Что такое кислородный монитор?

Что такое кислородный монитор?

Кислородный монитор — это измерительный прибор, используемый для определения концентрации кислорода в воздухе.

Иногда его называют датчиком кислорода или измерителем кислорода. Кислородные мониторы необходимы, поскольку кислород является необходимым веществом для жизни человека.

Мониторинг уровня кислорода чрезвычайно важен, особенно в закрытых рабочих помещениях, которые подвержены кислородной недостаточности. Кроме того, многие научные и промышленные области требуют точного контроля концентрации кислорода с точки зрения управления процессами и обслуживания оборудования. В зависимости от требований научного и промышленного секторов измерительные системы доступны для различных условий измерения.

Типичные примеры включают в себя датчики из диоксида циркония, которые используются для контроля продукции в производстве полупроводников, энергосбережения в автомобилях и очистки выхлопных газов. Для получения дополнительной информации о кислородных мониторах см. рисунок ниже.

Применение кислородных мониторов

Применение кислородных мониторов можно в целом разделить на две категории: «для предотвращения кислородной недостаточности» и «для контроля концентрации кислорода».

1. Мониторинг концентрации кислорода с целью предотвращения кислородной недостаточности (обнаружение и мониторинг)

Мониторинг кислорода играет чрезвычайно важную роль в поддержании жизнедеятельности в закрытых помещениях. Это связано с тем, что, как говорят, если концентрация кислорода падает ниже 15%, у человека возникают трудности с дыханием. Если она падает ниже 7%, нарушается работа мозга, а если она падает ниже 4%, наступает смерть. Оборудование может быть переносным или настенным.

2. Контроль концентрации кислорода в промышленных процессах

В некоторых промышленных процессах термообработки в химической промышленности, керамике, металлах и т. д. концентрация кислорода должна поддерживаться на низком уровне. Процесс горения в промышленных печах также требует мониторинга и контроля концентрации кислорода для оптимизации эффективности горения и окислительно-восстановительного процесса.

Мониторы кислорода для таких промышленных применений могут подвергаться интенсивным химическим реакциям в высокотемпературных средах. Требуются продукты, устойчивые к суровым условиям.

Принцип работы мониторов кислорода

Два основных принципа работы кислородных мониторов — это «тип гальванического элемента» и «тип твердого электролита циркония». Другие типы включают «магнитный тип» и «тип спектроскопии полупроводникового лазера с настраиваемой длиной волны».

1. Тип гальванического элемента

Гальванический элемент состоит из смоляной мембраны, которая пропускает кислород из внешнего мира, золотых (Au) и свинцовых (Pb) электродов и электролита (раствор гидроксида калия). На каждом электроде происходят следующие реакции:

• Анод: Pb + 2OH- → Pb2+ +H2O + 2e-
• Катод: O2 + 2H2O + 4e- → 4H2O

Электроны, испускаемые на аноде, достигают катода, где кислород, поступающий из воздуха, забирает электроны, испускаемые на аноде. Поскольку поток электронов (ток) пропорционален концентрации кислорода, концентрацию кислорода можно измерить, измеряя ток. Поскольку эта реакция происходит спонтанно, для работы датчика не требуется источник питания.

2. Метод твердого электролита на основе циркония

Этот метод использует ячейку из циркония, используя тот факт, что цирконий проявляет свойства твердого электролита при температурах 500°C или выше. Цирконий может проводить отрицательные ионы кислорода (O2-) в твердом состоянии, и ионы проводятся из газа с высокой концентрацией кислорода (в воздухе) в атмосферу с низкой концентрацией кислорода (например, в промышленной печи).

Эта ионная проводимость создает разность потенциалов, и электроды размещаются на стороне с высокой концентрацией O2 и на стороне с низкой концентрацией O2 соответственно, генерируя электродвижущую силу. Соотношение такое же, как между положительными и отрицательными электродами батареи.

• Сторона с высокой концентрацией O2: O2 + 4e- → 2O2-
• Сторона с низкой концентрацией O2: 2O2- → O2 + 4e-

Электродвижущая сила, возникающая между электродами, подчиняется уравнению Нернста (см. ниже), поэтому можно определить парциальное давление кислорода на каждом электроде.

• E= (RT/4F) -ln (PA/PB)
• (R: газовая постоянная, T: температура, F: постоянная Фарадея, PA: парциальное давление кислорода при высокой концентрации (в воздухе), PB: парциальное давление кислорода при низкой концентрации)

Температура измеряется термопарами, прикрепленными к цирконию. В атмосфере с температурой около 400 °C или ниже целевой газ вводится в устройство через трубку для отбора проб, а ячейка из циркония нагревается до заданной температуры платиновым нагревателем или другими способами (метод отбора проб). Это связано с тем, что цирконию требуется температура 500 °C или выше для функционирования в качестве твердого электролита.

Типы кислородных мониторов

Для кислородомеров, предназначенных для предотвращения кислородной недостаточности, и тех, которые предназначены для поддержания низких концентраций кислорода в промышленных процессах, следует использовать различные продукты.

1. Кислородный монитор для предотвращения кислородной недостаточности

Портативные и стационарные анализаторы кислорода, предназначенные для предотвращения дефицита кислорода, используют анализаторы кислорода с гальваническим питанием от батареи. Этот тип не требует источника питания для работы датчика.

Срок службы датчика составляет приблизительно от 2 до 3 лет. Однако пригодная для использования среда ограничена атмосферой, аналогичной общей окружающей среде, а точность составляет около ±0,5%O2. Приборы доступны в переносном и настенном исполнении, а некоторые из них взрывозащищенные.

2. Кислородный монитор для промышленного использования

Кислородные мониторы циркониевого типа подходят для измерения концентрации кислорода в высокотемпературных промышленных процессах, таких как промышленные печи и т. д. В атмосферах выше 700 °C используется тип прямой вставки, когда сенсорная часть вставляется непосредственно в атмосферу.

Для температур ниже 400 °C подходит метод отбора проб, при котором окружающий газ в печи втягивается через пробоотборную трубку и т. д., а циркониевая ячейка нагревается отдельно. Правильный выбор следует делать в соответствии с применением.