氧化锆氧量分析仪
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氧化锆氧量计
氧化锆氧量计
一、测量原理 氧化锆使用周期长（一年到两年），几乎没有延时，测量时仅受温度 影响，容易克服，而且仪表 本身输出电信号，精度比较高。现在加热 炉几结合而成。 纯净的氧化锆是不能进行氧量测量的，真正用于测量氧量的是在氧化 锆中加入氧化钙（一氧化钙），这样就可以进行氧量测量。
p1
p2 ＞ p 1
图 6— 1
氧浓差电池原理
氧化锆氧量计
氧浓差电池两侧分别为含氧浓度不同的两种气体。氧分子首先扩散到铂电
极表面吸附层内，高温下（650OC-850OC)在多孔铂电极的催化下,在电池 的P2发生还原反应，一个氧分子从铂电极得到4个电子变成两个氧离子 （O2-然后扩散到固体电解质界面上。 这时在电极1上（阳极——进行还原反应的电极）产生下列反应：
烟道炉墙 电炉丝加热装 置 氧 化 锆 管 内 烟 气 流 动 方 向 空 气 流 动 隔 离 板
烟 气 流 动 方 向
氧化锆测 量管 热电偶
新鲜空气流 动方向
新鲜空气导管
氧量计外壳
烟道炉墙
参比气入口
标 准 气 入 口
1—氧化锆管；2—内外铂电极；3—电极引出线；4—热电偶；5— 氧化铝管；6—加热炉丝；7—陶瓷过滤器
氧化锆氧量计
如果被分析气体和参比气体的总压 如果被分析气体和参比气体的总压力均为，则可写成
p2 / p RT E ln nF p1 / p 由上式可知，当氧 由于在混合气体中，某气体组分的分压力与总压力之比等 浓差电池工作温度T 由于在混合气体中，某气体组分的分压力与总压力之比等于该组分 一定，以及参比气 ，某气体组分的分压力与总压力之比等于该组分的体积浓度，即 的体积浓度，即 1 体的氧浓度一定时， p1 / p ， 2 p 电池产生的氧浓差 1 p1 / p ， 2 p 2 / p 电势与被测气体的 含氧浓度（即含氧 以（6— 2 ）式可写为 则 量）成单值函数关
O2 4e 2O 2
（还原反应）
P2侧铂电极由于大量给出自由电子而带正电，成为氧浓差电池的 正极。
氧化锆氧量计
这些氧离子进入电解质后，通过晶体中空穴向前运动到 达右侧的铂电极的P1侧，到达 P1后，在电极上（ 进行氧化 反应的电极）将产生下列反应：（释放出大量电子）
2O 2 O2 4e
氧化锆氧量计
氧化锆(ZrO2)是一种固体电解质，具有离子导电特性。在常温 下ZrO2是单斜晶体，当温度升高到1150℃时，晶体发生相变，由单 斜晶体变为立方晶体，同时有不到十分之一的体积收缩。当温度下降 时，又会发生反方向的相变而成为单斜晶体，因此氧化锆晶体是不稳 定的。但在加入一定数量的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y2O3）等其 它三价稀土氧化物，并经过高温焙烧后，便形成稳定的莹石形立方晶 体结构，其晶形不再随温度而变化。而+2价的钙离子（Ca2+）或 +3价的钇离子（Y3+）在进入ZrO2晶体后会置换出+4价的锆离子 （Zr4+），从而在晶体中生成氧离子空穴，此空穴带正二价电荷，便成为一种良好的氧离子导体，处于晶格点阵 上的氧离子就可以通过晶格中的氧离子空穴而迁移。
氧化锆氧量计
氧离子空穴形成示意图
氧化锆氧量计
氧化锆测量含氧量的基本原理是利用所谓的“氧浓差电势”，即在一 块氧化锆两侧分别附以多孔的铂电极(又称“铂黑”)，并使其处于高 温下。如果两侧气体中的含氧量不同，那么在两电极间就会出现电动 势。此电动势是由于固体电解质两侧气体的含氧浓度不同而产生的， 故叫氧浓差电势，这样的装置叫做氧浓差电池。
需对电极的工 作温度进行控 制
氧化锆氧量计
二、氧化锆传感器结构
氧化锆传感器也称氧化锆探头，带恒温装置的氧化锆传感
器结构示意图。
一般使用时，氧化锆管内部通入参比气体——空气，外部 则流过被经陶瓷过滤器过滤过的被测气体——烟气。陶瓷 过滤器主要用来滤除烟气中的杂质颗粒（如烟尘、炭粉等） 并可对信号起阻尼作用，防止指针抖动。
氧化锆氧量计
氧化锆氧量计维护中注意的问题
END
（氧化反应）
这样在P1侧电极上产生了电荷的积累而带负电，成为氧浓 差电池的负极。从而在两极板间建立了电场，此电场将阻止 这种迁移的进一步进行，直至达到动态平衡状态，此时在两 极板间形成电势。当用导线将两个电极连成回路时负极上的 电子就会通过外电路回到正极，再供给氧分子形成氧离子电
路中就有电流通过。
氧化锆氧量计
RT
ln
2
RT 2 ln E nF 1
系。通过测量氧浓 差电势E就可以得到 被测气体的含氧量。
（6—3）
氧化锆氧量计
由于空气的含氧量为20.8%，且成本低廉，所以在分析炉烟中的 含氧量时，一般常用空气作为参比气体。下图是以空气作为参比气体 的情况下，不同温度下，氧浓差电势与被测气体的含氧量之间的关系。
氧浓差电势的大小可由能斯特（Nerenst）公式计算得出：
RT p 2 ln E nF p1
式中 E ——氧浓差电势（V）； R——理想气体常数，为8.314 J／（mol· K）； F——法拉弟常数，为96487C／mol； T——热力学温度（K）； n——一个氧分子输送的电子个数，=4； P1——被分析气体（如烟气）的氧分压； P0——参比气体（如空气）的氧分压。
氧化锆氧量计
一、测量原理 氧化锆使用周期长（一年到两年），几乎没有延时，测量时仅受温度 影响，容易克服，而且仪表 本身输出电信号，精度比较高。现在加热 炉几结合而成。 纯净的氧化锆是不能进行氧量测量的，真正用于测量氧量的是在氧化 锆中加入氧化钙（一氧化钙），这样就可以进行氧量测量。
p1
p2 ＞ p 1
图 6— 1
氧浓差电池原理
氧化锆氧量计
氧浓差电池两侧分别为含氧浓度不同的两种气体。氧分子首先扩散到铂电
极表面吸附层内，高温下（650OC-850OC)在多孔铂电极的催化下,在电池 的P2发生还原反应，一个氧分子从铂电极得到4个电子变成两个氧离子 （O2-然后扩散到固体电解质界面上。 这时在电极1上（阳极——进行还原反应的电极）产生下列反应：
烟道炉墙 电炉丝加热装 置 氧 化 锆 管 内 烟 气 流 动 方 向 空 气 流 动 隔 离 板
烟 气 流 动 方 向
氧化锆测 量管 热电偶
新鲜空气流 动方向
新鲜空气导管
氧量计外壳
烟道炉墙
参比气入口
标 准 气 入 口
1—氧化锆管；2—内外铂电极；3—电极引出线；4—热电偶；5— 氧化铝管；6—加热炉丝；7—陶瓷过滤器
氧化锆氧量计
如果被分析气体和参比气体的总压 如果被分析气体和参比气体的总压力均为，则可写成
p2 / p RT E ln nF p1 / p 由上式可知，当氧 由于在混合气体中，某气体组分的分压力与总压力之比等 浓差电池工作温度T 由于在混合气体中，某气体组分的分压力与总压力之比等于该组分 一定，以及参比气 ，某气体组分的分压力与总压力之比等于该组分的体积浓度，即 的体积浓度，即 1 体的氧浓度一定时， p1 / p ， 2 p 电池产生的氧浓差 1 p1 / p ， 2 p 2 / p 电势与被测气体的 含氧浓度（即含氧 以（6— 2 ）式可写为 则 量）成单值函数关
O2 4e 2O 2
（还原反应）
P2侧铂电极由于大量给出自由电子而带正电，成为氧浓差电池的 正极。
氧化锆氧量计
这些氧离子进入电解质后，通过晶体中空穴向前运动到 达右侧的铂电极的P1侧，到达 P1后，在电极上（ 进行氧化 反应的电极）将产生下列反应：（释放出大量电子）
2O 2 O2 4e
氧化锆氧量计
氧化锆(ZrO2)是一种固体电解质，具有离子导电特性。在常温 下ZrO2是单斜晶体，当温度升高到1150℃时，晶体发生相变，由单 斜晶体变为立方晶体，同时有不到十分之一的体积收缩。当温度下降 时，又会发生反方向的相变而成为单斜晶体，因此氧化锆晶体是不稳 定的。但在加入一定数量的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y2O3）等其 它三价稀土氧化物，并经过高温焙烧后，便形成稳定的莹石形立方晶 体结构，其晶形不再随温度而变化。而+2价的钙离子（Ca2+）或 +3价的钇离子（Y3+）在进入ZrO2晶体后会置换出+4价的锆离子 （Zr4+），从而在晶体中生成氧离子空穴，此空穴带正二价电荷，便成为一种良好的氧离子导体，处于晶格点阵 上的氧离子就可以通过晶格中的氧离子空穴而迁移。
氧化锆氧量计
氧离子空穴形成示意图
氧化锆氧量计
氧化锆测量含氧量的基本原理是利用所谓的“氧浓差电势”，即在一 块氧化锆两侧分别附以多孔的铂电极(又称“铂黑”)，并使其处于高 温下。如果两侧气体中的含氧量不同，那么在两电极间就会出现电动 势。此电动势是由于固体电解质两侧气体的含氧浓度不同而产生的， 故叫氧浓差电势，这样的装置叫做氧浓差电池。
需对电极的工 作温度进行控 制
氧化锆氧量计
二、氧化锆传感器结构
氧化锆传感器也称氧化锆探头，带恒温装置的氧化锆传感
器结构示意图。
一般使用时，氧化锆管内部通入参比气体——空气，外部 则流过被经陶瓷过滤器过滤过的被测气体——烟气。陶瓷 过滤器主要用来滤除烟气中的杂质颗粒（如烟尘、炭粉等） 并可对信号起阻尼作用，防止指针抖动。
氧化锆氧量计
氧化锆氧量计维护中注意的问题
END
（氧化反应）
这样在P1侧电极上产生了电荷的积累而带负电，成为氧浓 差电池的负极。从而在两极板间建立了电场，此电场将阻止 这种迁移的进一步进行，直至达到动态平衡状态，此时在两 极板间形成电势。当用导线将两个电极连成回路时负极上的 电子就会通过外电路回到正极，再供给氧分子形成氧离子电
路中就有电流通过。
氧化锆氧量计
RT
ln
2
RT 2 ln E nF 1
系。通过测量氧浓 差电势E就可以得到 被测气体的含氧量。
（6—3）
氧化锆氧量计
由于空气的含氧量为20.8%，且成本低廉，所以在分析炉烟中的 含氧量时，一般常用空气作为参比气体。下图是以空气作为参比气体 的情况下，不同温度下，氧浓差电势与被测气体的含氧量之间的关系。
氧浓差电势的大小可由能斯特（Nerenst）公式计算得出：
RT p 2 ln E nF p1
式中 E ——氧浓差电势（V）； R——理想气体常数，为8.314 J／（mol· K）； F——法拉弟常数，为96487C／mol； T——热力学温度（K）； n——一个氧分子输送的电子个数，=4； P1——被分析气体（如烟气）的氧分压； P0——参比气体（如空气）的氧分压。