氧化锆氧量分析仪的工作原理

1、氧化锆氧量分析仪的工作原理氧化锆氧量分析仪的工作原理自然界的氧化错(ZrO2)矿物原料，主要有斜错 石和锆英石。锆英石系火成岩深层矿物，颜色有 淡黄、棕黄、黄绿等，比重4.6-4.7，硬度7.5, 具有强烈的金属光泽。纯的氧化锆是一种高级耐 火原料，其熔融温度约为2900C。I三IWIIIIII纯净的氧化锆是白色固体，含有杂质时会显现 灰色或淡黄色，添加显色剂还可显示各种其它颜 色。纯氧化锆的分子量为123.22，理论密度是 5.89g/cm3,熔点为2715C。氧化锆有三种晶 体形态：单斜、四方、立方晶相。常温下氧化锆 只以单斜相出现，加热到1100I三IWIIIIII由于氧化锆材料具有高硬

2、度，高强度，高韧性， 极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等等优良的物化 性能，氧化锆已经在陶瓷、耐火材料、机械、电 子、光学、航空航天、生物、化学等等各种领域 获得广泛的应用。l=jl=J1989年能斯特（Nernst）发现稳定氧化错在 高温下呈现的离子导电现象。从此氧化锆成为研 究和开发应用最普遍的一种固体电解质，它已在 高温技术，特别是高温测试技术上得到广泛应 用。由于氧探头与现有测氧仪表（如磁氧分析器、 电化学式氧量计、气象色谱仪等）相比，具有结 构简单，响应时间短（01s02s），测量范围宽 （从ppm到百分含量），使用温度高（600C 1200C），运行可靠，安装方便，维护量小等优 点，因此

3、在冶金、化工、电力、陶瓷、汽车、环 保等工业部门得到广泛的应用。来自海洋兴业仪 器。l=jl=J氧化锆氧探头的测氧原理氧化锆的导电机理：电解质溶液靠离子导电， 具有离子导电性质的固体物质称为固体电解质。固体电解质是离子晶体结构，靠空穴使离子运动 导电，与P型半导体空穴导电的机理相似。纯氧化锆（ZrO2）不导电，掺杂一定比例的低 价金属物作为稳定剂，如氧化钙（CaO2）、氧 化镁（MgO）、氧化钇（Y2O3），就具有高温 导电性，成为氧化锆固体电解质。为什么加入稳定剂后，氧化锆就会具有很高的 离子导电性呢?这是因为，掺有少量CaO2的ZrO2混合 物，在结晶过程中，钙离子进入立方晶体中，置 换了

4、锆离子。由于锆离子是+4价，而钙离子是 +2价，一个钙离子进入晶体，只带入了一个氧 离子，而被置换出来的错离子带出了两个氧离 子，结果，在晶体中便留下了一个氧离子空穴。 例如：（ZrO2）0.85 （CaO2）0.15 这样的氧 化锆（氧化错的摩尔分数为85%、氧化钙的摩 尔分数是15%），则具有7。5%的摩尔分数的 氧离子空穴，是成了一种良好的氧离子固体电解 质。氧化错的导电机理在一个高致密的氧化锆固体电解质的两侧，用烧结的方法制成几微米到几十微米厚的多孔 铂层作为电极，再在电极上焊上铂丝作为引线， 就构成了氧浓差电池，如果电池左侧通入参比气 体（空气），其氧分压为p0；电池右侧通入被 测气

5、体，其氧分压为pl （未知）。设p0 p1,在高温下（650850 C），氧就 会从分压大的p0 一侧向分压小的pl侧扩散， 这种扩散，不是氧分子透过氧化锆从P0侧到P1 侧，而是氧分子离解成氧离子后，通过氧化锆的 过程。在750C左右的高温中，在铂电极的催化作用 下，在电池的P0侧发生还原反应，一个氧分子I=jw从铂电极取得4个电子，变成两个氧离子（02-） 进入电解质，即：02 （P0） + 4e 一2O2- P0侧 伯电极由于大量给出电子而带正电，成为氧浓差 电池的正极或阳极。I=jw这些氧离子进入电解质后，通过晶体中的空 穴向前运动到达右侧的铂电极，在电池的P1侧 发生氧化反应，氧离子

6、在伯电极上释放电子并结 合成氧分子析出，即：202- - 4e 02（P1）P1侧铂电极由于大量得到电子而带负电，成 为氧浓差电池的负极或阴极。这样在两个电极上，由于正负电荷的堆积而形 成一个电势，称之为氧浓差电动势。当用导线将 两个电极连成电路时，负极上的电子就会通过外 电路流到正极，再供给氧分子形成离子，电路中 就有电流通过。氧浓差电动势的大小，与氧化锆 固体电解质两侧气体中的氧浓度有关。氧化锆氧传感器工作原理在氧化锆电解质（Zr02管）的两侧面分别烧结 上多孔铂（Pt）电极，测量电池本体分为3层: 铂（电极）一氧化锆（电解质 f （电极）。伯电极是 多孔性的。烟道气体通过过滤器或校验气体

7、通过传导管进入测量电池被测气体一侧，而另一侧为l=j传导管进入测量电池被测气体一侧，而另一侧为l=j参比空气（含氧2060%）。两种含氧浓度不同的气体作用在测量电池，便 产生一个以对数为规律的电势（两侧的氧浓度差 愈大，电势信号愈大）。亳伏信号经氧分析仪转换 成010mA或420mA标准电流。此电流由 氧分析仪接线端子输出。测量电池的工作温度设置为高于650C的恒定 温度，为了保持工作温度恒定，用一支K测量电池的工作温度设置为高于650C的恒定 温度，为了保持工作温度恒定，用一支K型热电 偶测量电池的工作温度，经氧分析仪内的温度控 制器调节加热器的加热电压。IIIIIIl=JwIII氧化错氧情

8、感器示意囹当测量烟气温度高于700C时，传感器组成中 省去加热器和测温热电偶。在理想状态下，当被测烟气与参比气浓度一样 时，其输出电势E值为0 mV,但在实际应用 中，错管实际条件和现场情况均不是理想状态。 故事实上的锆管是偏离此值的。实际上，一定氧U TO 曰 4BU 口4 口 U PR 七匕 VQ hP力 口 J1 ，我们称为无浓差条件下错管输出的电势值为本 底电势或称为零位电势，此值的大小又在不同温 度下呈不同的值，并且随锆管使用期延长而变 化。因此，如不对此情况处理，会严重影响整 套测氧仪的准确和探头寿命。校正用气体入口广祺气空氏人口ZKMlgl测定气你玄用邃晓r沽岑、m校正用气体入口

9、广祺气空氏人口ZKMlgl测定气你玄用邃晓r沽岑、m燃器电毓L匿知如二FA垂电爆推点输出&点g一（上下叫竺报、华MST T独中梭气中波T t朴常新茬砂技正开始 羟劫摸气笔】酰测器：KFK日型I iTifi氧化错氧量分析仪的构成是由氧传感器（又称 氧探头、氧检测器）、氧分析仪（又称变送器、 变送单元、转换器、分析仪）以及防尘装置、热电偶、加热器、标准气体导管、接线盒以及外壳 壳体等组成。防尘装置由防尘罩和过滤器组成，能防止烟气 中的灰尘进入氧化锆锆管内部，使锆管元件免受 污染，并能起到缓冲气样作用。氧化锆管元件是氧探头的核心部件，由它产生 氧浓差电势信号。氧化锆管是陶瓷类金属氧化 物，使用时必须

10、避免剧烈震动，以免损坏锆管元 件。热电偶是探头内置加热器恒温控制之用，也是 测量锅炉、窑炉烟道中被测气体的温度的元件， 为氧量计算提供一个温度信号。加热器的作用是提供氧化锆固体电解质元件正 常工作所需的温度，从而使其在低于600C的被 测烟气环境中也能正常工作。IIIIII来自氧探头的氧电势信号、热偶温度信号经放 大送A/D转换电路，与校正系数一起进行数据 处理，即可得出氧含量的百分含量。同时，系统 可实行氧电势、探头温度、校正系数值的显示， 并对锆管的加热电炉进行恒温控制，且辅以断IIIIII偶、超温保护、热偶反接保护，确保系统可靠工 作。按检测方式的不同，氧化锆氧探头分为两大类: 采样检测

11、式氧探头及直插式氧探头。采样检测式氧探头III采样检测方式是通过导引管，将被测气体导入 氧化锆检测室，再通过加热元件把氧化锆加热到 工作温度(750C以上)。氧化锆一般采用管状， 电极采用多孔铂电极。其优点是不受检测气体温 度的影响，通过采用不同的导流管可以检测各种 温度气体中的氧含量，这种灵活性被运用在许多 工业在线检测上。其缺点是反应时间慢；结构复 杂，容易影响检测精度；在被检测气体杂质较多 时，采样管容易堵塞；多孔铂电极容易受到气体 中的硫，砷等的腐蚀以及细小粉尘的堵塞而失 效；加热器一般用电炉丝加热，寿命不长。IIIIII在被检测气体温度较低(0C650c)，或被 测气体较清洁时，适宜采样式检测方式，如制氮 机测氧，实验室测氧等。III直插检测式氧探头直插式检测是将氧化锆直接插入高温被测气l=JIII体，直接检测气体中的氧含量，这种检测方式适 宜被检测气体温度在700C1150C时（特殊结 构还可以用于1400C的高温），它利用被测气 体的高温使氧化错达到工作温度，不需另外用加 热器。直插式氧探头的技术关键是陶瓷材料的高 温密封和电极问题。l=JIIIl=J由于需要将氧化错直接插入检测气体中，对氧 探头的长度有较高要求，其有效长度在 500mm1000mm左右，特殊的环境长度可达 1500mm。且检测精度，工作稳定性和使用寿命 都有