一种延长痕量氧分析仪用电化学氧传感器使用寿命的方法技术

一种延长痕量氧分析仪用电化学氧传感器使用寿命的方法，属分析领域。在原有钢瓶氮气的基础上增设一路氩气保护气，通过第一电磁阀择一地输出高纯氩气或钢瓶氮气，充当电化学氧传感器的保护气；在痕量氧分析仪气体输入口前设置第二电磁阀，用于保护气和采样气的切换；DCS根据痕量氧分析仪本身检测到的数据、数据的变化趋势及制氧机运行状态来进行逻辑判断，当分析仪的采样气中含有大量氧气时，通过控制第二电磁阀的切换，将保护气接入分析仪，实现了延长分析仪内电化学氧传感器使用寿命周期的发明专利技术目的。其既保障了正常生产时的检测需求，又延长了电化学氧传感器的使用寿命。适用于痕量氧分析仪设备中电化学氧传感器的保护领域。领域。领域。

【技术实现步骤摘要】
一种延长痕量氧分析仪用电化学氧传感器使用寿命的方法


[0001]本专利技术属于工业气体检测分析领域，尤其涉及一种用于延长电化学氧传感器使用寿命的方法。

技术介绍

[0002]在工业制氧行业，一般采用空气分离方式，生产出高纯度的氧气、氮气、氩气等气体，而在氮气、氩气的生产过程中需要检测其中的剩余的痕量(ppm级别，即百万分比级别)氧气含量作为氮气、氩气的纯度的质量指标。而痕量氧分析仪就是检测氮气、氩气生产过程及最终产品质量的设备，其中电化学氧传感器式痕量氧分析仪，因其检测精度高、响应速度快在空气分离式制氧行业广泛应用，一般检测量程范围0-10ppm O2。该分析仪检测基本原理为电化学法，即采用内部含有可产生化学反应的电解物质的氧传感器作为主要检测部件，流过该传感器的气体中的氧与传感器内部的物质发生化学反应而产生微电流，氧气含量的数值大小与产生的微电流的大小呈对应关系，该电流在分析仪内部处理转换为电势，经电路进行放大、线性化处理，得到氧气含量数据供分析仪本地显示，以及远传至生产过程控制系统DCS进行监控，作为供生产操作人员调整生产过程工况的依据。因此，电化学氧传感器是痕量氧分析仪正常工作的重要部件。
[0003]由该痕量氧分析仪基本工作原理可知，该电化学氧传感器属于消耗件，一旦传感器内部可与氧气产生化学反应的物质全部反应完毕后，该分析仪将无法正确检测。该分析仪厂家推荐的电化学氧传感器的预期使用寿命约1年，而实际使用寿命由整个使用周期内接触到的氧气总量来决定。
[0004]现有电化学氧传感器的结构如图1中所示，电化学氧传感器包括设置在连接板1上的阳极2、设置在阳极上方的阴极3和设置在阴极上方的扩散膜4，在阳极和阴极之间，填充有电解液5。电化学氧传感器的有效元件是一阴极、一阳极和浸泡它们的15％液体KOH电解液。其原理是采样气通过膜扩散渗入阴极，与传感器内部以金属铅作为阳极在电解液内化学反应形成微电流来工作的。
[0005]该检测过程的化学反应分子式：
[0006]阴极半反应式；O2+2H2O+4e-→
4OH-，氧因发生在阴极表面的半反应而消耗；
[0007]阳极半反应式：Pb+2OH-→
Pb
+2
+H2O+2e-，铅在阳极不断地被半反应氧化；
[0008]全反应式：2Pb+O2→
2PbO
[0009]电化学氧传感器的寿命受以下因素影响：
[0010](1)流过传感器气体中的氧，
[0011](2)传感器中的阳极材料的数量。
[0012]因此，在电化学氧传感器中阳极材料含铅数量一定的情况下，其使用寿命是由分析仪正常检测的合格产品采样气中的少量氧气和产品调整合格前及停机后采样气中大量氧气共同决定的。理论上在没有氧的情况下，则不产生电流。
[0013]现有痕量氧分析仪的检测配置示意图如图2中所示，采样气通过采样气阀V1进入
痕量氧分析仪(简称分析仪)，流经安装于分析仪内部的电化学氧传感器，采样气中的氧与电化学传感器内部电解质发生反应，产生微电流，该电流经分析仪信号处理转换部件进行处理，供分析仪就地显示，同时输出4—20mA标准信号送DCS(Distributed Control System，分布式控制系统)显示对应的氧含量，供生产操作员监控。采样气流出分析仪后经第一流量计FI-1排出，第一流量计可以通过其自带的旋钮阀控制流过分析仪的气体流量，满足分析仪正常检测需求，一般气体流量调整在1.5SCFH(Standard Cubic Foot per Hour，标准立方英尺/小时，风量单位)。
[0014]在理论上，停机后，只要关闭采样气阀V1和第一流量计FI-1的旋钮阀即可来切断外界含高含氧量气体与分析仪内部的电化学氧传感器之间的反应消耗。
[0015]但是实际情况是：即使关闭分析仪进、出口管路(图中用in和out表示分析仪的进、出口管路)上所有的阀门，由于分析仪外部连接管路及分析仪内部管路连接件、接头、阀门等不可能绝对密封，在管路内无流通气体的情况下，存在管路内的余气与管路外界大气(即空气，含氧浓度约20.95％，即209500ppm)逐渐相互渗透的现象，分析仪的检测数据将慢慢升高，直到超出测量范围，说明电化学氧传感器仍然在消耗。
[0016]因此，采用电化学氧传感器的痕量氧分析仪，一般都配有低含氧量的钢瓶高纯氮气(含氧量约2—3ppm)作为保护气，制氧机停机后，通过关闭第一采样气阀V1，打开钢瓶氮气阀V2，将低含氧量的高纯氮气接通入分析仪，作为被测气体进入分析仪内流通，对分析仪内的电化学氧传感器进行“吹扫”保护。
[0017]目前在申请人下属某分厂制氧一区共有该类电化学氧传感器式痕量氧分析仪23台，分别用于各套制氧机生产过程和输出的产品氮气、氩气以及后备液氮蒸发器、液氩蒸发器、氮气压缩机的出口气体纯度检测。通常在正常、稳定生产工况下分析仪显示的这些气体中的氧含量在0.2—2ppm(百万分之0.2—2)之间，各台分析仪在不同的正常生产工况条件下有小幅变化。
[0018]由于制氧机在从开机到生产出合格的产品的过程是到一个缓慢的循序渐进的过程，需要操作人员(简称操作工)通过调节其他变量来使产品纯度逐渐趋向合格，而对各分析仪检测数据的监控是在产品质量调整过程中是重要的手段，从空气中分离出氧、氮、氩产品的纯度是逐渐调整逼近合格值。氧气作为产品氮气、氩气中的杂质，经过精馏后最终含量需要控制在合格线3ppm以内。而操作人员为了尽快调整好产品纯度，过早的将采样气投入痕量氧分析仪检测，观察采样气中含氧量的变化趋势，使得采样气中的含氧量长时间处于较高的浓度，造成电化学氧传感器内部电解质被大量反应而消耗。在制氧机停机后，分析仪被测气体没有立即从采样气切换至保护气，也增加了电化学氧传感器的消耗。这两点是造成该类分析仪的电化学氧传感器非正常需求情况下产生额外消耗，使用寿命低的重要原因。
[0019]现场使用该类型分析仪台件数量较多，因主线生产节奏的需求，制氧机及其他先关设备的开、停机时间长度不同，开、停机次数不同，而开、停机过程当中都会有大量的氧气对分析仪内传感器造成消耗；而被测点不同，被测对象气体中的氧气含量也各不相同、数值差异较大。因此，每台分析仪内的电化学氧传感器使用寿命无法可靠预先估算出来。而氮气、氩气中的氧气含量是重要产品质量指标，现场不得不储备大量的电化学氧传感器，用于在安装于分析仪内部的电化学氧传感器因化学反应消耗完毕后能立即更换上新的传感器，
以确保每台分析仪能连续的正常工作。并且电化学氧传感器内的电解质在化学反应耗尽前没有办法预知，而只有在传感器耗尽后分析仪检测显示值会突然增大，且无法校准下来的现象。且该电化学氧传感器备件的保质期只有半年时长，所以存在着电化学氧传感器备件备得多则造成过期失效，备得太少则不能满足想所需使用量的需求的现象。
[0020]针对造成电化学氧传感器非正常需求情况下产生额外消耗的原因，要求操作工根据生产工况及时到现场切换各台痕量氧分析仪的被本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种延长痕量氧分析仪用电化学氧传感器使用寿命的方法，其特征是：1)在原有钢瓶氮气出口管路的钢瓶氮气阀V2后，增设第一电磁阀XV1；2)钢瓶氮气经钢瓶氮气阀V2接入第一电磁阀XV1的常开口NO；3)设置一路高纯度氩气体；4)将高纯氩气接入第一电磁阀XV1的常闭口NC；5)第一电磁阀XV1的公共口COM作为保护气输出口；6)在第二减压阀SV2前，设置检测用压力开关PSL1，检测用压力开关的输出接点，用于控制第一电磁阀的控制线圈S1的“得电”或“失电”；7)通过控制第一电磁阀的控制线圈S1的“得电”或“失电”，择一地输出高纯度氩气体或钢瓶氮气，充当痕量氧分析仪中电化学氧传感器的保护气；8)在痕量氧分析仪的气体输入口in之前，设置第二电磁阀XV2；9)来自第一电磁阀XV1出口的保护气与生产过程的采样气，分别与第二电磁阀XV2的常开口NO和常闭口NC对应连接；10)第二电磁阀XV2的公共口COM与痕量氧分析仪的气体输入口in对应连接；11)在DCS的输出接点与第二电磁阀的控制线圈S2之间建立控制线路，用于控制第二电磁阀的控制线圈S2的“得电”或“失电”；12)将痕量氧分析仪检测到的数据输送至DCS中；13)在DCS中设置控制逻辑，根据分析仪的采样气投入需求、制氧机的运行状态、痕量氧分析仪检测到的数值、数值的变化趋势、变化速率参数，判断是将痕量氧分析仪进气保持在采样气状态，还是切换至保护气状态；14)DCS根据控制逻辑，控制第二电磁阀的控制线圈S2的“得电”或“失电”，进而控制第二电磁阀XV2的切换；15)第二电磁阀XV2根据DCS指令进行切换选择，在需要正常检测时将采样气输出到分析仪内，在其他状态时将保护气输出到分析仪内；16)DCS利用痕量氧分析仪本身检测到的数据、数据的变化趋势及制氧机运行状态来进行逻辑判断，当分析仪的采样气中含有大量氧气时，控制逻辑通过控制第二电磁阀XV2的切换，将保护气接入分析仪，对电化学氧传感器进行保护，延长分析仪内电化学氧传感器的使用寿命周期。2.按照权利要求1所述的延长痕量氧分析仪用电化学氧传感器使用寿命的方法，其特征是所述高纯度氩气的含氧量为0.2ppm。3.按照权利要求1所述的延长痕量氧分析仪用电化学氧传感器使用寿命的方法，其特征是所述的高纯氩气经第二减压阀SV2减压后，通过氩气阀V4接入第一电磁阀XV1的常闭端口NC。4.按照权利要求1所述的延长痕量氧分析仪用电化学氧传感器使用寿命的方法，其特征是当所述的氩气储罐处于压力正常的状态时，检测用压力开关PSL1的输出接点输出控制信号，第一电磁阀的控制线圈S1“得电”，第一电磁阀的常闭口NC与公共口COM接通，选择高纯度氩气体充当痕量氧分析仪中电化学氧传感器的保护气，经第一电磁阀XV1的公共口COM输出；当所述的氩气储罐处于压力低于保护气压力设定值的异常状态时，检测用压力开关
PSL1的输出接点输出控制信号，第一电磁阀的控制线圈S1“失电”，其常闭口NC与公共口COM断开，常开口NO与公共口COM接通，选择备用的钢瓶氮气充当痕量氧分析仪中电化学氧传感器的保护气，经第一电磁阀XV1的公共口COM输出。5.按照权利要求4所述的延长痕量氧分析仪用电化学氧传感器使用寿命的方法，其特征是所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁育斌，陈一欢，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：