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．
氧化锆氧量分析仪的工作原理主要有斜锆(ZrO2)自然界的氧化锆矿物原料，
颜色有锆英石系火成岩深层矿物，石和锆英石。

，7.5淡黄、棕黄、黄绿等，比重4.6-4.7，硬度纯的氧化锆是一种高级耐具有强烈的金属光泽。

℃。

2900火原料，其熔融温度约为
纯净的氧化锆是白色固体，含有杂质时会显
现
添加显色剂还可显示各种其它颜灰色或淡
黄色，，理论密度是色。

纯氧化锆的分子量为123.22℃。

氧化锆有三种晶，熔点为27155.89g/cm3体形态：单斜、四方、立方晶相。

常温下氧化锆℃左右转变为四只以单斜相出现，加热到1100由于在加热到更高温度会转化为立方相。

方相，单斜相向四方相转变的时候会产生较大的体积冷却的时
候又会向相反的方向发生较大的变化，限制了纯氧化体积变化，容易造成产品的开裂，四但是添加稳定剂以后，锆在高温领域的应用。

因此在加热以后不会发方相可以在常温下稳定，生体积的突变，大大拓展了氧化锆的应用范围。

高韧性，高强度，由于氧化锆材料具有高硬度，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。

）发现稳定氧化锆在1989年能斯特（Nernst从此氧化锆成为研高温下呈现的
离子导电现象。

它已在究和开发应用最普遍的一种固体电解质，高温技术，特别是高温测试技术上得到广泛应如磁氧分析器、(用。

由于氧探头与现有测氧仪表相比，具有结)电化学式氧量计、气象色谱仪等，测量范围宽(0.1s构简单，响应时间短～0.2s)℃～(从ppm，使用温度高(600到百分含量)，运行可靠，安装方便，维护量小等优)1200℃点，因此在冶金、化工、电力、陶瓷、汽车、环来自海洋兴业仪保等工业部门得到广泛的
应用。

器。

氧化锆氧探头的测氧原理
电解质溶液靠离子导电，氧化锆的导电机理：具有离子导电性质的固体物质称为固体电解质。

．
靠空穴使离子运动固体电解质是离子晶体
结构，型半导体空穴导电的机理相似。

导电，与P
掺杂一定比例的低不导电，（纯氧化锆ZrO2）
）、氧CaO2价金属物作为稳定剂，如氧化钙（），就具有高温）、氧化钇（化镁（MgOY2O3导电性，成为氧化锆固体电解质。

氧化锆就会具有很高的为什么加入稳定剂后，
离子导电性呢？
混合这是因为，掺有少量CaO2 的ZrO2物，在结晶过程中，钙离子进入立方晶体中，置价，而钙离子是换了锆离子。

由于锆离子是+4价，一个钙离子进入晶体，只带入了一个氧+2离子，而被置换出来的锆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。

这样的氧
CaO2ZrO2例如：（）0.85 （）0.15、氧化钙的摩化锆（氧化锆的摩尔分数为85%的摩尔分数的。

5%715%尔分数是），则具有是成了一种良好的氧离子固体电解氧离子空穴，质。

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，如果电池左侧通入参比气就构成了氧浓差电池，；电池右侧通入被p0体（空气），
其氧分压为（未知）。

测气体，其氧分压为p1
℃），氧就p0 > p1 设，在高温下（650…850侧扩散，会从分压大的p0一侧向分压小的p1P1这种扩散，侧到不是氧分子透过氧化锆从P0通过氧化锆的而是氧分子离解成氧离子后，侧，过程。

℃左右的高温中，在铂电极的催化作用750 在侧发生还原反应，一个氧分子P0下，在电池的．
）（O2-从铂电极取得4个电子，变成两个氧离子侧- P0P0（）+ 4e →2O2进入电解质，即：O2成为氧浓差铂电极由于大量给出电子而带正电，
电池的正极或阳极。

这些氧离子进入电解质后，通过晶体中的空
侧穴向前运动到达右侧的铂电极，在电池的P1氧离子在铂电极上释放电子并结发生氧化反应，）合成氧分子析出，即：2O2-- 4e →O2（P1
侧铂电极由于大量得到电子而带负电，成
P1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
当用导线将称之为氧浓差电动势。

成一个电势，负极上的电子就会通过外两个电极连成电路时，电路中电路流到正极，再供给氧分子形成离子，与氧化锆就有电流通过。

氧浓差电动势的大小，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的两侧面分别烧结(ZrO2管)在氧化锆电解质
层：）电极，测量电池本体分为3Pt上多孔铂（。

铂电极是)()─()─(铂电极氧化锆电解质铂电极烟道气体通过过滤器或校验气体
通过多孔性的。

．
而另一侧为传导管进入测量电池被测气体
一侧，20.60。

％)参比空气(含氧
便两种含氧浓度不同的气体作用在测量电池，
两侧的氧浓度差(产生一个以对数为规律的电势毫伏信号经氧分析仪转换)。

电势信号愈大愈大,
标准电流。

此电流由20mA10mA成0—或4－氧分析仪接线端子输出。

℃的恒定650 测量电池的工作温度设置为
高于为了保持工作温度恒定，用一支Ｋ型热电, 温度经氧分析仪内的温度控偶测量电池的工作温度，制器调节加热器的加热电压。

传感器组成中700 当测量烟气温度高于℃时，省去加热器和测温热电偶。

当被测烟气与参比气浓度一样在理想状
态下，但在实际应用0 mV, E其输出电势值为时，中，锆管实际条件和现场情况均
不是理想状态。

一定氧故事实上的锆管是偏离此值的。

实际上，含量锆管输出的电势为理论值和本底电势的和，我们称为无浓差条件下锆管输出的电势值为本此值的大小又在不同温底电势或称为零位电势，并且随锆管使用期延长而变度下呈不同的值，如不对此情况处理，会严重影响整因此，化。

套测氧仪的准确和探头寿命。

氧化锆氧量分析仪的结构及种类
又称( 氧化锆氧量分析仪的构成是由氧传感器、氧分析仪（又称变送器、氧探头、氧检测器)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
使锆管元件免受中的灰尘进入氧化锆锆管内部，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以免损坏锆管元使用时必须避免剧烈震
动，物，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
℃的被常工作所需的温度，从而使其在低于600测烟气环境中也能正常工作。

来自氧探头的氧电势信号、热偶温度信号经放
转换电路，与校正系数一起进行数据大送A/D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
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：
采样检测式氧探头及直插式氧探头。

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
再通过加热元件把氧化锆加热到氧化锆检测室，氧化锆一般采用管状，工作温度。

℃
以上）（750其优点是不受检测气体温电极采用多孔铂电极。

通过采用不同的导流管可以检测各种度的影响，这种灵活性被运用在许多温度气体中的氧含量，结构复工业在线检测上。

其缺点是反应时间慢；在被检测气体杂质较多杂，容易影响检测精度；多孔铂电极容易受到气体时，采样管容易堵塞；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。

℃），或被在被检测气体温度较低（0℃～650 如制氮测气体较清洁时，适宜采样式检测方式，机测氧，实验室测氧等。

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
这种检测方式适体，直接检测气体中的氧含量，（特殊结℃～宜被检测气体温度在7001150℃时
℃的高温），它利用被测气构还可以用于1400不需另外用加体的高温使氧化锆达到
工作温度，直插式氧探头的技术关键是陶瓷材料的高热器。

温密封和电极问题。

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，其有效长度在左右，
特殊的环境长度可达～500mm1000mm工作稳定性和使用寿命。

且检测精度，
1500mm因此直插式氧探头很难采用传都
有很高的要求，而多采统氧化锆氧探头的整体氧化锆管状结构，取技术要求较高的氧化锆和氧化铝管连接的结密封性能是这种氧
化锆氧探头的最关键技术构。

是将氧化目前国际上最先进的连接方式，之一。

其密封性能极锆与氧化铝管永久的焊接在一起，直插式检测有显而易佳，与采样式检测方式比，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。