過程分析儀器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種過程設(shè)備，具體涉及一種過程分析儀器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在各種工業(yè)中采用過程分析傳感器以及儀器，以對(duì)氣體和液體進(jìn)行測量和控制。 一些過程分析傳感器，如氧傳感器，利用加熱的固體電解質(zhì)電池來測量感興趣的氣體類型。 如本文中使用的，術(shù)語固體電解質(zhì)電池的意思是一些固體電解質(zhì)（例如氧化鋯-氧化釔 ((Zr02)(lx)(Y203)x))以及與其連接的多孔電接觸或電極（通常由鉑或其它合適的金屬制 成）。
[0003] 具有探針的氣體分析器是熟知的，其利用固體電解質(zhì)電池來測量氣態(tài)氧。在一個(gè) 商業(yè)上可用的傳感器中（參見美國專利No. 3, 928, 161)，兩個(gè)多孔鉑電極沉積在多孔氧化 鋯固體電解質(zhì)的相對(duì)的側(cè)面上。這樣的分析器的常見應(yīng)用是在例如煙囪的煙道或管道中測 量氣態(tài)氧。在固定的參考電極局部壓力下，傳感器對(duì)不同氧濃度的響應(yīng)（例如空氣）可以 使用以下能斯托方程在過程側(cè)計(jì)算：
方程1
[0005] C是電池常數(shù)，S是電池斜率，其是電池溫度T的函數(shù)，并且Ppro_s和P 分別是固 體電解質(zhì)電池的測量和參考端的氧局部壓力。在燃燒過程中的老化之后，實(shí)際的固體電解 質(zhì)電池在某種程度上偏尚方程1。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] -種過程分析儀器，包括測量電池和分析器電路。測量電池包括固態(tài)電化學(xué)氧傳 感器，被配置用來暴露于過程氣體。分析器電路耦合到固態(tài)電化學(xué)傳感器以測量固態(tài)電化 學(xué)傳感器的電參數(shù)并且提供指示過程氣體中的氧的輸出。直流偏置電路被配置為當(dāng)固態(tài)電 化學(xué)傳感器處在還原環(huán)境中時(shí)，使用直流電選擇性地對(duì)固態(tài)電化學(xué)氧傳感器進(jìn)行偏置。
【附圖說明】
[0007] 圖1是本實(shí)用新型的實(shí)施例特別有用的過程分析器的簡要透視圖。
[0008] 圖2A和圖2B是示出了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例其中偏置電流可以應(yīng)用在氧傳感器 的各種方式的框圖。
[0009] 圖3和圖4是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例操作固態(tài)電化學(xué)傳感器的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 雖然電化學(xué)氧化鋯基氧傳感器是魯棒的并且可以在燃燒環(huán)境中有效運(yùn)行多年，但 是一些條件能夠迅速破壞傳感器或者使傳感器退化。在高溫下，侵略性（尤其是含硫的） 過程氣體的應(yīng)用能夠突然簡短還原狀況下的傳感器的壽命。如本文中使用的，"還原狀況" 的意思是其中通過除去氧以及其它氧化氣體或水蒸氣來防止氧化的大氣狀況，并且其中可 以包含活性還原氣體，例如氫、一氧化碳以及在氧面前會(huì)氧化的氣體如硫化氫。人們相信， 傳感器壽命的減少是由于如下的硫和氧的形成：
[0011] S02+2C0 <--- S (g) +2C02 方程 2
[0012] 2C0 <--- C+2C02 方程 3
[0013] 由于形成牢固的金屬-硫鍵，使得即使在很低的硫濃度下硫也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的鈍 化。硫污染有兩種可能的反應(yīng)途徑：塊狀硫化或表面硫化，其中后者占主導(dǎo)。與硫的反應(yīng)會(huì) 導(dǎo)致快速的電極退化。由于熱膨脹失配，在過程電極上的碳沉積以及之后的穿過多孔電極 膜的擴(kuò)散將會(huì)促進(jìn)鉑膜從氧化鋯陶瓷表面剝落。
[0014] 取決于應(yīng)用溫度，微型尺寸的擴(kuò)散器或過濾器可以用于對(duì)電池的保護(hù)來應(yīng)對(duì)固相 碳或硫，并且分子篩例如沸石可以視為碳或氧化硫吸附的潛在應(yīng)用。在這兩種情況下，由于 在粉塵燃燒環(huán)境下過濾器或分子篩的快速退化，使得傳感器保護(hù)模式將會(huì)受到嚴(yán)格的限 制。此外，過濾器上孔的大小限制將仍然會(huì)允許非常細(xì)小的碳粉塵或硫粉末向過程電極表 面滲透。
[0015] 考慮的另外的選擇是在廢氣到達(dá)過程電極膜之前在傳感器包裝中放置催化劑顆 粒，或者替換過程電極，或?qū)㈦姌O覆蓋上抗硫膜。在以往，人們研究了基于氧化物的硫容忍 復(fù)合材料電極，所述氧化物從鋯、釔、鈧、釷、稀土金屬及其混合物的組中選擇。參見示例：美 國專利No. 4, 702, 971?；谖炇愌趸镫x子導(dǎo)電固體電解質(zhì)，即基于具有相當(dāng)高的離子 導(dǎo)電率和電子導(dǎo)電率的二氧化鈰，考慮了更多可靠的硫容忍混合導(dǎo)電材料。除了作為氧導(dǎo) 體以外，二氧化鈰基氧化物展示了相比于具有為化學(xué)氧化還原反應(yīng)大大增加的電極活性表 面面積的氧化鋯的相當(dāng)?shù)碾娮訉?dǎo)電。然而，這些材料中沒有一種具有足夠的電子導(dǎo)電性，并 且仍然需要有效地電子導(dǎo)電集電極例如鉑的應(yīng)用。這意味著傳感器性能將仍受到硫的很大 影響。
[0016] 根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，為氧傳感器提供了兩個(gè)模式。在氧化環(huán)境中（> 0. 1% 〇2)，氧傳感器將會(huì)在測量模式中工作，使用所述能斯托方程精確地測量氧濃度。然而，當(dāng)過 程氣體中的氧濃度降到閾值以下時(shí)（如〇. 1% 〇2)，傳感器將會(huì)切換到電化學(xué)保護(hù)模式，其 中向傳感器施加外部偏置直流電壓。在該模式中，通過在過程鉑電極膜上產(chǎn)生氧保護(hù)緩沖 區(qū)域來減少或消除過程電極的退化。
[0017] 圖1示出了本實(shí)用新型實(shí)施例特別有用的固體電解質(zhì)分析器40中的示例分析器 電路50的框圖。電路50由遠(yuǎn)距離電源通過線路76a、76b上提供的AC線路輸入來提供能 量。電路50控制設(shè)置為加熱固體電解質(zhì)電池60的電池加熱器66。電池加熱器66通常由 一段鎳鉻鐵合金線螺旋形纏繞石英支撐的圓柱形成。熱電偶68或其它高溫感測設(shè)備對(duì)固 體電解質(zhì)電池60和/或加熱器66的溫度進(jìn)行檢測，用于監(jiān)視和反饋控制。電路50對(duì)來 自固體電解質(zhì)電池60的電池輸出VOTll以及來自熱電偶68的溫度T進(jìn)行檢測，并且在線路 78a、78b上向儀表80或其它合適的設(shè)備如通信點(diǎn)82傳送指示P(02)的參數(shù)。
[0018] 在一些實(shí)現(xiàn)中，電路50使用通過整流器86耦合到線路76a、76b的開關(guān)式電源 84。過零檢測器88、繼電器90以及電池加熱器66和加熱器電路92的串聯(lián)組合也與整流器 并聯(lián)地耦合跨過線76a、76b?？刂破?4在線路96上控制加熱器電路92,以將熱電偶68以 及因此固體電解質(zhì)電池60維持在指定的高溫?？刂破?4還通過線路114、116耦合到測量 電路104。測量電路104通過線路106接收固體電解質(zhì)電池60的輸出，通過線路108接收 熱電偶68的輸出，以及通過線路112接收局部溫度傳感器110的輸出。這些輸出通過線路 114向控制器94傳送。在線路112處的輸出指示容納電路50的電子器件外殼（未示出） 中的溫度?？刂破?4使用傳感器110輸出作為冷端溫度的指示來校準(zhǔn)來自熱電偶68的、 在計(jì)算電池溫度T時(shí)的原始EMF輸出。傳感器110可以是任何合適的溫度傳感器，如熱敏 電