Czujniki HC z elektrolitem stałym do pomiaru śladowych ilości węglowodorów w powietrzu albo w gazach procesowych

Zalety metody pomiarowej

1 zakres pomiaru od ppm do % objęt. (w zależności od gazu)

1 brak dryfu zera

1 krótkie czasy zadziałania (kilka sekund)

1 nie wymagany gaz odniesienia

1 brak czułości skrośnej wobec pary wodnej

1 metoda pomiaru ciągłego

1 prosta, ekonomiczna konstrukcja

Zakres zastosowania (wybór)

1 Kontrola powietrza pokojowego (zanieczyszczenia powietrza, kontrola urządzeń klimatyzacyjnych)

1 bezpieczeństwo pracy (zachowane wartości MAK)

1 Kontrola urządzeń do oczyszczania spalin

1 pomiar w procesach technologicznych (Zachowanie się przy wypalaniu, kontrola nie spalonych paliw w urządzeniach paleniskowych)

Sposób działania nowego czujnika HC opiera się na zasadzie pomiaru czujników potencjometrycznych tlenu, stosowanych do pomiarów O₂ w gazach spalinowych z palenisk oraz spalin z układów spalania pojazdów samochodowych (sonda ) ale jest rozwiązaniem specjalnym w stosunku do tego urządzenia znanego od ponad 30 lat.

Czujnik z zachowaniem prawa Nernsta (czujnik tlenu)

Jądro czujnika stanowi stały elektrolit, który wykazuje wysokie przewodnictwo dla jonów tlenu (O^2-), a bardzo małe przewodnictwo dla elektronów. Jony wędrują przy tym poprzez luki w sieci krystalicznej po jonach tlenowych w mieszanym tlenku (dwutlenek cyrkonu stabilizowany za pomocą itru). Przewodnictwo elektryczne określone jest przez liczbę luk i ruchliwość jonów w tej sieci. Wysoką selektywność czujnika gwarantuje wyłączne przewodnictwo jonów tlenowych, które zaczyna się w zauważalny sposób w temperaturach powyżej 600°C i wzrasta wraz z temperaturą.

W czujniku tlenowym (rys.1) gaz mierzony i gaz odniesienia oddzielone są od siebie przestrzennie poprzez stały elektrolit (ZrO₂/Y₂O₃). Po jednej stronie znajduje się gaz odniesienia, z reguły powietrze o stałym ciśnieniu cząstkowym tlenu p_O2(1) o około 21% obj. Po drugiej stronie przepływa gaz pomiarowy o nieznanym ciśnieniu cząstkowym tlenu p_O2(2). W stałym elektrolicie zamocowano z obu stron porowate elektrody z metalu szlachetnego, na których można mierzyć powstające napięcie U_eq. Oprócz różnicy ciśnień cząstkowych tlenu na elektrodach napięcie U_eq zależne jest tylko od temperatury i stąd określone w sposób termodynamiczny. Ponieważ ta zasada termodynamiczna opisana jest za pomocą równania Nernsta, zwana jest również zasadą Nernsta.

Czujnik nie zachowujący zasady Nernsta (Czujnik HC)

Zasada Nernsta stosuje się tylko do wystarczająco wysokich temperatur (od około 600°C). Wraz ze spadkiem temperatury pracy w coraz większym stopniu zachodzą kinetycznie określone procesy, które dają w wyniku napięcie czujnika nie odpowiadające równaniu Nernsta. Przyczyna leży w tym, że węglowodory i inne redukujące gazy (jak, np. CO, NH₃ lub H₂) są silniej adsorbowane na elektrodzie i mogą tam reagować z jonami tlenku stałego elektrolitu. Na elektrodzie gazu mierzonego powstaje deficyt tlenu wobec gazu mierzonego, ponieważ na granicy faz elektrochemicznie działa tylko stężenie tlenu. Efekt ten można wykorzystać, aby wykryć ilości śladowe węglowodorów w powietrzu już w najniższych stężeniach.

Czujnik powietrza składa się z ceramicznej rury z ZrO₂ (2 mm średnicy). Na stronie zewnętrznej i wewnętrznej rurki wtopiono porowate elektrody z metalu szlachetnego. Zanim gaz dotrze do elektrody przechodzi on we wnętrzu rurki przez porowaty katalizator. Katalizator powoduje całkowite utlenienie wszystkich redukujących części składowych gazu, do elektrody dociera powietrze pozbawione węglowodorów. Elektroda wewnętrzna stanowi elektrodę odniesienia ze stałym potencjałem elektrodowym. Po stronie zewnętrznej rury gaz mierzony dociera bezpośrednio do elektrody pomiarowej. Na elektrodzie pomiarowej redukujące gazy powodują zmiany potencjału elektrodowego. Jeśli połączy się razem obie elektrody, otrzymuje się napięcie ogniwa, zależne od stężenia zanieczyszczeń powietrza.

Czujnik reaguje prawie na wszystkie redukujące części składowe gazu, przy czym wysokość sygnału zależna jest od substancji. Na podstawie szerokiego spektrum dających się oznaczać substancji można opisać zachowanie się sygnału czujnika nie tylko za pomocą ogólnego równania matematycznego, lecz dla potrzeb pomiarów ilościowych należy wykonać dla każdego oznaczanego gazu krzywą kalibracyjną. Sygnał czujnika w przypadku rzeczywistego pomiaru jest równy sumie sygnałów poszczególnych składników. Charakterystyka czujnika jest nieliniowa, ona przedstawia związek logarytmiczny, tzn. przy małych stężeniach czułość jest największa powyżej granicy wykrywalności. Selektywność w stosunku do poszczególnych składników gazu można zmieniać przez różnicowanie temperatury pracy i materiałów elektrodowych tak, aby można było wykryć w jednej mieszance węglowodorów poszczególne składniki.

Zasada działania czujnika ze stałym elektrolitem (czujnik tlenu)

Referenzgaz = gaz odniesienia, Meβgaz = gaz mierzony, Sauerstoff-Leerstelle = luka tlenowa

Poröse Edelmetallelektrode = porowata elektroda z metalu szlachetnego, Drei-Phasengrenze = granica trzech faz

Gas-Elektrode-Festelektrolyt = gaz-eletroda-elektrolit stały,

Meβgas = gaz mierzony, poröser Verschluβ = porowate zamknięcie

Referenzelektrode aus Edelmetall = elektroda odniesienia z metalu szlachetnego,

Meβelektrode aus Edelmetall = elektroda pomiarowa z metalu szlachetnego,

Festelektrolytrohr aus Zirconiumdioxyd = rura ze stałym elektrolitem z dwutlenku cyrkonu,

gasdurchlässiger Katalysator = katalizator przepuszczalny dla gazu,

Ableitung des Potencjals = Wyprowadzenie potencjału (napięcie ogniwa)

Schematyczne przedstawienie czujnika HC

Forma wykonania czujnika z jednym transmiterem

Charakterystyki czujników dla rozmaitych gazów

Dane techniczne

Essigsäure = kwas octowy

Ethanol = etanol

Methanol = metanol

Essigsäureethylester = ester etylowy kwasu octowego

n-Undecan = n-undekan

Cyclohexan = cyklokeksan

n-Hexan = n-heksan

p-Xylol = p-ksylen