Aktuální vydání

celé číslo

06

2022

Vodohospodářství, energetika a využití obnovitelných zdrojů energie

IIoT, vestavné a průmyslové počítače a edge computing

celé číslo

Úsporná konstrukce senzoru malých koncentrací rozpuštěného kyslíku

Automa 10/2001

(sk)

Úsporná konstrukce senzoru malých koncentrací rozpuštěného kyslíku

Obr. 1.

Měření koncentrace rozpuštěného kyslíku na úrovních blízkých hodnotě 1 · 10–9 (v americké angličtině parts per billion – ppb) má velký význam při předcházení korozi v zařízeních a systémech pro výrobu páry zejména pro energetické účely. Z nespojité analýzy odebraných vzorků se proto přechází na měření on-line, poskytující potřebnou informaci rychle, spolehlivě a nepřetržitě. Od doby svého zrodu, vynálezu tzv. Clarkovy cely na začátku 50. let minulého století, je pro tato měření v široké míře používána elektrochemická ampérometrická metoda měření koncentrace kyslíku rozpuštěného ve vodě.

Základní uspořádání ampérometrického senzoru koncentrace rozpuštěného kyslíku je schematicky znázorněno na obr. 1. V základním tělese senzoru je uzavřena válcová elektrochemická cela. Činnou (měřicí) elektrodou je katoda ve tvaru plochého disku z ušlechtilého kovu (zlato, platina). Jejím protějškem je stříbrná anoda (na obr. 1 nezakreslená). Polopropustná membrána z teflonu (PTFE) překrývá povrch katody a odděluje od měřeného média vnitřní prostor cely, vyplněný elektrolytem gelové konzistence obsahujícím vodný roztok, např. KCl.

Senzor pracuje tak, že kyslík rozpuštěný v kapalném médiu difunduje polopropustnou membránou do elektrolytu a je redukován na katodě. V důsledku oxidačně-redukčních reakcí na obou elektrodách (viz např. [1]) vzniká v elektrickém obvodu senzoru elektrický proud, jehož velikost je přímo úměrná obsahu kyslíku v elektrolytu, a tudíž, protože se předpokládá jeho průchod membránou bez zkreslení, i v měřeném médiu.

Obr. 2.

Senzor popsané základní konstrukce podle obr. 2 ale nedosahuje přesnosti, která by umožnila měřit koncentrace rozpuštěného kyslíku na úrovni pouhých několika ppb. Je tomu tak proto, že senzor schopný dosahovat potřebné přesnosti musí mít především velmi malý zbytkový proud, jehož hlavním zdrojem je ale „rušivý“ kyslík rozpuštěný v elektrolytu obsaženém v senzoru. Řešení bylo nalezeno v přidání ochranné prstencové elektrody, obkružující činnou elektrodu senzoru (obr. 2). Prstencová elektroda pracuje na redukčním potenciálu kyslíku a brání tak jeho nežádoucímu přísunu z okolního elektrolytu k činné elektrodě. Toto zdokonalení, zavedené v polovině 80. let, umožnilo zkonstruovat senzor měřící s přesností řádu ±1 ppb při dostatečně krátké tzv. době návratu (come-down time; doba, za kterou začne znovu měřit s přesností ±1 ppb poté, co byl vystaven koncentraci kyslíku ve vzduchu).

Ochranná prstencová elektroda vyřešila problém přesnosti, avšak je původcem složitější konstrukce i výroby senzoru i celého přístroje a svou blízkostí k činné elektrodě se sama stala příčinou nového typu poruchy – přemosťování stříbrem. Zůstal tedy otevřen prostor i pro jiná řešení.

Obr. 3.

Jednomu takovému úspěšnému řešení je věnován článek [2], kde autoři popisují, jak na základě analýzy měřicího i základního proudu sestavili matematický model senzoru. Model ukázal, že tok kyslíku, který je příčinou nadměrného zbytkového proudu, se výrazně zmenší, vytvoří-li se v senzoru vhodná difuzní dráha. Podle modelu byl zkonstruován prototyp senzoru s difuzní dráhou ve tvaru válcové štěrbiny o efektivní ploše Ae = p(D2 – d2)/4 rovné asi 7 · 10–8 m2 a poměru Ae/l = 0,01 mm (viz obr. 1), jenž vyniká „samoodčerpávací“ schopností (tj. schopnost samoodčerpávat rušivý kyslík z elektrolytu v cele) a obejde se bez dosud nutné ochranné prstencové elektrody.

Průmyslově použitelný senzor vyvinutý z prototypu má přesnost 1 ppb i krátkou dobu odezvy (na 90 % hodnoty skokové změny na vstupu se dostane za méně než 30 s). Jeho jednoduchá konstrukce současně znamená nižší cenu a jednodušší a levnější údržbu.

Aby nebylo pochyb o jeho kvalitě, byl „samoodčerpávací“ senzor nulté výrobní série s označením 499ATrDO mj. použit k provoznímu měření v elektrárně jednoho ze zákazníků společně s tradičním senzorem s ochrannou prstencovou elektrodou. Výsledek na obr. 3, převzatém ze [2], ukazuje velmi dobrou shodu údajů z obou senzorů. Na základě vykonaných zkoušek je ve [2] konstatováno, že senzor využívající samoodčerpávací princip má stejné výkonnostní parametry jako tradiční senzory s ochrannou prstencovou elektrodou, a to při menších nákladech a bez problémů, které použití prstencové elektrody provázejí.

Literatura:

[1] KADLEC, K.: Elektrochemické snímače. Automatizace, 42, 1999, č. 12, s. 901-905.

[2] FENG, Ch.-D. – PAYNE, R. A.: Self-depleting amperometric senzor for ppb level dissolved oxygen. ISA Analysis Division Newsletter, 22, 2001, No. 1&2, pp. 24-34; www.rauniloc.com