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氧化鋯氧氣測量原理簡單論述

       由于氧化鋯與現(xiàn)有測氧儀表(如磁氧分析器、電化學(xué)式氧量計、氣象色譜儀等)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)時間短(0.1s～0.2s)，測量范圍寬(從ppm到百分含量)，使用溫度高(600℃～1200℃)，運行可靠，安裝方便，維護量小等優(yōu)點，因此在冶金、化工、電力、陶瓷、汽車、環(huán)保等工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用.

　　在氧化鋯電解質(zhì)(ZrO2管)的 兩側(cè)面分別燒結(jié)上多孔鉑(Pt)電極，在一定溫度下，當(dāng)電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時，高濃度側(cè)(空氣)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子(4e)結(jié)合形成氧離子 O2-，使該電極帶正電，O2-離子通過電解質(zhì)中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(cè)的Pt電極上放出電子，轉(zhuǎn)化成氧分子，使該電極帶負電。兩個電極的反應(yīng)式分 別為：參比側(cè)：O2+4e——2O2- 測量側(cè)：2O2--4e——O2

　　這樣在兩個電極間便產(chǎn)生了一定的電動勢，氧化鋯電解質(zhì)、Pt電極及兩側(cè)不同氧濃度的氣體組成氧探頭即所謂氧化鋯濃差電池。兩級之間的電動勢E由能斯特公式求得：可E=(1)式中，EmV―濃差電池輸出，n 4―電子轉(zhuǎn)移數(shù)，在此為R理想氣體常數(shù)，8.314 W·S/mol —T (K) F96500 C;PP1——待測氣體氧濃度百分?jǐn)?shù)0——參比氣體氧濃度百分?jǐn)?shù) —法拉第常數(shù)，—絕對溫度

　　該分式是氧探頭測氧的基礎(chǔ)，當(dāng)氧化鋯管處的溫度被加熱到600℃～1400℃ 時，高濃度側(cè)氣體用已知氧濃度的氣體作為參比氣，如用空氣，則P，將此值及公式中的常數(shù)項合并，又實際氧化鋯電池存在溫差電勢、接觸電勢、參比電勢、極化 電勢，從而產(chǎn)生本地電勢CmV)實際計算公式為：(0 =20.6% (0.2095/P1)±CmV)(C本地電勢(新鎬頭通常為±1mV) =可見，如能測出氧探頭的輸出電動勢E和被測氣體的絕對溫度T，即可算出被測氣體的氧分壓(濃度)P1，這就是氧化鋯氧探頭的基本檢測原理三、氧化鋯氧探 頭的結(jié)構(gòu)類型及工作原理　按檢測方式的不同，氧化鋯氧探頭分為兩大類：采樣檢測式氧探頭及直插式氧探頭

　　1、采樣檢測式氧探頭采樣檢測方式是通過導(dǎo)引管，將被測氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測室，再通過加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度(750℃ 以上)。氧化鋯一般采用管狀，電極采用多孔鉑電極。其優(yōu)點是不受檢測氣體溫度的影響，通過采用不同的導(dǎo)流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量，這種靈活性被 運用在許多工業(yè)在線檢測上。其缺點是反應(yīng)時間慢;結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易影響檢測精度;在被檢測氣體雜質(zhì)較多時，采樣管容易堵塞;多孔鉑電極容易受到氣體中的硫， 砷等的腐蝕以及細小粉塵的堵塞而失效;加熱器一般用電爐絲加熱，壽命不長。在被檢測氣體溫度較低(0℃～650℃)，或被測氣體較清潔時，適宜采樣式檢測 方式，如制氮機測氧，實驗室測氧等。

　　2、直插檢測式氧探頭直插式檢測是將氧化鋯直接插入高溫被測氣體，直接檢測氣體中的氧含量，這種檢測方式適宜被檢測氣體溫度在700℃～1150℃ 時(特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫)，它利用被測氣體的高溫使氧化鋯達到工作溫度，不需另外用加熱器(如圖3)。直插式氧探頭的技術(shù)關(guān)鍵是陶瓷材料 的高溫密封和電極問題。以下列舉了兩種直插式氧探頭的結(jié)構(gòu)形式。(1)整體氧化鋯管該形式是從采樣檢測方式中采用的氧化鋯管的形式上發(fā)展起來的，就是將原 來的氧化鋯管加長，使氧化鋯可以直接伸到高溫被測氣體中。這種結(jié)構(gòu)無需考慮高溫密封問題。(2)直插式氧化鋯氧探頭由于需要將氧化鋯直接插入檢測氣體中， 對氧探頭的長度有較高要求，其有效長度在500mm～1000mm左右，特殊的環(huán)境長度可達1500mm。且檢測精度，工作穩(wěn)定性和使用壽命都有很高的要 求，因此直插式氧探頭很難采用傳統(tǒng)氧化鋯氧探頭的整體氧化鋯管狀結(jié)構(gòu)，而多采取技術(shù)要求較高的氧化鋯和氧化鋁管連接的結(jié)構(gòu)。密封性能是這種氧化鋯氧探頭的 最關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國際上最先進的連接方式，是將氧化鋯與氧化鋁管永久的焊接在一起，其密封性能極佳，與采樣式檢測方式比，直插式檢測有顯而易見的優(yōu) 點：氧化鋯直接接觸氣體，檢測精度高，反應(yīng)速度快，維護量較小。