智能氧化鋯氧量分析儀的詳細(xì)信息
一、前言
1989年能斯特（Nernst）發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定氧化鋯在高溫下呈現(xiàn)的離子導(dǎo)電現(xiàn)象。從此氧化鋯成為研究和開發(fā)應(yīng)用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(0.1s～0.2s)，測(cè)量范圍寬(從ppm到百分含量)，使用溫度高(600℃～1200℃)，運(yùn)行可靠，安裝方便，維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，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。
二、氧探頭的測(cè)氧原理
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(shí)，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(fù)電。兩個(gè)電極的反應(yīng)式分別為：
參比側(cè)：O2 4e——2O2-
測(cè)量側(cè)：2O2-－4e——O2
這樣在兩個(gè)電極間便產(chǎn)生了一定的電動(dòng)勢(shì)，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(jí)之間的電動(dòng)勢(shì)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(cè)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)，—溫度
該分式是氧探頭測(cè)氧的基礎(chǔ)，當(dāng)氧化鋯管處的溫度被加熱到600℃～1400℃時(shí)，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(xiàng)合并，又實(shí)際氧化鋯電池存在溫差電勢(shì)、接觸電勢(shì)、參比電勢(shì)、極化電勢(shì)，從而產(chǎn)生本地電勢(shì)CmV）實(shí)際計(jì)算公式為：（0 =20.6%
EmV）=0.0496Tln（0.2095/P1）±CmV）（（
C本地電勢(shì)(新鎬頭通常為±1mV) =
可見，如能測(cè)出氧探頭的輸出電動(dòng)勢(shì)E和被測(cè)氣體的溫度T，即可算出被測(cè)氣體的氧分壓（濃度）P1 ，這就是氧化鋯氧探頭的基本檢測(cè)原理。
三、氧化鋯氧探頭的結(jié)構(gòu)類型及工作原理
按檢測(cè)方式的不同，氧化鋯氧探頭分為兩大類：采樣檢測(cè)式氧探頭及直插式氧探頭。
1、采樣檢測(cè)式氧探頭
采樣檢測(cè)方式是通過導(dǎo)引管，將被測(cè)氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測(cè)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(diǎn)是不受檢測(cè)氣體溫度的影響，通過采用不同的導(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)；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)。
在被檢測(cè)氣體溫度較低（0℃～650℃），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。
2、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700℃～1150℃時(shí)（特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫），它利用被測(cè)氣體的高溫使氧化鋯達(dá)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(cè)方式中采用的氧化鋯管的形式上發(fā)展起來(lái)的，就是將原來(lái)的氧化鋯管加長(zhǎng)，使氧化鋯可以直接伸到高溫被測(cè)氣體中。這種結(jié)構(gòu)無(wú)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(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500mm～1000mm左右，特殊的環(huán)境長(zhǎng)度可達(dá)1500mm。且檢測(cè)，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關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國(guó)際上先進(jìn)的連接方式，是將氧化鋯與氧化鋁管的焊接在一起，其密封性能，與采樣式檢測(cè)方式比，直插式檢測(cè)有顯而易見的優(yōu)點(diǎn)：氧化鋯直接接觸氣體，檢測(cè)高，反應(yīng)速度快，維護(hù)量較小。
四、氧探頭的工業(yè)應(yīng)用
1、在工業(yè)鍋爐、加熱爐上的應(yīng)用
一、前言
1989年能斯特（Nernst）發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定氧化鋯在高溫下呈現(xiàn)的離子導(dǎo)電現(xiàn)象。從此氧化鋯成為研究和開發(fā)應(yīng)用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(0.1s～0.2s)，測(cè)量范圍寬(從ppm到百分含量)，使用溫度高(600℃～1200℃)，運(yùn)行可靠，安裝方便，維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，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。
二、氧探頭的測(cè)氧原理
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(shí)，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(fù)電。兩個(gè)電極的反應(yīng)式分別為：
參比側(cè)：O2 4e——2O2-
測(cè)量側(cè)：2O2-－4e——O2
這樣在兩個(gè)電極間便產(chǎn)生了一定的電動(dòng)勢(shì)，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(jí)之間的電動(dòng)勢(shì)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(cè)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)，—溫度
該分式是氧探頭測(cè)氧的基礎(chǔ)，當(dāng)氧化鋯管處的溫度被加熱到600℃～1400℃時(shí)，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(xiàng)合并，又實(shí)際氧化鋯電池存在溫差電勢(shì)、接觸電勢(shì)、參比電勢(shì)、極化電勢(shì)，從而產(chǎn)生本地電勢(shì)CmV）實(shí)際計(jì)算公式為：（0 =20.6%
EmV）=0.0496Tln（0.2095/P1）±CmV）（（
C本地電勢(shì)(新鎬頭通常為±1mV) =
可見，如能測(cè)出氧探頭的輸出電動(dòng)勢(shì)E和被測(cè)氣體的溫度T，即可算出被測(cè)氣體的氧分壓（濃度）P1 ，這就是氧化鋯氧探頭的基本檢測(cè)原理。
三、氧化鋯氧探頭的結(jié)構(gòu)類型及工作原理
按檢測(cè)方式的不同，氧化鋯氧探頭分為兩大類：采樣檢測(cè)式氧探頭及直插式氧探頭。
1、采樣檢測(cè)式氧探頭
采樣檢測(cè)方式是通過導(dǎo)引管，將被測(cè)氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測(cè)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(diǎn)是不受檢測(cè)氣體溫度的影響，通過采用不同的導(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)；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)。
在被檢測(cè)氣體溫度較低（0℃～650℃），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。
2、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700℃～1150℃時(shí)（特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫），它利用被測(cè)氣體的高溫使氧化鋯達(dá)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(cè)方式中采用的氧化鋯管的形式上發(fā)展起來(lái)的，就是將原來(lái)的氧化鋯管加長(zhǎng)，使氧化鋯可以直接伸到高溫被測(cè)氣體中。這種結(jié)構(gòu)無(wú)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(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500mm～1000mm左右，特殊的環(huán)境長(zhǎng)度可達(dá)1500mm。且檢測(cè)，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關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國(guó)際上先進(jìn)的連接方式，是將氧化鋯與氧化鋁管的焊接在一起，其密封性能，與采樣式檢測(cè)方式比，直插式檢測(cè)有顯而易見的優(yōu)點(diǎn)：氧化鋯直接接觸氣體，檢測(cè)高，反應(yīng)速度快，維護(hù)量較小。
四、氧探頭的工業(yè)應(yīng)用
1、在工業(yè)鍋爐、加熱爐上的應(yīng)用
