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#Produkttrends
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Messende Sauerstoff-Reinheit mit einem Mikro-Brennstoff-Zell-Sensor
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Erhöhte Konzentrationen des Sauerstoffes werden in vielen chemischen Prozessen verwendet, um den Ertrag ohne bedeutende Kostensteigerungen aufzuladen. Die Sauerstoffanreicherung für chemische Prozesse reicht gewöhnlich von 80% bis 100%. Der Sauerstoff, der an die chemische Verarbeitungsindustrie geliefert wird, wird auch nicht kälteerzeugend oder, für mäßiges zum niedrigen Verbrauch erzeugt, erzeugt durch Druckschwingenabsorption und/oder eine Vakuumdruckaufnahmemethode.
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Paramagnetisch-artige Sauerstoff-Abfragungsgeräte
haben Sauerstoffproduzenten und -benutzer historisch auf paramagnetisch-artige Sauerstofffühler für das Messen von Sauerstoffreinheit gebaut. Diese Sensoren bieten in hohem Grade genaue Ergebnisse, besonders an den unterdrückten Strecken Sauerstoffes 90% bis 100% an. Sie sind jedoch teuer und erfordern umfangreiche Wartung im Hinblick auf häufige Kalibrierung. Außerdem sind paramagnetisch-artige Sensoren für Änderungen in der GasStrömungsgeschwindigkeit sehr empfindlich; zum Vorhandensein von sogar kleinen Zählungen der feinen Partikeln; und zur Feuchtigkeit, zur Temperatur, zum Druck und zu den Körperschallen. Die Analysatoren, die diese Sensoren erfordern enthalten deshalb, Kalibrierung auf fast einer täglichen Basis.
Mikro-Brennstoff-Zellen
Es immer hat ein Interesse auf die preiswerten, pflegeleichten und vielseitigeren Arten, Sauerstoffreinheit zu messen gegeben. Galvanisch-artige Mikrobrennstoffzellen, die zum Sauerstoff spezifisch sind, werden diesen Anforderungen gerecht. Darüber hinaus sind sie sehr einfach zu benützen. Diese Geräte sind nicht benutzt worden, um erhöhte Niveaus des Sauerstoffes (>90%) zu messen jedoch weil ihre Signalausgabe mit Zeit treibt. Ein Verständnis der Gründe für diesen Antrieb erfordert eine Vertrautheit mit dem Bau und der Operation einer Mikrobrennstoffzelle.
Die grundlegenden Komponenten einer typischen Mikrobrennstoffzelle werden im Abbildung 1. gezeigt Unter normalen Betriebsbedingungen diffundiert Sauerstoff durch eine Teflonmembran, löst sich in einer Dünnschicht des Elektrolyts zwischen der Messelektrode und der Membran auf und diffundiert dann zur Abfragungsoberfläche, in der er verringert wird. Sauerstoffreduzierung wird durch simultane Oxidation eines Anodenmaterials erleichtert, führt gewöhnlich oder Kadmium.
Zellreaktionen. Zellreaktionen werden beschrieben, wie folgt:
O2- + 2H2O- + 4e-4OH Kathodenreaktion
2Pb + 4OH 2PbO + Anodenreaktion 2H2O +4e
Die Gesamtzellreaktion ist-, wie folgt:
O2 + 2Pb 2PbO
Die Elektronen, die durch Oxidation der Anode freigegeben werden, werden während der Sauerstoffreduzierung verbraucht und einen externen Stromkreis durchfließen. Maß des Elektronflusses (Strom) ist von der Konzentration des Sauerstoffes hinweisend. Damit eine Mikrobrennstoffzelle richtig kontinuierlich arbeitet, ist es notwendig, dass:
• Die Menge des Anodenmaterials ist genügend, die Sauerstoffreduzierung in einigen Monaten zu einigen Jahren zu stützen.
• Die Konzentration von Hydroxylionen und nahe an der Elektrodenoberfläche ist jederzeit genügend.
• Die Konzentration von PbO und nahe an der Elektrodenoberfläche baut nicht zu einem Niveau auf, das Blockierung der Sauerstoffreduzierungsreaktion verursachen kann.
Entwurfs-Beschränkungen
Solche Anforderungen werfen bestimmte Beschränkungen auf dem praktischen Entwurf der Mikrobrennstoffzelle im Hinblick auf körperliche Größe, die Menge der Führung/des Kadmiums auf, die als die Anode benutzt werden, und die Stärke der Teflonmembran. Eine typische Mikrobrennstoffzelle ist ~1,25 Zoll. Durchmesser und bis 1 Zoll. lang. Die Membranstärke ist <1 Mil, das eine 90% F.S. Antwortzeit von <15 S. produziert.
Mit Sauerstoffkonzentration in den niedrigen Prozenten zu hohen PPM-Niveaus, stellt Anodenmaterial von ungefähr 10-15 g genügend Fläche zur Verfügung, damit die Reaktion fortfährt. Auch das Reaktionsmittel und die Reaktionsproduktbewegung in und aus der Dünnschicht des Elektrolyts heraus sehr leistungsfähig. Infolgedessen liefert der Sensor eine sehr stabile Signalausgabe
Die Anodenoxidation liefert die Energie, die für Sauerstoffreduzierung erfordert wird.
Mit erhöhter Sauerstoffkonzentration (>90%), werden die Hydroxylionen schnell und ihre Konzentration nahe den Elektrodenoberflächenabnahmen aufgebraucht. Gleichzeitig baut die Konzentration von PbO und nahe an der Elektrodenoberfläche auf und schließlich erreicht ein Niveau, in dem PbO anfängt herbeizuführen und bedeckt die aktiven Standorte auf der Messelektrode
Bleiweiß (PbO) nahe an der Abfragungsoberfläche.
Beide Faktoren veranlassen die Signalausgabe der Mikrobrennstoffzelle, mit Zeit langsam zu fallen. Eine allgemeine Methode der Verringerung der Produktionsleistung des Reaktionsproduktes ist, eine starke Membran zu benutzen, um die Menge des Sauerstoffes zu verringern die Elektrodenoberfläche erreichend. Diese Annäherung produziert eine Mikrobrennstoffzelle mit sehr stabiler Signalausgabe, aber die Antwortzeit zu den Änderungen in den Sauerstoffkonzentrationszunahmen soviel (so hoch wie 60 s) die das Gerät für Gebrauch auf Prozessströmen unpraktisch wird.
Neue Mikro-Brennstoff-Zelltechnologie
Analytical Industries Inc., durch eigene Methoden, ist in der Lage gewesen, die Produktionsleistung des Reaktionsproduktes zu steuern, ohne die Antwortzeit der Mikrobrennstoffzelle zu opfern. Ein typisches Beispiel der neuen Zelle mit einer kleinen körperlichen Größe (1,25 Zoll. durch 0,75 Zoll.) bietet eine 90% F.S. Antwortzeit von <13 s, mit einem erwarteten Leben Sauerstoff 100% von bis zwei Jahren an. Diese Zelle wurde in 14 Monaten Sauerstoff 100% geprüft und ist sehr stabil gefunden worden. Die Tests wurden durchgeführt, indem man die Zelle in eine Temperaturkammer legte, die an 85°F, ±1°F. gehalten wird. Der Umgebungsdruck wurde mit einem barometrischen Druckmessgerät Motorolas überwacht und der Zellertrag war- entschädigte Umgebungsdruckveränderungen. Die Beispielströmungsgeschwindigkeit wurde bei 0,1 LPM (der Zellertrag war- zu den Änderungen im Beispielgasfluß von bis 1,0 LPM unempfindlich), mit der Probe eingestellt, die Zoll zur Atmosphäre über 1/4 gelüftet wurde. Rohr, zum des Gegendrucks auf der Zelle herabzusetzen.
Mit der Mikrobrennstoffzelle in einer temperaturgeregelten Kammer und im Ertrag entschädigte Umgebungsdruckveränderungen, es war möglich, um Sauerstoff in den unterdrückten Strecken Sauerstoffes 90%-100% mit zu messen weniger als ±1% von Genauigkeit F.S. (±0.1% Sauerstoff). Die Kalibrierung wurde regelmäßig überprüft und gefunden, um innerhalb ±1% von F.S. über einen 14-monatigen Zeitraum zu sein.
Der Ertrag einer Mikrobrennstoffzelle, wenn er Sauerstoff 99,5% in vier Wochen herausgestellt wird, wird im Abbildung 4. grafisch dargestellt Die maximale Veränderung des Signals ist kleiner als ±0.1% Sauerstoff über einen 24 Stunden-Zeitraum und ist hauptsächlich zur Veränderung der umgebenden Temperatur passend. Über einen Sechsmonatszeitraum war der maximale Antrieb in der Signalausgabe kleiner als ±0.5% Sauerstoff.
Sauerstoffkonzentration. Die Skala wird hier für Klarheit erweitert.
Diese Innovationen in der Mikrobrennstoffzelltechnologie ein sehr einfaches dennoch ein zuverlässig und kostengünstige Alternative der paramagnetischen Technik für das Messen von Sauerstoffreinheit anbieten an unterdrückten Strecken. Advanced Instruments Inc. hat eine dieser Zellen in seinem vorbildlichen Analysator des Sauerstoffes GPR-31 enthalten. Der Analysator weist ausgezeichnete Stabilität in Sauerstoff 100% übernommene Zeiträume auf. Der Analysator ist unempfindlich zu den geringfügigen Änderungen in der Abflussmenge des Beispielgases und durch Partikeln und Feuchtigkeit unberührt. Das Kalibrierungsintervall konnte von einem Monat zu sechs Monaten ausgedehnt sein. Der Analysator kostet, erheblich weniger als paramagnetische Analysatoren dennoch bietet ausgezeichnete Stabilität und Empfindlichkeit, schnelle Antwort, langes Leben, billiger Sensor-Ersatz und sehr minimale Wartung an.