如何校准防爆氧气分析仪

氯碱工业

在氯碱生产中,氯压机密封气的氧含量控制至关重要。 氧气与氯气或氢气接触可能引发爆炸,因此要严格控制密封气(通常为氮气)中的氧含量。传统的氧含量测定方法包括吸收法和气相色谱法,这些方法存在操作复杂、成本高或响应速度慢等缺点。 便携式微量氧分析仪以其高精度、低成本及操作简便的特点,成为工业现场氧含量测定的理想工具。

1　 便携式微量氧分析仪的工作原理与结构

1. 1　 工作原理

燃料电池法采用的传感器系由惰性金属电极(阴极) 、铅电极(阳极)和电解液构成的封闭式化学电池。 气体中的氧通过高分子薄膜扩散进入电池,在阴极氧被还原,在阳极铅被氧化。 电池反应产生的电流即传感器输出信号大小与气体中的氧含量成正比。 电池产生的电子由电路引出,然后进行补偿修正放大,即可测出被测气体中的氧含量。 反应式如下:

阴极　 O2 + 2H2O + 4e →4OH -;

阳极　 2Pb + 4OH -→2PbO + 2H2O + 4e;

完整化学反应　 O2 + 2Pb →2PbO。

1. 2　 便携式微量氧分析仪结构

传感器:核心部件,常用电化学传感器或光学传感器,能够快速响应微量氧变化。

信号处理单元:将传感器信号转换为可读数据。

显示屏:实时显示氧质量分数或体积分数。

电源模块:支持电池供电,适合现场使用。

采样系统:包括采样探头和过滤器,确保气体纯净。

微量氧分析仪的气体路径如图 1 所示。

图 1　 微量氧分析仪的气体路径

2　 传统氧含量测定方法

2. 1　 吸收法

吸收法适用于分离空气制取的气态氮或液态氮,主要用作保护气、置换气、低温储藏,采用奥氏气体分析器(见图 2) ,利用焦性没食子酸碱性溶液吸收法测定氧含量,将所取一定量的样品气在密闭的吸收瓶内与吸收液进行反应,因氧被吸收而导致样品气体体积的减少量即为氧含量。 该方法成本低,但操作复杂,耗时长,且精度有限。

图 2　 奥氏气体分析仪一代自动排液程序逻辑

2. 2　 气相色谱法

气相色谱法适用于空气分离或经净化得到的主要用作保护气、置换气、反应气等的气态或液态的纯氮、高纯氮和超纯氮,采用带有氧化锆检测器和氢火焰离子化检测器的气相色谱仪(图 3 )测定氮中的氢、氧、一氧化碳、甲烷和二氧化碳。 气相色谱法对微量氧的测定,具有高精度和高灵敏度,但设备昂贵,操作复杂,且需专业人员操作,适合实验室环境。

图 3　 气相色谱仪工作原理

3　 便携式微量氧分析仪的优势

3. 1　 氧气传感器精度高、响应速度快

便携式微量氧分析仪能够快速、准确地测定微量氧含量,响应时间短,适合实时监测。 因为扩散到传感器中的氧分子的速率由聚四氟乙烯膜控制,所有的扩散过程都对温度、压力及相对湿度敏感。温度特性:传感器的信号输出将随温度的变化而变化。 这个变化( 2. 5% / ℃)是相对稳定的。 使用热敏电阻的温度补偿电路以 + 5% / ℃或更高的精度抵消了这一影响,并产生了与温度无关的输出函数。 如果在相同温度下进行校准和取样,或者在校准后立即进行测量,则没有错误。 很小的温度变化(10 ~ 15 ℃)产生小于 + 1%的误差。

图 4　 传感器温度特性曲线

压力、流量特性:便携式微量氧分析仪的氧传感器测量的是氧气的分压,它的输出受到样气压力的变化和大气压力变化的影响。 输出信号与混合气体中氧气的分压成线性比例关系,大气压力的任何变化都会导致传感器输出电流的等效变化。 因此,只有在被分析的气体总压力没有变化或者通过大气压力信号得到补偿时,分析仪的读数才是正确的。 如果样品压力被控制为恒定的,那么分析仪应该在与测量的压力和流量相似的情况下进行校准样品气体。 如果使用单独的传感器测量压力,那么氧浓度可以根据采样气体的绝对压力计算出来。 传感器的输出 并不直接受样 气流量的影 响。 0. 028 3 ~0. 141 5 m3/ h 的流量不会引起氧读数的显著变化。然而, 流量超过 0. 141 5 m3/ h 可能会产生背压和错误的氧气读数,为了达到最佳性能,建议气体流量为0. 056 6 m3/ h或 1 L / min。

响应时间:传感器的响应时间取决于所测量样品气体的浓度等诸多因素,当氧传感器在微量范围内达到平衡,那么它对氧浓度变化的响应时间非常快。 如果将其暴露在体积分数超过 1% 的氧气中,可能导致传感器的液体电解质暂时饱和,需要额外的时间才能达到平衡,并再次获得快速的响应。

可供参考的响应时间如下:

从 1%下降到 0. 1%时,　 　 　 　 少于 180 s;

从 0. 1%下降到 0. 00l%时, 少于 10 min;

从 10 × 10 - 6下降至小于 10 - 6时,少于 10 h。

湿度影响:传感器的输出与氧气的相对湿度成比例。 氧传感器适用于样品气体相对湿度在 0 ~99%之间的非冷凝的场合。 除稀释气体外,非冷凝的湿度对传感器的性能没有影响。 然而,应该注意的是,水蒸气产生压力的方式与样品气流中的氧气相同。 在绝对压强恒定的气体样品中,湿度越大,氧气组分的分压就越小。在测量样品气体中的氧气时,如果以体积分数或质量分数计算,那么还必须考虑相对湿度的影响。 如果相对湿度从校准之日起一般保持不变,则由相对湿度引起的偏移量将是最小的。 用户如果将传感器在干气中校准,然后对样品气体进行加湿,传感器输出信号要略低于先前的输出信号。 这是由样品气体中的氧气被水蒸气稀释造成的。 在同时存在湿和干气流的系统中, 这一特性非常重要。 此外,高湿度的气流可能会在传感器上凝结而最终影响性能。

传感器影响因素:传感器的化学成分很少受其他气体的影响,包括制冷剂和烃类化合物。 但是,根据电解质的化学特性,传感器还是对一些高浓度的腐蚀性气体极其敏感。 表 1 列出了各种气体对传感器的影响。

表 1　 各种气体对传感器的影响

干扰等级为与无污染气体混合物相比,含有0 ~2 000 × 10 - 6氧气的气体混合物中传感器输出的变化率。

如果 Cl2 的干扰等级被认为是 1∶ 2的比例,那么含有 Cl2 加 100 × 10 - 6氧气的样品气体中传感器的输出信号相当于 300 × 10 - 6(正常氧信号为 100 ×10 - 6.另外 200 × 10 - 6为 Cl2 引起的干扰) 。

3. 2　 低成本

相比气相色谱法,便携式微量氧分析仪采购成本显著降低,维护成本低,无复杂机械结构,传感器寿命长,且无需频繁更换耗材(如干燥剂、电解液等) ,适合大规模应用。 当氧传感器暴露于微量氧中时,通常在 2 年寿命内都能提供很好的性能。 定期暴露在含有一定湿度的样品气体中,可以帮助电解液中的水浓度恢复到正常状态,从而延长传感器的使用寿命。 便携式微量氧分析仪采用低功耗设计,支持电池供电,适合无稳定电源的野外或工业现场,长期使用电费成本趋近于 0.能耗小。 便携式微量氧分析仪节省人力成本,快速检测减少实验室送样流程,避免专职人员值守,尤其适用于多点位巡检(如电解槽、空压站等) 。

3. 3　 操作简便

便携式微量氧分析仪即开即用,不必预热或复杂初始化,开机后可直接进入测量模式,提升紧急检测效率(如化工生产突发情况) 。 便携式微量氧分析仪配备触控屏或一键式按键,菜单逻辑清晰,支持多语言界面,降低非技术人员操作门槛。 内置自检与校准程序,减少人工干预,避免手动校准的烦琐步骤。 多数品牌和型号的便携式微量氧分析仪可在 1~ 3 min 内输出结果,尤其适合生产线实时监控,避免停机等待。

3. 4　 多功能性

除氧含量测定外,部分便携式微量氧分析仪还可测量其他气体参数,满足多种工业需求,宽量程覆盖,检测范围从 10 - 6级微量氧分到百分比级高浓度氧含量,满足多样场景使用,同时具备很好的数据扩展性,内置存储与蓝牙/ Wifi 传输功能,支持生成趋势分析报告,或对接 LIMS 系统(实验室信息管理系统) 。 大部分便携式微量氧分析仪环境适应性强,有耐高温、抗腐蚀设计,可在石化、制药等恶劣环境中稳定工作,部分型号兼容防爆要求。

4　 应用实例

采用 INNOKIE 便携式微量氧分析仪对氯压机密封气氮气中氧含量进行监测。

4. 1　 标定

首先确认四通阀置于 BYPASS 状态、流量调节针型阀关闭,长按电源键 3 s 左右开机,连接氧含量为 5 × 10 - 6的标准气体,吹扫分析仪管路 3 ~ 5 min后,将四通阀打开至 SAMPLE 状态,等待数据稳定,进入标定界面,选择低点标定,将标准气体浓度值输入目标值,按√确认,完成标定。 退出标定界面,将四通阀调至 BYPASS 状态,关闭流量调节针型阀。

4. 2　 样品测定

首先确认四通阀置于 BYPASS 状态、流量调节针型阀关闭,长按电源键 3 s 左右开机,连接预处理后的采样气体(建议采样气体温度为 5 ~ 45 ℃,气体压力为34. 48 ~ 68. 95 kPa)至设备进气口,调节流量为 0. 056 6 m3/ h,吹扫分析仪管路约 3 min 后,将四通阀打开至 SAMPLE 状态,等待数据稳定,记录测量值,或者保存测量值,测试完毕,将四通阀调至BYPASS 状态,关闭流量调节针型阀,长按电源键3 s左右关机,断开采样管线。 平行测定结果见表 2.

表 2　 平行测定结果

表 2 平行测定结果表明:仪器能够实时、准确地测定氧含量,确保氯压机密封气中氧含量低于 10 ×10 - 6.满足安全生产要求。 与传统方法相比,便携式微量氧分析仪显著提高了检测效率,降低了成本。

5　 结论

便携式微量氧分析仪在氯压机密封器氧含量测定中表现出高精度、低成本及操作简便的优势,适合工业现场应用。 相比传统的吸收法和气相色谱法,便携式微量氧分析仪在效率和经济性方面更具竞争力,是氯碱工业中氧含量测定的理想选择。