氧化锆工作原理

氧化锆氧量分析仪工作原理及维护使用：

一、前言

1989年能斯特（Nernst）发现稳定氧化锆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(0.1s～0.2s)，测量范围宽(从ppm到百分含量)，使用温度高(600℃～1200℃)，运行可靠，安装方便，维护量小等优点，因此在冶金、化工、电力、陶瓷、汽车、环保等工业部门得到广泛的应用。

二、氧探头的测氧原理

在氧化锆电解质(ZrO2管)的两侧面分别烧结上多孔铂（Pt）电极，在一定温度下，当电解质两侧氧浓度不同时，高浓度侧(空气)的氧分子被吸附在铂电极上与电子（4e）结合形成氧离子O2-，使该电极带正电，O2-离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧的Pt电极上放出电子，转化成氧分子，使该电极带负电。两个电极的反应式分别为：

参比侧：O2+4e——2O2-

测量侧：2O2-－4e——O2

这样在两个电极间便产生了一定的电动势，氧化锆电解质、

Pt电极及两侧不同氧浓度的气体组成氧探头即所谓氧化锆浓差电池。两级之间的电动势E由能斯特公式求得：可E= (1)

式中，EmV―浓差电池输出，

n 4―电子转移数，在此为

R理想气体常数，8.314 W·S／mol —

T （K）F96500 C;PP1——待测气体氧浓度百分数0——参比气体氧浓度百分数—法拉第常数，—绝对温度

该分式是氧探头测氧的基础，当氧化锆管处的温度被加热到600℃～1400℃时，高浓度侧气体用已知氧浓度的气体作为参比气，如用空气，则P，将此值及公式中的常数项合并，又实际氧化锆电池存在温差电势、接触电势、参比电势、极化电势，从而产生本地电势CmV）实际计算公式为：（0 =20.6% EmV）=0.0496Tln（0.2095/P1）±CmV）（（

C本地电势(新镐头通常为±1mV) =

可见，如能测出氧探头的输出电动势E和被测气体的绝对温度T，即可算出被测气体的氧分压（浓度）P1 ，这就是氧化锆氧探头的基本检测原理。

三、氧化锆氧探头的结构类型及工作原理

按检测方式的不同，氧化锆氧探头分为两大类：采样检测式氧探头及直插式氧探头。

1、采样检测式氧探头

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（750℃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。

在被检测气体温度较低（0℃～650℃），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。

2、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700℃～1150℃时（特殊结构还可以用于1400℃的高温），它利用被测气体的高温使氧化锆达到工作温度，不需另外用加热器（如图3）。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。以下列举了两种直插式氧探头的结构形式。

（1）整体氧化锆管

该形式是从采样检测方式中采用的氧化锆管的形式上发展起来的，就是将原来的氧化锆管加长，使氧化锆可以直接伸到高温被测气体中。这种结构无需考虑高温密封问题。

（2）直插式氧化锆氧探头

由于需要将氧化锆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500mm～1000mm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很高的要求，因此直插式氧探头很难采用传统氧化锆氧探头的整体氧化锆管状结构，而多采取技术要求较高的氧化锆和氧化铝管连接的结构。密封性能是这种氧化锆氧探头的最关键技术之一。目前国际上最先进的连接方式，是将氧化锆与氧化铝管永久的焊接在一起，其密封性能极佳，与采样式检测方式比，直插式检测有显而易见的优点：氧化锆直接接触气体，检测精度高，反应速度快，维护量较小。

四、氧探头的工业应用

1、在工业锅炉、加热炉上的应用

氧探头使用时，引入被测气体的方式有直插式和采样检测式两种。直插式响应时间短，不需要加热器，结构简单，小型轻便，但要求同时检测被测气体的温度。采样检测式由于氧探头的温度由加热器控制，因此测量精度高，工作可靠，但响应时间取决于气体的流量。

直插式氧分析器已广泛应用在锅炉和加热炉的烟气含氧量的测定（如图4），作此用途的氧探头多采用管状结构，此管可以两端开口，也可以单端开口，目前市场出现最多的是后一种。ZrO2管内外壁上涂有多孔Pt电极，由内外电极分别向管端引伸并在端部接出Ni Cr丝作信号输出用，从而控制燃烧系统实现低氧燃烧，达到降低热能损失，节约能源的目的。

五、氧传感器的安装

合理的安装是保证氧传感器可靠运行的关键，许多使用问题均由于氧传感器安装不当造成的，

1、采样测量点

确定测量点是首要的工作，它应遵循如下几项原则：（1）选择的测量点要求能正确反映所检测的炉内气体，以保证氧传感器输出信号的真实性，尽量避开回风死角；

（2）测量点不可太靠近燃烧点或喷头等部位，这些部位的气体处于剧烈反应中，会造成氧传感器检测值剧烈波动失真；也不要过于靠近风机等产气设备，以免电机的震动冲刷损坏传感器；

（3）避免放在可能碰撞的位置，以免碰撞损坏探头，保证传感器的安全；

2、氧传感器的安装、连接方式

（1）氧探头的安装可采用水平或垂直方式，其中垂直安