平衡式溶解氧传感器

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1、 平衡式溶解氧传感器平衡式溶解氧传感器 取样注意事项取样注意事项Albert S. Tenney III 工业应用经理工业应用经理 霍尼韦尔公司霍尼韦尔公司 Fort W ashington, PA在在 NUS 1996 国际国际 化学在线生产过程用化学在线生产过程用 检测仪表研讨会上所做报告检测仪表研讨会上所做报告 Clearwater, Florida, November 20-22, 1996工业自动化和控制工业自动化和控制助你控制你的世界霍尼韦尔公司美国:Honey well Industrial Automation and Control, 16404 North Blac k C

2、anyon Hw y., Phoenix, AZ 85023 加拿大:The Honeywell Centre, 155 G ordon Baker Rd., North York , O ntario M2H 3N 7 拉美地区:Honeywell Inc., 480 Sawgrass C orporate Park way, Suite 200, Sunris e, Florida 33325 日本:Industrial Operations Tok yo, 4-28-1 Nishi-Rok ugo Ohtu-k u, Toky o 144, J apan 亚洲:Honeywell Asi

3、a Pacific Inc., R oom 3213-3225, Sun Hung Kai Centre, No. 30 Harbour Road, W anchai, Hong Kong 太平洋地区:Honeywell Pty Ltd., 5 Thomas Holt Drive, North Ry de NSW Aus tralia 2113 北欧和南非地区:Honey well Ltd., Honeyw ell House, Arlington Business Park, Brac knell, RG 12 1EB, U.K.T tal Plant中欧地区:Honeywell A.G .

4、, Kaiserleistra e 39, 63067 O ffenbach, Germ any 西欧和南欧地区:Honeywell S.A., Av enue de Schiphol 3, 1140 Brus sels, Belgium 东欧地区:Honeywell Praha, s.r.o., Budejovick a 1, 140 00 Prague 4, C zech Republic 中东地区:Honeywell Middle East Ltd. Khalifa Street, Sheik h Faisal Building, Abu Dhabi, U.A.E.70-82-58-47

5、(JIT)4/97 霍尼韦尔公司 美国出版 可循环用纸1平衡式溶解氧平衡式溶解氧介绍介绍注释注释 DO传感器传感器在标准温度 25 摄氏度和压力1 大气压下，洁净水和空气 出于平衡状态时，每公升水分子含 8.24 毫克氧气。这也被称取样注意事项取样注意事项作 25 摄氏度空气饱和值，通常用百万分之一来表示，即 ppm。Albert S. Tenney III工业应用经理工业应用经理 霍尼韦尔公司霍尼韦尔公司现代高压锅炉的腐蚀控制通常要求溶解氧在水中的浓度低Fort Washington, PA于十亿分之四，ppb 或 1/2000 空气饱和值。一毫升空气饱和 水含 8.24 毫克氧气就足以转化

6、成 2000 毫升水中溶解氧浓度 摘要摘要为十亿分之四。因此，如果溶解氧浓度为十亿分之四的 2000 毫升水与一毫升的空气饱和水混合后，2000 毫升水的溶解氧 锅炉给水的溶解氧浓度低于十亿分之一时，极易被的浓度就会翻倍。 泄漏或进入的氧气所污染。因此要采用严密的取样装 置设计以避免外部氧气混入造成测量误差。如果发现 探头测量读数受到溶解氧通过薄膜的扩散速率影响，按体积计算，空气中的氧气浓度为 20.9% 每毫升空气中氧气 就可以肯定样气受到了污染。平衡式传感器的响应不的质量（毫克）的计算公式如下： 同于扩散速率传感器的响应。依照理想气体法则, PV = nRT 其中 P 代表压力，V 代表体

7、 积，n 是分子个数每克分子重量，R 表示气体常数，T 表示 绝对温度，则在 25 摄氏度298K大气压下，一个氧气分子的 体积为 V 1 mole x 0.08205 Liter-atm/mole K x 298K/1 atm 24.45 L 每公升氧气质量（毫克）为 1 L x 1 mole gas/24.45 Lgas x0.209 mole O / mole gas x 32,000mg O /mole O 222 274 mgO per liter of air.2 这大约为空气饱和水中氧气浓度的 33 倍。而一毫升空气中 氧气数量则是最初溶解氧浓度为十亿分之四的33 x 2000

8、66,000 毫升水中氧气数量的两倍。27总结总结泄漏和盲点泄漏和盲点空气泄漏和进入的区分在于各自随着时间产生的影响水充满至侧壁的高度，至少最初，一个比显然大于 1 不同。空气持续泄漏，流速和溶解氧错误报告的关系应毫升的气陷如在介绍部分讨论的，在空穴的上部产生。 保持不变。发生空气进入，造成的污染和对流速的影响溶解氧传感器取样系统要防止在周围环境或区域有空气或泄漏可以是“真正的泄漏”输送样水用的铅管上气陷中的空气必须完全溶解于通过传感器的水中，直 静止水时发生泄漏，这样样气会与之发生混合或下沉。是否产生小孔还可以是氧气通过非金属材料管壁扩散到应该随着时间递减。这种影响往往会造成在低 ppb 浓

9、度至溶尽，它就会造成氧气污染，并影响浸润化学方法 时传感器响应慢。而事实上是因为外界进入的氧气缓慢有空气泄漏或进入能够从溶解氧浓度报告中显示的流速或时周围的空气中。但是虽然不建议使用非金属材料导管，测量精度。因此在水中使用平衡探头进行独立的溶解 溶解到流动的样气中。一旦外界进入的氧气耗尽，传感间影响判断出来。每当有外界空气进入，例如在空气标定过却因为它良好的柔韧性，仍频繁被使用。氧测量的方法是不可取的。 器就可恢复正常响应速度。程中，进入的氧气就重置，并且再次显示空气进入的症状。 水不能填满铅管或水流向下的任何位置都有可能形第二个错误是水会通过取样漏斗向下流。在水向下流 成盲点，造成氧气污染。

10、在图 1 中各举例说明。水流之前，导管内就会充满空气。必须要把导管内的空气 向上通过取样线路，经过平衡式传感器的氧气传感部倾空，否则无法得到所需测量结果。向上流的水可把 分，在穿过传感器主体，从一个侧壁开口流出，向下空气逼出。向下流的水相反只会将产生的气泡留在管 通过一个延长的导管到达漏斗顶端。将一个细颈瓶插内水流上部。只要气泡上浮的速度超过水的流速，它 入漏斗内水中进行的溶解氧浸润化学分析。图上的阀就会污染氧气，直到其完全溶解于水中。 门是用来计量样流和截断样流进行传感器标定。图 1 有两处错误：第一处在探头圆形下端，可看到平 衡式探头的侧壁出口距离一个内部的大的空穴很近。永久性厚永久性厚

11、膜片膜片正极正极:双丝铂双丝铂+-2 H2O = O2 + 4H + 4 e电极电极 负极负极:+-O + 4H + 4 e = 2 H O22永久性永久性 内置内置 电解液电解液静止水静止水氧气传输氧气传输陶瓷陶瓷 芯棒芯棒浸润化学过程浸润化学过程 使用的细颈瓶使用的细颈瓶 溶解氧探头溶解氧探头 图 6A. 平衡式传感器平衡式传感器: 等量的氧气由正极产生，图 6B. 静止水中的平衡式传感器静止水中的平衡式传感器:在无氧气消耗圆形下端圆形下端在负极消耗。消耗和产生的量平衡，因此样流情况下使用,溶解氧在传感器和样气间保持平衡 中无纯氧气被消耗。并且不受样气流速影响。下陷，下陷，漏斗漏斗出口出口

12、最初是最初是 气陷气陷阳极 +: 铅阳极溶解氧探头溶解氧探头 2 P b + 2 HO =2+-可替换2 P bO + 4H + 4 e入口入口 电解液惰性 阴极阴极 -: O + 4H+ + 4 e- = 2 H O静止水22可替换阀门阀门 膜片静止水的损耗减少了氧气的传输 氧气传输图 7A. 典型扩散式电极典型扩散式电极: 氧气从样气中扩散出去，图 7B. 静止水中典型扩散式电极静止水中典型扩散式电极: 因为纯氧样流样流 通过薄膜, 达到负极，并被电极消耗。产生的电流溶解到样流中被耗尽，静止或缓慢流动的水可以 可测量溶解氧浓度。正极通常会发生金属氧化， 放空氧气，由流速决定影响是否可忽略不

13、计。这就是整个过程。图 1.探头出口取样 不建议采用63图 2 所示的取样系统存在一些不十分明显的问题。图 3 所示的取样装置可免除样流与静止水发生混合。传感器暴露在空气中，通过转换三向阀门来排除与之不同的氧气传感器，在电化过程消耗氧气， 同图 1 取样系统，水流过平衡传感器，从侧壁流出。样流被直接导入传感器或漏斗，使用三向阀门可隔空气。如果这个阀门是螺线管驱动的，空气标定可但内部却不能通过补充反应平衡消耗。因此，使用 进行浸润化学标定测试时，侧壁出口的阀门关闭，离样流和静止水。通过在一个十分复杂的分析仪内激活一个继电器自此类传感器，氧气必须持续从样流中扩散出来，通 漏斗下部阀门打开，从而将水

14、从传感器导入漏斗。在 图 3 的装置设计依旧存在两处问题。第一，传感动进行。因此，标定的初始化可由一个设定的时间过薄膜，穿过内置电解液的某部分到达电极，并被 共同线路处的阀门可截断样流用于标定和维修。但同或由一个事件启动。由两个计量阀控制样流同时进电极消耗。样流会消耗纯氧气。在距离传感器较远 图 1 一样这个装置也存在两处问题。器和漏斗不可能同时进入样流。而最适宜的测量方入到漏斗和传感器中。某处会形成一个浓度梯度，从浓度递减的溶解氧区 法就是在样流进入漏斗进行浸润化学分析的同时，域到电极时，溶解氧浓度降至零。溶解氧浓度的趋 使用传感器来监测溶解氧浓度。图 5 所示是另外一种可以完成无污染、可同

15、时取势由扩散路线决定。通过传感器的流速降低，补充 样流通过传感器被阀门截断，传感器内的静止水和路样、以及阀门控制标定的线路装置方案。它唯一的氧气消耗的量也减少，并且得到的下降气流与成块 径中水最初保持溶解氧浓度，然而，除非传感器有足缺陷是样流需要通过两个阀门到达传感器。溶解氧浓度无关。扩散速率传感器要求最低流速低 够水流通过来溶解其内部气陷，否则气陷内的空气会因为同时进行监测可免除溶解氧浓度上下浮动、测于报告的溶解氧浓度，并随流速降低而减少，见图 立刻开始扩散到空穴的水中，并向下进入到样流线路量不稳定的情况。此外，同时监控还可以快速调回7。 中。于是就要看氧气扩散到样流线路从而进入漏斗的一般操

16、作状态，传感器可只进行监测，而不会因受 速度是否缓慢到可忽略不计。空气污染的样流进入而中断过程。推论氧气污染的探测推论氧气污染的探测 所有这些是如何推出存在泄漏的？通过对传感器 工作原理的讨论，可以得出流速降低会引起平衡式传 另一个是关于静止水与样流混合的问题。在一般操作第二，溶解氧传感器通常在空气中进行标定。所除了所有上述防范事宜外， 死区还由可能存在于感器1无信号变化或2扩散速率传感器信号减少。 过程中，样流是通过传感器和导管最后达到漏斗。水以不打开铅管连接，将传感器暴露在空气中效果更复杂的取样装置中，并会时有泄漏发生。但是通过因此，假设流速降低，信号反而增加，就完全可以肯 在这个静止过程是被密封的，以避免被漏斗下部阀门佳。传感器的响应能够探测出死区。定有氧气泄漏到样流中。对于一个给定的泄漏率，流 所污染。不过，除非是漏斗下部阀门或其它在取样线速降低，就会导致溶解氧浓度增高，因为降低流速， 路上的任一装