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Gasanalytik - Applikationen -"Sauerstoffspurenmessung in inerten Gasen" - Fa.AMS |
Sauerstoffspurenmessung in inerten Gasen - Messmethode: ZrO2-Sonde |
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Analytik |
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Bestimmung
von Sauerstoff
in inerten Gasen mit PAT 3190 und Zirkondioxid-Detektor
Sauerstoffanalysator PAT 3190 |
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Messaufgabe |
| Schnelle und reproduzierbare Messung von Sauerstoffspuren in inerten Gasen, z.B. in He, Ar, N2, CO2
Einsatz online und kontinuierlich im
Prozessbetrieb. |
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Messverfahren |
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Die ZrO2 - Messzelle
Eine galvanische Konzentrationszelle vergleicht die Sauerstoffkonzentration im Messgas mit einer festen O2 -Konzentration in einem Referenzgas. Für die meisten Applikationen wird hierzu Umgebungsluft verwendet, deren O2-Konzentration als ausreichend stabil angesehen wird.
Die Messzelle besteht aus zwei porösen Platinelektroden und dem Ionenleiter, einer Keramik aus Zirkoniumdioxid mit stabilisierenden Zusätzen.
Die Sauerstoffmoleküle des Referenzgases werden an der Platinelektrode reduziert. Die hierbei enstehenden Sauerstoffionen wandern mit Hilfe der gezielt eingebrachten Gitterfehler des Zirkoniumdioxids zu der zweiten Elektrode. Unter Elektronenabgabe entstehen hier wieder Sauerstoffmoleküle.
Je geringer die Sauerstoffkonzentration im Messgas ist, um so größer ist die Anzahl der durch das Zirkoniumdioxid wandernden Ionen und damit die zwischen den Elektroden entstehende Spannung (EMK): mit sinkender Sauerstoffkonzentration steigt die Signalspannung, wodurch besonders Spuren von Sauerstoff mit großer Empfindlichkeit gemessen werden können.
Die Oxidionenleitfähigkeit von Zirkoniumdioxid steigt exponentiell mit der Temperatur an und erreicht oberhalb von 600 °C ausreichend große Werte.
Bei konstanter Meßzellentemperatur und bei konstantem Sauerstoffgehalt im Referenzgas, ist die an den Elektroden gemessene Spannung ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Messgas (Nernst´sche Gleichung)
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Die Nernstsche Gleichung beschreibt die Abhängigkeit der Redox-Potentiale in einer Konzentrationszelle von den Konzentrationen der reduzierten und oxidierten Formen:
mit
E = Einzelpotential
E0 = Standardpotential
z = Zahl der bei der Reaktion übertragenen Elektronen
Ox bzw. Red = Konzentrationsprodukte im Sinne des Massenwirkungsgesetzes. |
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| Messeinrichtung |
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Gaslaufplan des Sauerstoffmessgerätes PAT 3190 |
Der Analysator besteht aus der Lambda-Sonde mit ZrO2-Sensor, der zugehörigen Durchflussüberwachung und der Steuerelektronik, welche die Heizung des Sensors regelt,sowie die Sensorsignale auswertet und in einen Sauerstoffkonzentrationswert umwandelt.
Der Probendruck sollte zwischen 1.01 bar abs. und 2.0 bar abs. liegen.
Für einen sicheren Dauerbetrieb wird die automatische Kalibrierung des Messsystems empfohlen (Option).
Die Software des PAT 3190 gestattet den Betrieb und das Kalibrieren des Sensors sowohl mit Umgebungsluft als auch mit Inertgasen mit niedrigen ppm-Konzentrationen. Die Anpassung des Analysators an die jeweiligen Prozessbedingungen kann durch die Lieferung eines externen Sensors noch erweitert werden.
Eine Besonderheit des Sensors ist, dass die Messungen bis zu Drücken von 10 bar erfolgen können. Da der Messwert dem Druck proportional ist, muss entsprechend korrigiert werden. |
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Prozessanwendung
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Zur Sauerstoffdetektion wird die Technik der Lambda-Sonde verwendet.
Das Messgas strömt durch den Sensor hindurch, seine Außenseite ist der Umgebungsluft ausgesetzt. Die Betriebstemperatur des Detektors wird mit Hilfe einer Widerstandsheizung eingestellt und konstant gehalten. Eine Durchflussregelung wird meist nicht benötigt, die Messung mit der Lambda-Sonde ist in weiten Bereichen unabhängig vom Messgasfluss.
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Der PAT 3190 in der Chemie
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Medium |
- Schutzgase in der Nahrungsmittelindustrie
Reinheit von Kohlendioxid in Brauereien und in der Getränkeabfüllung
Schutzgase für Wärmebehandlung, für Schweißen und Löten etc.
Reinheit von Stickstoff und Argon in Luftzerlegungsanlagen
Chemische, pharmazeutische Produktion
- Schutzgase in der Elektronikindustrie
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- Technische GaseStickstoff Edelgase He, Ar Wasserstoff Kohlendioxid
- Schutzgase
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Prozessbedingungen für PAT 3190 |
Charakteristik
der Messsysteme PAT 3190 |
- Messgasfluss: bis 40 Nl/hMessgasdruck: min. 1,01 bar abs., max. 2 bar abs; andere Drücke möglichMessgastemperatur: 45°C
- Probenahme: intergiertes Ein- und Ausgangsventil
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- ZrO2-Sensor in Lambda-Sonde
Mobile und stationäre Systeme
Referenzgas ist die Umgebungsluft, für die meisten Anwendungen wird nur ein Kalibriergas benötigt
Wesentliche Eigenschaften dieses Sensors: lange Lebensdauer, kein Elektrolytwechsel, exzellentes Signal/Rausch-Verhältnis auch bei kleinen O2-Konzentrationen
Messbereiche: 0,1 ... 1 ppm / 0 ... 40 Vol-%Wiederholbarkeit: + 2% des Messbereiches (oder 0,1 ppm)
- Nachweisgenze: bis 10 ppm Sauerstoff wird eine Änderung der Konzentration um mehr als 0,05 ppm angezeigt
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