氧化鋯氧量分析儀的工作原理

1、氧化鋯氧量分析儀的工作原理氧化鋯氧量分析儀的工作原理自然界的氧化錯(cuò)(ZrO2)礦物原料，主要有斜錯(cuò) 石和鋯英石。鋯英石系火成巖深層礦物，顏色有 淡黃、棕黃、黃綠等，比重4.6-4.7，硬度7.5, 具有強(qiáng)烈的金屬光澤。純的氧化鋯是一種高級(jí)耐 火原料，其熔融溫度約為2900C。I三IWIIIIII純凈的氧化鋯是白色固體，含有雜質(zhì)時(shí)會(huì)顯現(xiàn) 灰色或淡黃色，添加顯色劑還可顯示各種其它顏 色。純氧化鋯的分子量為123.22，理論密度是 5.89g/cm3,熔點(diǎn)為2715C。氧化鋯有三種晶 體形態(tài)：?jiǎn)涡?、四方、立方晶相。常溫下氧化?只以單斜相出現(xiàn)，加熱到1100I三IWIIIIII由于氧化鋯材料具有高硬

2、度，高強(qiáng)度，高韌性， 極高的耐磨性及耐化學(xué)腐蝕性等等優(yōu)良的物化 性能，氧化鋯已經(jīng)在陶瓷、耐火材料、機(jī)械、電 子、光學(xué)、航空航天、生物、化學(xué)等等各種領(lǐng)域 獲得廣泛的應(yīng)用。l=jl=J1989年能斯特（Nernst）發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定氧化錯(cuò)在 高溫下呈現(xiàn)的離子導(dǎo)電現(xiàn)象。從此氧化鋯成為研 究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用最普遍的一種固體電解質(zhì)，它已在 高溫技術(shù)，特別是高溫測(cè)試技術(shù)上得到廣泛應(yīng) 用。由于氧探頭與現(xiàn)有測(cè)氧儀表（如磁氧分析器、 電化學(xué)式氧量計(jì)、氣象色譜儀等）相比，具有結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)時(shí)間短（01s02s），測(cè)量范圍寬 （從ppm到百分含量），使用溫度高（600C 1200C），運(yùn)行可靠，安裝方便，維護(hù)量小等優(yōu) 點(diǎn)，因此

3、在冶金、化工、電力、陶瓷、汽車(chē)、環(huán) 保等工業(yè)部門(mén)得到廣泛的應(yīng)用。來(lái)自海洋興業(yè)儀 器。l=jl=J氧化鋯氧探頭的測(cè)氧原理氧化鋯的導(dǎo)電機(jī)理：電解質(zhì)溶液靠離子導(dǎo)電， 具有離子導(dǎo)電性質(zhì)的固體物質(zhì)稱(chēng)為固體電解質(zhì)。固體電解質(zhì)是離子晶體結(jié)構(gòu)，靠空穴使離子運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)電，與P型半導(dǎo)體空穴導(dǎo)電的機(jī)理相似。純氧化鋯（ZrO2）不導(dǎo)電，摻雜一定比例的低 價(jià)金屬物作為穩(wěn)定劑，如氧化鈣（CaO2）、氧 化鎂（MgO）、氧化釔（Y2O3），就具有高溫 導(dǎo)電性，成為氧化鋯固體電解質(zhì)。為什么加入穩(wěn)定劑后，氧化鋯就會(huì)具有很高的 離子導(dǎo)電性呢?這是因?yàn)?，摻有少量CaO2的ZrO2混合 物，在結(jié)晶過(guò)程中，鈣離子進(jìn)入立方晶體中，置 換了

4、鋯離子。由于鋯離子是+4價(jià)，而鈣離子是 +2價(jià)，一個(gè)鈣離子進(jìn)入晶體，只帶入了一個(gè)氧 離子，而被置換出來(lái)的錯(cuò)離子帶出了兩個(gè)氧離 子，結(jié)果，在晶體中便留下了一個(gè)氧離子空穴。 例如：（ZrO2）0.85 （CaO2）0.15 這樣的氧 化鋯（氧化錯(cuò)的摩爾分?jǐn)?shù)為85%、氧化鈣的摩 爾分?jǐn)?shù)是15%），則具有7。5%的摩爾分?jǐn)?shù)的 氧離子空穴，是成了一種良好的氧離子固體電解 質(zhì)。氧化錯(cuò)的導(dǎo)電機(jī)理在一個(gè)高致密的氧化鋯固體電解質(zhì)的兩側(cè)，用燒結(jié)的方法制成幾微米到幾十微米厚的多孔 鉑層作為電極，再在電極上焊上鉑絲作為引線， 就構(gòu)成了氧濃差電池，如果電池左側(cè)通入?yún)⒈葰?體（空氣），其氧分壓為p0；電池右側(cè)通入被 測(cè)氣

5、體，其氧分壓為pl （未知）。設(shè)p0 p1,在高溫下（650850 C），氧就 會(huì)從分壓大的p0 一側(cè)向分壓小的pl側(cè)擴(kuò)散， 這種擴(kuò)散，不是氧分子透過(guò)氧化鋯從P0側(cè)到P1 側(cè)，而是氧分子離解成氧離子后，通過(guò)氧化鋯的 過(guò)程。在750C左右的高溫中，在鉑電極的催化作用 下，在電池的P0側(cè)發(fā)生還原反應(yīng)，一個(gè)氧分子I=jw從鉑電極取得4個(gè)電子，變成兩個(gè)氧離子（02-） 進(jìn)入電解質(zhì)，即：02 （P0） + 4e 一2O2- P0側(cè) 伯電極由于大量給出電子而帶正電，成為氧濃差 電池的正極或陽(yáng)極。I=jw這些氧離子進(jìn)入電解質(zhì)后，通過(guò)晶體中的空 穴向前運(yùn)動(dòng)到達(dá)右側(cè)的鉑電極，在電池的P1側(cè) 發(fā)生氧化反應(yīng)，氧離子

6、在伯電極上釋放電子并結(jié) 合成氧分子析出，即：202- - 4e 02（P1）P1側(cè)鉑電極由于大量得到電子而帶負(fù)電，成 為氧濃差電池的負(fù)極或陰極。這樣在兩個(gè)電極上，由于正負(fù)電荷的堆積而形 成一個(gè)電勢(shì)，稱(chēng)之為氧濃差電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)用導(dǎo)線將 兩個(gè)電極連成電路時(shí)，負(fù)極上的電子就會(huì)通過(guò)外 電路流到正極，再供給氧分子形成離子，電路中 就有電流通過(guò)。氧濃差電動(dòng)勢(shì)的大小，與氧化鋯 固體電解質(zhì)兩側(cè)氣體中的氧濃度有關(guān)。氧化鋯氧傳感器工作原理在氧化鋯電解質(zhì)（Zr02管）的兩側(cè)面分別燒結(jié) 上多孔鉑（Pt）電極，測(cè)量電池本體分為3層: 鉑（電極）一氧化鋯（電解質(zhì) f （電極）。伯電極是 多孔性的。煙道氣體通過(guò)過(guò)濾器或校驗(yàn)氣體

7、通過(guò)傳導(dǎo)管進(jìn)入測(cè)量電池被測(cè)氣體一側(cè)，而另一側(cè)為l=j傳導(dǎo)管進(jìn)入測(cè)量電池被測(cè)氣體一側(cè)，而另一側(cè)為l=j參比空氣（含氧2060%）。兩種含氧濃度不同的氣體作用在測(cè)量電池，便 產(chǎn)生一個(gè)以對(duì)數(shù)為規(guī)律的電勢(shì)（兩側(cè)的氧濃度差 愈大，電勢(shì)信號(hào)愈大）。亳伏信號(hào)經(jīng)氧分析儀轉(zhuǎn)換 成010mA或420mA標(biāo)準(zhǔn)電流。此電流由 氧分析儀接線端子輸出。測(cè)量電池的工作溫度設(shè)置為高于650C的恒定 溫度，為了保持工作溫度恒定，用一支K測(cè)量電池的工作溫度設(shè)置為高于650C的恒定 溫度，為了保持工作溫度恒定，用一支K型熱電 偶測(cè)量電池的工作溫度，經(jīng)氧分析儀內(nèi)的溫度控 制器調(diào)節(jié)加熱器的加熱電壓。IIIIIIl=JwIII氧化錯(cuò)氧情

8、感器示意囹當(dāng)測(cè)量煙氣溫度高于700C時(shí)，傳感器組成中 省去加熱器和測(cè)溫?zé)犭娕肌Ｔ诶硐霠顟B(tài)下，當(dāng)被測(cè)煙氣與參比氣濃度一樣 時(shí)，其輸出電勢(shì)E值為0 mV,但在實(shí)際應(yīng)用 中，錯(cuò)管實(shí)際條件和現(xiàn)場(chǎng)情況均不是理想狀態(tài)。 故事實(shí)上的鋯管是偏離此值的。實(shí)際上，一定氧U TO 曰 4BU 口4 口 U PR 七匕 VQ hP力 口 J1 ，我們稱(chēng)為無(wú)濃差條件下錯(cuò)管輸出的電勢(shì)值為本 底電勢(shì)或稱(chēng)為零位電勢(shì)，此值的大小又在不同溫 度下呈不同的值，并且隨鋯管使用期延長(zhǎng)而變 化。因此，如不對(duì)此情況處理，會(huì)嚴(yán)重影響整 套測(cè)氧儀的準(zhǔn)確和探頭壽命。校正用氣體入口廣祺氣空氏人口ZKMlgl測(cè)定氣你玄用邃曉r沽岑、m校正用氣體入口

9、廣祺氣空氏人口ZKMlgl測(cè)定氣你玄用邃曉r沽岑、m燃器電毓L匿知如二FA垂電爆推點(diǎn)輸出&點(diǎn)g一（上下叫竺報(bào)、華MST T獨(dú)中梭氣中波T t樸常新茬砂技正開(kāi)始 羥劫摸氣筆】酰測(cè)器：KFK日型I iTifi氧化錯(cuò)氧量分析儀的構(gòu)成是由氧傳感器（又稱(chēng) 氧探頭、氧檢測(cè)器）、氧分析儀（又稱(chēng)變送器、 變送單元、轉(zhuǎn)換器、分析儀）以及防塵裝置、熱電偶、加熱器、標(biāo)準(zhǔn)氣體導(dǎo)管、接線盒以及外殼 殼體等組成。防塵裝置由防塵罩和過(guò)濾器組成，能防止煙氣 中的灰塵進(jìn)入氧化鋯鋯管內(nèi)部，使鋯管元件免受 污染，并能起到緩沖氣樣作用。氧化鋯管元件是氧探頭的核心部件，由它產(chǎn)生 氧濃差電勢(shì)信號(hào)。氧化鋯管是陶瓷類(lèi)金屬氧化 物，使用時(shí)必須

10、避免劇烈震動(dòng)，以免損壞鋯管元 件。熱電偶是探頭內(nèi)置加熱器恒溫控制之用，也是 測(cè)量鍋爐、窯爐煙道中被測(cè)氣體的溫度的元件， 為氧量計(jì)算提供一個(gè)溫度信號(hào)。加熱器的作用是提供氧化鋯固體電解質(zhì)元件正 常工作所需的溫度，從而使其在低于600C的被 測(cè)煙氣環(huán)境中也能正常工作。IIIIII來(lái)自氧探頭的氧電勢(shì)信號(hào)、熱偶溫度信號(hào)經(jīng)放 大送A/D轉(zhuǎn)換電路，與校正系數(shù)一起進(jìn)行數(shù)據(jù) 處理，即可得出氧含量的百分含量。同時(shí)，系統(tǒng) 可實(shí)行氧電勢(shì)、探頭溫度、校正系數(shù)值的顯示， 并對(duì)鋯管的加熱電爐進(jìn)行恒溫控制，且輔以斷IIIIII偶、超溫保護(hù)、熱偶反接保護(hù)，確保系統(tǒng)可靠工 作。按檢測(cè)方式的不同，氧化鋯氧探頭分為兩大類(lèi): 采樣檢測(cè)

11、式氧探頭及直插式氧探頭。采樣檢測(cè)式氧探頭III采樣檢測(cè)方式是通過(guò)導(dǎo)引管，將被測(cè)氣體導(dǎo)入 氧化鋯檢測(cè)室，再通過(guò)加熱元件把氧化鋯加熱到 工作溫度(750C以上)。氧化鋯一般采用管狀， 電極采用多孔鉑電極。其優(yōu)點(diǎn)是不受檢測(cè)氣體溫 度的影響，通過(guò)采用不同的導(dǎo)流管可以檢測(cè)各種 溫度氣體中的氧含量，這種靈活性被運(yùn)用在許多 工業(yè)在線檢測(cè)上。其缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間慢；結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，容易影響檢測(cè)精度；在被檢測(cè)氣體雜質(zhì)較多 時(shí)，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(xì)小粉塵的堵塞而失 效；加熱器一般用電爐絲加熱，壽命不長(zhǎng)。IIIIII在被檢測(cè)氣體溫度較低(0C650c)，或被 測(cè)氣體較清潔時(shí)，適宜采樣式檢測(cè)方式，如制氮 機(jī)測(cè)氧，實(shí)驗(yàn)室測(cè)氧等。III直插檢測(cè)式氧探頭直插式檢測(cè)是將氧化鋯直接插入高溫被測(cè)氣l=JIII體，直接檢測(cè)氣體中的氧含量，這種檢測(cè)方式適 宜被檢測(cè)氣體溫度在700C1150C時(shí)（特殊結(jié) 構(gòu)還可以用于1400C的高溫），它利用被測(cè)氣 體的高溫使氧化錯(cuò)達(dá)到工作溫度，不需另外用加 熱器。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(wèn)題。l=JIIIl=J由于需要將氧化錯(cuò)直接插入檢測(cè)氣體中，對(duì)氧 探頭的長(zhǎng)度有較高要求，其有效長(zhǎng)度在 500mm1000mm左右，特殊的環(huán)境長(zhǎng)度可達(dá) 1500mm。且檢測(cè)精度，工作穩(wěn)定性和使用壽命 都有