sauerstoff in der Probengasdiffusionskammer wird durch die Sauerstoffpumpwirkung nach außen abgesaugt, um die Sauerstoffkonzentration in der Probengasdiffusionskammer auf 0 % zu senken.
Dadurch entsteht zwischen der Referenzkammer und der Probengasdiffusionskammer eine Zirkonoxid-Konzentrationszelle, die eine konstante elektromotorische Kraft (350 mV) erzeugt.
Die Sauerstoffkonzentration von 0 % in der Gasdiffusionskammer und 100 % in der Referenzgaskammer erzeugen den Referenzzustand für den Analysator. (Abbildung 4-3)
Abbildung 4-4: Messung der Sauerstoffkonzentration durch Grenzstrom
Besteht ein Konzentrationsunterschied zwischen dem externen Probengas und dem Sauerstoff in der Probengasdiffusionskammer, strömt das Probengas durch die Gasdiffusionslöcher in die Probengasdiffusionskammer und der Sauerstoff diffundiert.
Es wird ein Pumpstrom (IP-12) angelegt, der der Konzentration des diffundierten Sauerstoffs entspricht, und durch die Sauerstoffpumpwirkung wird der gesamte Sauerstoff nach außen abgeleitet (0 % Sauerstoffkonzentration), wobei der in Abbildung 4-3 dargestellte Referenzzustand jederzeit aufrechterhalten wird.
Der konstante Strom, der diesen Zustand aufrechterhält, wird Grenzstrom (Limit) genannt.
Da der Grenzstrom proportional zur Konzentration des durch die Gasdiffusionslöcher einströmenden Sauerstoffs ist, wird die Sauerstoffkonzentration durch Erfassen des Grenzstroms gemessen. (Abbildung 4-4)
Gasanalysatoren mit Zirkonoxid-Methode können direkt in Messstellen eingesetzt werden und nutzen Oxidmessungen an Wärmebehandlungsöfen, Industrieöfen, Motoren, Kesseln und anderen Einrichtungen, die eine schnelle Reaktionszeit durch direkte Messung erfordern. Darüber hinaus hat der Gasanalysator mit Zirkonoxid-Methode eine einfache Struktur ohne bewegliche Teile im Detektorsensor, was ihn sehr widerstandsfähig gegen Vibrationseinflüsse macht und ihn an Messstellen mit Vibrationen einsetzen lässt.
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