摘要:对2550型燃料电池式微量氧分析仪的采样系统进行改造,使之达到一机多用,既可以实现在线分析,又可以随时切换到瓶装气体化验分析,并保证空气中高浓度氧气被隔离而不进入燃料电池,延长燃料电池的使用寿命。分析了原2550型微量氧分析仪采样系统设计缺陷,阐述改造方案和设计原理及使用注意事项
1 前 言
随着世界各国气体分析检测技术的不断发展,通过电化学方法检测氧含量,由原来的电解池自配电解液等复杂过程,逐渐集成为体积小、操作简单、测量精度高、密封性好的“燃料电池”。其缺点是厂家采用特殊工艺生产,电解液不能更换,造成燃料电池不能重复使用,成本过高。1996年初,我公司购买了一台美国ILLINOIS仪器公司生产的2550型燃料电池式微量氧分析仪。按照操作说明使用一段时间后,仪器产生数据异常,无法正常标定,其他用户亦发现此问题。我公司致电供应商以获取该问题的解决方案,供应商对该问题的解释为:该仪器中的燃料电池在低浓度氧含量的工作环境中能够工作3~5年,为正常工作状态;在高浓度氧含量的工作环境中(如长时间接触空气)其工作寿命会大为减少,即是此问题的原因。以下对仪器的使用状态与采样系统进行具体分析。
2 仪器内部构造、采样原理以及产生上述问题的原因
在说明书中有这样的描述,燃料电池装有特殊的扩散栅。因此流量和压力的变化对测量影响很小。传感器受到过高压力时会引起破坏,当接触高浓度氧时(例如置于空气中),传感器回复到ppm(10-6)量程的时间会较长。在任何条件下接通气路时,先打开出口阀门,再打开进口阀门;在任何条件下关闭气路时,先关闭进口阀门,再关闭出口阀门,以免样气压力过大而破坏传感器。
燃料电池工作原理如下:燃料电池传感器由正电级、负电级和电解质组成。当含有氧气的气体通过传感器时,氧分子将参与电解质的化学反应,而在正负电极间产生与氧浓度成正比的电流。
在实际使用中,该仪器用于两种测量方式,其一为:在线测量,即测量管线中高纯氮气微量氧含量。其二为:测量钢瓶气体中微量氧含量。但在测量流程上并没有给出合理方便的设计,在两种操作置换过程中,初次使用者可能会造成误操作并且无法避免少量空气进入,使燃料电池暴露于高浓度氧气环境之中,长此以往造成燃料电池寿命变短。
供应商所提出的建议为此种燃料电池更适用于微量氧的测定,测量范围最好在(0·5~100)×10-6(体积分数)。在仪器面板上有0~25%标定量程的设置,并在说明书中有这样的描述,利用环境空气标定。然而经常采用环境空气标定,将会使燃料电池有很大的消耗。并且燃料电池传感器为完全封闭式结构,进入传感器的氧分子都将参加反应,这样将大量损耗阳极,损耗至一定程度时,燃料电池失效,必需更换电池。不细心的使用必将加快电池的更换频度,造成资金浪费。
3 2550型氧分析仪采样系统的改造
改造后氧分析仪采样系统工作原理如下:
1.在钢瓶出口阀侧安装减压安全阀,确保氧分析仪入口压力不超过0·03 MPa。
2.在仪器入口阀侧加装一四通阀,一侧为钢瓶气体入口,另一侧为管线高纯氮气入口。
3.在仪器出口阀侧加装一玻璃转子流量计,调节被测气体流量在300~500 mL/min。
此种设计的优点:
1.通过减压安全阀使充入气体压力置于安全范围内,避免传感器中扩散栅受到过高的压力作用而损坏。
2.每次更换钢瓶后,钢瓶气体在通入燃料电池以前,可以方便地进行测量前置换,避免高含量氧气(如空气)的进入。
3.在通常状况下,一直保持在线测量高纯氮气中的氧含量,使燃料电池处于低氧含量状态下工作(高纯氮气亦对燃料电池起到保护作用),并可以随时进行钢瓶气体中氧含量分析。
4.避免频繁开关阀1、阀2,简化操作过程,消除由于误操作对池体的损坏。
5.彻底消除由于空气渗入造成的燃料电池的非预期消耗。
6.被测气体流量直观可控。
4 结 论
通过上述改造延长燃料电池使用寿命。从改造前的平均一年使用寿命延长到改造后平均三年的使用寿命。此改造简化氧分析仪的操作过程,实现一机多用,彻底根除对燃料电池的非正常损坏。
在气体工业生产中,连续、快速测定气体中氧含量已经成为一项非常重要的质量监控项目。到目前为止,燃料电池式氧含量测量是一种经济、实用、快捷、准确的方法。但是在使用中若不注意相关事项,或者采样系统设计不合理,会造成燃料电池非预期损耗,给企业增加生产成本并且给操作人员带来不必要的麻烦。
致燃料电池型微量氧分析仪制造厂家和使用者以下几点建议:
1·在仪器上直接设计加装四通阀或六通阀的置换、吹扫和流量检测系统。
2·在购买到没有置换、吹扫和流量检测系统的微量氧分析仪时,一定要自行加装置换、吹扫和流量检测系统。切忌燃料电池长时间暴露在空气中。
参考文献:
[1] 2550型微量氧分析仪操作手册[Z]·
[2] GB6285—86,气体中微量氧的测定———电化学法[S]·
[3]蒋子刚,等·分析测试中的数理统计与质量保证·
[4]张丙新·在气体制造和应用分析中分析仪器的应用·
作者简介:
曲顺利(1964-),男,工程师,主要从事气体生产方面的研究。
