Jak działa sonda tlenowa? Czym jest powietrze odniesienia?
Zasada działania sondy tlenowej polega na porównaniu dwóch ciśnień cząstkowych tlenu w dwóch oddzielnych środowiskach gazowych. Tlenek cyrkonu (ZrO2) w komórce pomiarowej ma defekty sieci krystalicznej: część miejsc, które mogłyby zajmować jony tlenu, jest pusta. Aby porównać te ciśnienia cząstkowe, sondę tlenową trzeba zasilać gazem o znanej zawartości tlenu (powietrze otoczenia: %O2 = 20,9%), czyli tzw. powietrzem odniesienia.
Właściwością tej ceramiki jest umożliwianie ruchu jonów tlenu w temperaturze powyżej 600 °C. Element pomiarowy zaczyna wtedy przewodzić. Wytworzone napięcie wyraża zależność między względną różnicą stężeń tlenu a temperaturą atmosfery procesu.
Po zmierzeniu napięcia (od 0 do 1200 mV) można łatwo obliczyć stężenie tlenu za pomocą równania Nernsta, aby uzyskać %O2, lub, znając zawartość CO (z analizy lub z obliczeń teoretycznych), wyznaczyć potencjał węglowy (%C) atmosfery obróbki cieplnej.
Czym jest powietrze płuczące (czyszczące) i dlaczego nie wszystkie sondy je mają?
Powietrze płuczące stosuje się wyłącznie w naszych sondach %C (CarboProbe ZI Pro, ZS Pro, ST i ST-E), aby oczyścić element pomiarowy ZrO2 strumieniem świeżego powietrza.
W obróbce cieplnej element pomiarowy może się zanieczyścić osadami sadzy (z powodu bogatej w węgiel atmosfery, w której pracują te sondy). Dopływ świeżego powietrza „wypala” sadzę i uwalnia od niej element pomiarowy. Jeśli czyszczenie nie jest wykonywane regularnie, pomiar sondy zostaje zafałszowany.
Ważne: wypalanie sadzy powoduje znaczny wzrost temperatury, który bez kontroli może zniszczyć element pomiarowy (więcej informacji w instrukcji obsługi sondy).
Powietrze płuczące (czyszczące) nie jest dostępne w sondach CarboProbe CP, DS, LT i HT. Sond tych nie stosuje się w atmosferach nawęglających (z węglem), więc nie powstają w nich osady sadzy do wypalenia. Powietrze czyszczące usuwa wyłącznie osady węglowe, a nie inne (np. pozostałości ze spalania).
Czym różni się pomiar %C (potencjału węglowego) od %O₂ (zawartości tlenu)?
Sam pomiar sondy jest taki sam!
Wszystkie sondy wytwarzają te same miliwolty (mV), niezależnie od tego, czy pracują w atmosferze bogatej w węgiel, czy w tlen. Dopiero obliczenia wykonywane po pomiarze dają %C w obróbce cieplnej lub %O2 w innych dziedzinach.
Należy pamiętać, że sondy do pomiaru tlenu (%O2) mają elektrody nieodporne na atmosfery nawęglające (z węglem). Dlatego tych sond nie można stosować w obróbce cieplnej.
Odwrotnie jest inaczej: sondę do obróbki cieplnej (%C) można stosować do pomiaru tlenu, ale tylko do temperatury maksymalnie 1100°C, powyżej której metalowa elektroda się topi.
Dlaczego niektóre sondy są sprzedawane z termoparą do pomiaru temperatury?
Równanie do obliczania %O2 lub %C wymaga znajomości temperatury, w której wykonywany jest pomiar. Temperaturę tę może mierzyć termopara wewnątrz sondy lub termopara umieszczona w innym miejscu pieca.
Ważne: jeśli temperatura w piecu nie jest jednorodna, należy mierzyć ją jak najbliżej sondy tlenowej, aby uniknąć błędów w obliczeniu %C lub %O2.
Wewnętrzna termopara w sondzie jest więc idealna do dokładnego pomiaru.
Dlaczego Econox stosuje w swoich sondach tlenowych dwa różne systemy z tlenku cyrkonu (ZrO₂)?
Od początku Econox stosował kulkę z tlenku cyrkonu do pomiaru %C w atmosferach obróbki cieplnej. Wiele lat później wprowadzono drugi system.
Okazuje się, że w niektórych przypadkach jedna lub druga komórka ZrO2 zapewnia nieco dłuższą żywotność. Atutem Econox jest więc możliwość zaoferowania dwóch systemów, gdy jeden z nich nie daje oczekiwanych wyników.
Jakie są standardowe długości sond Econox?
Sondy do obróbki cieplnej mają zewnętrzne rury metalowe. Ich długości są więc stałe, od 350 mm do 1300 mm, ze względów magazynowych i produkcyjnych.
W sondach tlenowych długości są zwykle stałe, ale możemy je zmienić, przycinając ceramikę na wymiar. Możemy wtedy dostarczyć sondę o dokładnie takiej długości, jakiej potrzebuje klient.
Dlaczego sondy Econox działają dopiero od 600 °C?
To ograniczenie ma charakter fizyczny i chemiczny, ponieważ komórka pomiarowa z tlenku cyrkonu (ZrO2) staje się aktywna dopiero od 600 °C. Dotyczy to wszystkich sond na rynku, które wykorzystują komórkę z tlenku cyrkonu.
Jaka jest żywotność sondy tlenowej?
Element pomiarowy ZrO2 sond tlenowych ma ograniczoną żywotność. Jego warstwę powierzchniową zmieniają zanieczyszczenia zawieszone w atmosferze procesu. Dlatego użytkownik powinien wymienić element pomiarowy, gdy tylko pomiar przestaje odpowiadać oczekiwaniom.
W zależności od sposobu użytkowania i atmosfery żywotność sondy wynosi od około 6 do 24 miesięcy.
Jakie są korzyści ze współpracy z Econox?
Jesteśmy małą firmą rodzinną, w której centrum stoją jakość i klienci. Nie należymy do dużej grupy, dzięki czemu bardzo szybko reagujemy: przy rozwiązywaniu problemów, w terminach dostaw, we wsparciu i przy specjalnych zamówieniach naszych klientów.
Co oznacza stężenie tlenu 10-²⁴ bar?
Zapis 10-²⁴ bar (lub 1.E-24) w odniesieniu do stężenia tlenu oznacza skrajnie niskie ciśnienie cząstkowe tlenu w danym środowisku. Oto szczegółowe wyjaśnienie:
- Pojęcie ciśnienia cząstkowego tlenu
Ciśnienie cząstkowe gazu w mieszaninie to ciśnienie, jakie wywierałby ten gaz, gdyby sam zajmował tę samą objętość. Często wyraża się je w barach (lub w paskalach, 1 bar = 100 000 Pa).
Dla porównania: powietrze otoczenia zawiera około 21% tlenu, a ciśnienie atmosferyczne wynosi około 1 bara. Ciśnienie cząstkowe tlenu w zwykłym powietrzu wynosi więc
1 x 0.21 = 0.21 bar
- Znaczenie 10-²⁴ bar
- Ciśnienie 10-²⁴ bar oznacza skrajnie niskie stężenie tlenu.
- Dla rzędu wielkości: to ciśnienie jest biliony razy niższe niż ciśnienie cząstkowe tlenu w powietrzu.