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氧化锆氧传感器原理及应用摘要：氧探头是利用氧化锆陶瓷敏感元件来测量各类应用环境下的氧含量的，通过它以求实现工业加热炉燃烧过程自动控制，以及热处理可控气氛炉对零件的质量控制。
关键词：氧化锆氧传感器，氧传感器，测氧原理，传感器一、序言人们早就知道，某些固体氧化物、卤化物、硫化物等具有离子导电性能，其中最著名的是1989年Nernst发现的稳定氧化锆在高温下呈现的离子导电现象。
在此后的一段时期内，尽管人们对这种具有离子导电性能的物质——固体电解质进行了种种研究，但始终进展不大。
直到1957年，K.kiukkala和C.Wagner首次用固体电解质组装原电池并从理论上阐明其原理以后，这方面的研究和应用才得以迅速发展。
在所有固体电解质，氧化锆是目前研究和开发应用得最普遍的一种。
它不仅用来作高温化学平衡，热力学和动力学研究，而且已在高温技术，特别是高温测试技术上得到广泛应用。
氧探头这种以氧化锆固体电解质为敏感元件，用以测定氧浓度的装置就是一个典型的例子。
1961年，J.Weissbart和R.Ruka研制成功的第一个氧化锆浓差电池测氧仪。
七十年代初出现商业用氧化锆氧探头以后，引起科学界和工业界的普遍重视，特别是西德、日本、美国等国都进行了深入的研究和产品开发工作。
到七十年代中期，氧探头的理论和实践已趋成熟，开发出了多种结构形式的氧探头。
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(0.1-0.2秒)，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、氧传感器测氧原理氧探头是利用氧化锆陶瓷敏感元件来测量各类应用环境下的氧含量的，通过它以求实现工业加热炉燃烧过程自动控制，以及热处理可控气氛炉对零件的质量控制。
下面介绍氧化锆陶瓷是如何来完成测氧功能的。
氧化锆测氧工作原理SK-系列氧化锆氧量分析仪氧化锆探头是利用氧化锆浓差电势来测定氧含量的传感器，其核心的氧化锆管安置在一微型电炉内，位于整个探头的顶端。
氧化锆管是由氧化锆材料掺以一定量的氧化钇或氧化钙经高温烧结后形成的稳定的氧化锆陶瓷烧结体。
由于它的立方晶格中含有氧离子空穴，因此在高温下它是良好的氧离子导体。
因其这一特性，在一定高温下，当锆管两边的氧含量不同时，它便是一个典型的氧浓差电池，在此电池中，空气是参比气，它与烟气分别位于内外电极。
在实际的氧探头中，空气流经外电极，烟气流经内电极，当烟气氧含量P小于空气氧含量P0（%O2）时，空气中的氧分子从外电极上夺取4个电子形成2个氧离子，发生如下电极反应：O（P0）+4e-→2O-2氧离子在氧化锆管中迅速迁移到烟气边，在内电极上发生相反的电极反应：2O-2 →O（P0）+4e-由于氧浓差导致氧离子从空气边迁移到烟气边，因而产生的电势又导致氧离子从烟气边反向迁移到空气边，当这两种迁移达到平衡后，便在两电极间产生一个与氧浓差有关的电势信号E,该电势信号符合"能斯特"方程：E=(RT/4F)Ln(P0 /P) (1)式中R、F分别是气体常数和法拉第常数，T是锆管绝对温度（K）, P0是空气氧含量（%O2）, P 是烟气含量。
由（1）式可见，在一定的高温条件下（一般）600℃），一定的烟气氧含量便会有一对应的电势输出，在理想状态下，其电势值在高温区域内对应氧含量。
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，锆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。
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。
氧化锆传感器工作原理
氧化锆传感器是一种常用于气体检测中的传感器，它主要用于检测氧气浓度。
其工作原理是基于氧气与氧化锆之间的化学反应。
氧化锆传感器通常由两个氧气电极和一个氧离子传导固体电解质组成。
其中一个电极是一个可透氧但不透电的氧排除电极，另一个电极是一个可以允许氧气通过的氧灵敏电极。
这两个电极之间的传导固体电解质是氧离子导体。
在工作过程中，氧气首先进入氧灵敏电极中。
当氧气与传感器内部的氧离子传导固体电解质接触时，氧气会在氧灵敏电极表面催化还原，释放出氧离子。
这些氧离子会在固体电解质中向另一个氧排除电极移动。
氧排除电极上的电压通常会保持一个常数，当氧离子从氧灵敏电极传导到氧排除电极时，它们会再次与氧气反应，并使氧气重新生成。
这个过程是可逆的，并且反应速率与氧气浓度成正比。
因此，通过测量氧灵敏电极和氧排除电极之间的电流变化，可以确定氧气的浓度。
一般来说，电流的变化与氧气浓度呈线性关系，可以通过校准和对比实际测量值来确定具体的氧气浓度。
总结来说，氧化锆传感器的工作原理是利用氧气与氧化锆之间的化学反应，通过测量电流变化来确定氧气浓度。
氧化锆式氧传感器工作原理
氧化锆式氧传感器是利用氧化锆陶瓷片作为敏感元件的一种传感器，它是目前在汽车上使用最多的一种氧传感器。
氧化锆式氧传感器由两部分组成：一个是敏感元件（陶瓷片）；另一个是补偿元件（电桥）。
在电桥中，补偿元件主要起到限制输出电流的作用，而敏感元件则起到控制输出电压的作用。
当发动机处于工作状态时，燃烧状况不均匀，燃料和空气的混合气过浓或过稀时，会引起进气歧管内的空燃比过浓或过稀，导致混合气燃烧不完全，使发动机废气排出量增加，导致发动机尾气中含氧量下降。
此时应检测进气歧管内的空燃比并及时调整混合气浓度。
氧传感器是测量排气中氧气含量的器件。
其基本结构是：一根长为20~25mm的陶瓷管（或叫传感器芯）与一根长为6~8mm的铂丝（或铂丝绕成螺旋状）组成。
传感器芯与铂丝之间是绝缘介质。
当发动机处于工作状态时，传感器芯产生的信号电压经电桥转换成与发动机工作状况有关的信号电压；当发动机停止工作时，则输出与发动机工况无关的信号电压。
—— 1 —1 —。
ZO-401型氧化锆氧量分析仪说明书注意：用户使用仪器前，请仔细阅读本使用说明书！1．概述ZO-401系列氧化锆分析仪是由智能化分析仪和氧化锆氧量计（简称氧探头）组成。
该仪器的工作原理是基于电化学原理，检测元件是利用氧化锆（ZrO2）制成的固体电解质，其在高温下具有传导氧离子的特性，当固体电解质两侧存在氧浓度差时，即有一与浓度成一定关系的电势产生，对此电势作补偿计算，从而可准确反映氧量。
ZO-401系列氧分析仪采用单片机作核心，对氧探头进行炉温加热控制和数据处理，通过氧探头可对诸多工业炉窑烟气中的氧含量进行快速、准确、连续地检测，减少低氧燃烧造成的污染，确保生产过程的安全和经济性。
因此，氧化锆氧分析仪可广泛用于电力、化工、冶金、石油、轻工纺织领域中的燃烧控制，也可应用于电子元件、磁性材料等高温烧结的保护性气氛中的微量含氧分析。
采用单片机组成的智能化仪表，可以对氧探头送来的氧浓度电势、K型热偶电势进行测量比较，用“能斯特”公式实时地计算出烟气中的氧含量，并且在计算中引入双参数校正法，具有氧探头本底电势补偿功能，氧电势斜率修正，弥补了氧探头的离散性缺陷，延长了氧探头的使用寿命。
ZO-401氧分析仪具有氧百分浓度、氧化锆探头电势、热偶温度显示，并有本底电势补偿值、氧电势斜率系数修正值显示、隔离的4—20mA模拟量输出，且模拟量输出对应的氧百分比浓度可由面板操作设定，其日常维护十分方便。
2．工作原理2．1 传感器（氧探头）工作原理氧化钇稳定的氧化锆材料是一种高性能的氧离子导体，氧化锆管内外侧涂以多孔铂电极，在高温（>600℃）时，当氧化锆管内外两侧分别通以不同氧浓度的气体时，就形成氧浓差电池：（PO1）▌▏ZrO2▕▌（PO2）Pt Pt阴极：O2 + 4e = 2O2-阳极：2O2- = O2 + 4ePO1和PO2分别为参比气氧分压和被测气氧分压，氧浓差电池电动势E与氧分压的关系可用能斯特（Nernst）公式表示：E = （RT/4F）ln (PO1/ PO2)式中，R：理想气体常数（8.314J/mol•k）T：浓差电池工作温度（K）F：法拉第常数（96500J/V）PO1：参比气氧分压（通常以空气作为参比气，其浓度为20.60%）PO2 : 被测气氧分压通过测量氧浓差电池电动势E、温度，就可以计算出被测气体的氧浓度。
目录1 概述12 仪器测量原理13 仪器主要技术参数24 仪器简介34.1 仪器组成34.2 各局部简介34.2.1 探头简介34.2.2 变送器简介44.2.2.1 根本构造44.2.2.2 根本操作44.2.2.3 根本设置55 仪器检验56 仪器安装66.1 安装前的准备66.1.1 探头安装位置的选择66.1.2 炉体法兰的焊接76.1.3 现场布线76.2 安装76.2.1 变送器的安装76.2.2 探头的安装76.3 现场连线87 仪器校准87.1 校准前的准备87.2 校准方法88 仪器日常维护与常见故障排除错误!未定义书签。
8.1 仪器日常维护98.2 常见故障的分析与排除101 概述氧化锆氧分析仪主要用于测定锅炉烟气中的氧分压即氧气的体积百分数含量〔简称氧含量或氧量〕，对于保障锅炉运行平安、提高燃料燃烧效率及减少环境污染将起到重要作用。
其应用场所主要有：●火电厂锅炉；●炼油厂加热炉和输油管道加热炉；●冶炼厂加热炉和均热炉；●化工、轻纺、食品加工、制药、水泥和采暖等企业的工业锅炉。
燃料燃烧效率与空气过剩系数密切相关。
在燃烧过程中，当空气过剩系数太小即氧量缺乏时，由于燃料未充分燃烧而导致热效率降低，且排出的未完全燃烧气体也将对导致环境污染；而当空气过剩系数太大即氧量过多时，虽然能使燃料充分燃烧，但过剩空气带走的热量多，也导致热效率降低，同时过量氧气使烟气中硫化物和氮氧化物含量增大，同样导致环境污染。
因此，通过安装氧化锆氧分析仪，在线实时监测烟气中的氧含量，调节空气和燃料的最正确配比，实现优化燃烧，在节能减排与平安环保等方面具有重要意义。
中国原子能科学研究院始建于1950年，是中国核科学技术的发祥地，是以核科学为主、多学科并存的综合性大型科研基地，是我国"两弹一艇〞事业的摇篮。
氧化锆开发研究室是院下属的集科研、产品开发和市场营销为一体的综合性实体，从事氧化锆测氧技术的研究已30余年，编写了国内本行业第一本专著："氧离子固体电解质浓差电池与测氧技术"。
1.6.3.6 分析仪表检查及常见故障处理第一节氧化锆分析1.概述：氧化锆氧含量分析仪用于连续测量工业锅炉、加热炉、裂解炉等燃烧排放气体中的氧含量，通过对燃烧过程的监测和控制，从而达到节能、减少环境污染和延长炉龄的目的。
本指南以兰炼Fuji氧化锆分析仪为例说明，其他同类型仪表可参照使用。
本节包含了氧化锆分析仪的维护与检查、常见故障处理等。
适用于石油和化工行业在日常工作中氧化锆分析仪的维护及保运。
1.1氧化锆分析仪工作原理：仪器所使用的氧化锆材料是一种氧化锆固体电解质，是在纯氧化锆中掺入氧化钇或氧化钙，在高温上烧结成的稳定氧化锆。
在600℃以上高温条件下，它是氧离子的良好导体，一般做成管状。
如果在氧化锆管内外涂制铂电极，用电炉对氧化锆管加热，使其内外壁接触氧分压不同的气体，氧化锆管就成为一个氧浓差电池，在两个铂电极上将发生如下反应：在空气侧（参比侧）电极上：O2+4e→2O2-在低氧侧（被测侧）电极上：2O2-→O2+4e即空气中一个氧分子夺取电极上四个电子而变成两个氧离子。
氧离子在氧浓差电势的驱动下，通过氧化锆管迁移到低氧侧电极上，留给该电极四个电子而复原为氧分子，电池处于平均状态时，两电极间电势值E恒定不变。
氧电势值E符合能斯特方程：E=(RT/4F)Ln(PA/Px)式中：R-气体常数n-4F-法拉第常数PX-被测气体氧浓度百分数PA-参比气氧浓度百分数，一般为20.6％。
这样，如果把氧化锆管加热至一大于600℃的稳定温度，在氧化锆管两侧分别流过被测气体和参比气体，则产生的电势与氧化锆管的工作温度和两侧的氧浓度有固定的关系。
如果知道参比气体的浓度，则可根据氧化锆管两侧的氧电势和氧化锆管的工作温度计算出被测气体的氧浓度。
本仪器的控制温度范围为600℃至800℃。
1.2技术指标：测量对象；工业锅炉或加热炉排放气体中的氧含量；测量方式：直接插入式氧化锆系统；测量范围：ZRM型：0-2%...50Vol%O2内可任意设定；重复性：最大输出信号的±0.5%线性: ZRM型:1.0%FS响应时间：小于7 秒;电源:100V、115V、220V或230VAC，50Hz或60Hz功率：约15+50VA普通型检测器稳定状态约15+200VA普通型检测器启动状态检测器ZFK安装在导流管上，法兰安装；电源：220V AC 50/60 HZ （由转换器提供）；被测气体压力： -3.0～+3.0KPa ；重量：1.6Kg（ZFK型,不包括导流管），防护等级：ZFK型:IP55 ；接触气体部分材质：普通型检测器(ZFK2): 氧化锆,SUS316耐腐型检测器(ZFK5): 氧化锆、铂、钛、SUS316；导流管：SUS304，SUS316，SUS310或GH747；导线管接口：G1/2；校验气体入口：Φ6mm聚丙烯软管Φ1/4″管铜接头；参比气入口（可选）：Rc1/8或NPT1/8；烟气过滤器：氧化铝，过滤精度 50μm ；响应时间：小于7 秒；被测气体温度：导流管系统：-20～600℃。
氧化锆烟气氧量分析仪通用性介绍一、概述氧化锆烟气氧量分析仪是近几十年发展起来的新型测氧器，因其具有结构简单、维护方便、反应速度快、测量范围广等特点，而广泛应用于电力、冶金、供暖、建材、电子等部门，分析各种工业锅炉及窑炉中烟气的氧含量，提高燃烧效率，节约能源，减少环境污染。
氧化锆氧量分析仪由转换器和检测器（俗称氧探头）组成，在检测器的核心元件氧化锆浓差电池上，采用了纳米材料和先进的生产工艺，在电极涂层上添加抑制电极老化的添加剂。
大大提高了氧化锆测量探头的精度和使用寿命。
检测器采用直插式探头结构，不需取样系统，能及时反映锅炉内燃烧状况，如与自控装置配合使用，可有效地控制燃烧状况。
转换器采用单片机智能化设计，汉字液晶显示，使数据显示、功能控制更具有人性化；可与各类型DCS数据接入设备连接。
使仪表的操作变的简单，容易掌握。
具有以下特点：1. 通用性较强，可以直接替换其它厂家氧量分析仪。
2. 大屏幕蓝底白字LCD显示。
3. 全中文操作菜单(出口产品可以提供英文菜单)。
4. 氧量量程0-２５％内自由设定（最低量程0-5%）。
5. 温度采用ＰＩＤ控温，恒温点７００℃和７５０℃（可现场选择）。
6. 可设置氧量上、下限报警指示，温度上、下限报警指示。
7. 本底电势一键校正。
8. 可用标准气在线校准。
9. 4-20mA标准电流输出与主电路光电隔离，可直接远传进入DCS系统。
10. 多种故障信息提示。
二、工作原理氧化锆是一种高温电解质浓差电池，在数百度的高温环境下，具有能产生氧离子迁移的导电性能，由于被测气体（烟气或其它气体）与参比气体（空气或其它气体）在氧化锆两侧铂电极的氧分压不同，在两极间有一定数量的氧离子迁移而产生了氧浓差电势，其电势值与氧浓度的关系，可以用能斯特（Nernst）公式来表示：E=RT/4F×LnP1/P2式中：E—氧浓差电势（V）R—理想气体常数（8.314J/moLK）T—绝对温度值（K）F—法拉第常数（96500c/moL）P1—参比气体分压（空气）P2—被测气体分压变送器把所测量出的数据，经单片机计算转换，将氧含量在液晶屏上显示出来，同时转换成电流信号供计算机或计录仪使用。
氧化锆传感器工作原理
氧化锆传感器是一种基于氧化锆材料的传感器，主要用于检测氧气浓度。
其工作原理基于氧化锆材料对氧气的氧离子传输特性。
氧化锆传感器内部通常包含一个气体敏感元件，该元件由氧化锆材料制成。
氧化锆材料在高温下能够与氧气发生反应，从而形成氧离子。
当氧气接触到氧化锆表面时，氧离子会通过氧离子传输机制在氧化锆晶体内传递。
传感器的工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 初始状态：在空气中，氧化锆表面的氧离子与大气中的氧气保持动态平衡，传感器输出信号为基线值。
2. 氧气浓度变化：当氧气浓度发生变化时，氧分子与氧化锆表面的氧离子发生反应，使得氧离子浓度发生变化。
3. 电势差生成：氧化锆传感器通常具备两个侧面，一个置于氧气环境中，另一个则为空气中。
由于氧化锆对氧气的氧离子传输能力不同，氧化锆传感器在两侧之间形成了电势差。
4. 电势差测量：通过测量两侧电势差的大小，可以间接测量氧气浓度的变化。
传感器一般配备电极和电路系统来测量和输出电势差，将其转换为可读取的数值信号。
综上所述，氧化锆传感器工作原理是基于氧化锆材料对氧气的
氧离子传输特性，通过测量氧化锆传感器两侧的电势差来间接测量氧气浓度的变化。
氧化锆分析仪工作原理------------------------------------------------------------------------------------------------氧化锆分析仪工作原理1、氧化锆工作原理及特性:氧化锆陶瓷是一种固体电介质,它具有离子导电性质,是测量装置中将烟气氧浓度转换成电信号的关键元件。
在一定温度下,氧化锆测量管内外两侧通以氧浓度的气体,例如内侧通空气,作为参比气体,外则通过被测烟气。
当内外两侧气体的氧浓度不同时,氧化锆测管内外两侧将产生氧浓度差电势,内侧多孔性铂参比电势为正极,外侧多孔性铂电极为负极。
两根引线将氧浓差电势送至二次仪表进行放大显示,也可转换为标准信号用作其他控制。
在高温600?以上时,氧化锆管的高氧分压面(通空气的氧化锆管内壁)发生还原反应:O2+4e?2O2- 管内壁氧化锆给出电子而带正电,生成的O2-通过氧化锆空穴到达低氧分界面。
低氧分压在氧化锆管外侧.,它的表面发生氧化反应:2O2-?O2+4e氧化反应生成电子,使管外壁电极带负电，从而产生浓差电势E。
氧浓差电势E的大小,不仅与参比气体氧分压(一般用空气,值为20.6)和烟气中的氧分压有关，还和氧化锆的工作温度有关,更为重要的是氧化锆的导电特性和温度有直接关系。
对氧化锆的导电特性——工作温度关系,一般情况下:氧化锆的导电特性——工作温度关系测试结果氧化锆工作温度/0? 300 350 400 450 500 550 600 650700 750 氧化锆电极内阻/Ω 136k 23k 18k 13k 8k 2.8k 400 123——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------44 19由此可见,温度过低时,氧化锆探头巨大的内阻影响了它的导体特,二次分析仪已无法得到准确的氧浓差电势。
概 述ZrO 2-Ⅱ型直插式氧化锆氧量自动分析仪是在总结国内外多年研究和应用经验后，研制成功的新型氧量分析仪，适用于分析各种工业锅炉、窑炉及加热炉中烟气的含氧量。
它的主要特点是氧探头的结构设计及铂电极的化学配方、制作工艺充分考虑了被测炉气组分极端复杂这一特点，可保证氧探头在水平直插条件下应用时具有足够长的寿命。
而其信号转换部分以单片微处理器为核心，通过软件实现仪表大部分功能，硬件配置重点强化仪表的抗干扰措施。
从提高氧量测量值可靠性入手，延长氧探头的连续使用寿命，并使仪表具备与氧探头要求相适应的自诊断功能及抗干扰能力。
本仪表在改进氧化锆的配方和完善氧化锆头金属化工艺及仪表信号转换器实现智能化等方面有较大改进，具体内容如下：⑴ 改进氧化锆的配方和烧制工艺，使其具有较高的电导率和致密度。
⑵ 多孔性铂电极的化学配方及制作工艺可保证氧化锆探头在锅炉烟气氛中有足够的使用寿命。
（3）仪表具有多种线性量程选择。
（4）仪表温度控制系统所给出的升温曲线能满足氧化锆材料对升温速度的要求。
（5）仪表信号具有必要的自诊断功能。
1. 工作原理本仪器依据浓差电池原理构成，和其它电池一样，它具有两个半电池，而在两电极之间，用氧化锆作固体电介质。
在高温下，当氧化锆两侧有氧浓差时，就形成了氧浓差电池，电池电动势的大小可根据Nernst 公式计算，即：2'2"O P O P Ln nF RTE =式中： E —浓差电池输出，mV; n —电子转移数，在此为 4；R —理想气体常数，8.314 W ·S ／mol ； F —法拉第常数，96500 C ； T —绝对温度，K ； P ″O 2—高浓度侧氧分压； P ′O 2—低浓度侧氧分压。
当电池工作温度固定于700℃时，上式为：22'"lg 261.48O P O P E =由上式可知，在温度700℃时，当固体电介质一侧氧分压为空气(20.6%)时，由浓差电池输出电动势E，就可以计算出固体电介质另一侧氧分压，这就是氧化锆氧量自动分析仪的测氧原理。
氧化锆氧量计中的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1100℃左右转变为四方相，但是如果添加稳定剂，在加热以后不会发生体积的突变，大大拓展了氧化锆的应用范围。
下面由安徽康斐尔电气有限公司为您介绍氧化锆氧量剂的工作原理，希望给您带来一定程度上的帮助。
1、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。
2、氧化锆氧传感器工作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，测量电池本体分为3层：铂(电极)─氧化锆(电解质)─铂(电极)。
铂电极是多孔性的。
烟道气体通过过滤器或校验气体通过传导管进入测量电池被测气体一侧，而另一侧为参比空气(含氧20.60％)。
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)。
毫伏信号经氧分析仪转换成0—10mA或4－20mA标准电流。
此电流由氧分析仪接线端子输出。
安徽康斐尔电气有限公司位于长江之滨的的文明城市天长市，是集科技攻关、新品研发、制造营销、出口为一体的生产型企业。
主要产品：电力电缆、控制电缆、计算机电缆、核电站用1E级和非1E 级电力电缆。
仪器仪表系列：压力变送器、压力表系列、双金温度计、无纸记录仪、工业热电偶、仪表保护箱、温度传感器等。
氧化锆测氧原理及维护使用
名称:氧化锆测氧原理及维护使用 高志强，肖立等一、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、氧探头的测氧原理图 1为氧探头测氧原理示意图。在氧化锆电解质 (ZrO 2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 O 2-，使该电极带正电， O 2-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： O 2 +4e—— 2O 2-测量侧： 2O 2-－ 4e—— O 2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， E MV―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） F 96500 C; P P 1——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 C MV）实际计算公式为：（ 0 =20.6% E MV） =0.0496 T Ln（ 0.2095/P 1）± C MV）（（ 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） P 1，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（如图 2）。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，维护量较校 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。 ZrO 2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，其中垂直安装较理想。不管采用何种方式，探头采样管引导板的方向应该尽量正对被测气流的方向，在初始安装的时，先通过了解工艺，确定基本方向。然后在系统通电加热探头以后，旋转采样管方向，使用数字万用表观察输出氧电势的波动情况来最终确定比较好的引导方向。 （ 2）氧传感器安装所用接头为专用法兰接头，配装石棉垫压接，以确保密封，否则因为一般炉内为负压，该处法兰接头处漏气会影响测量精度或造成信号波动。? （ 3）氧传感器的信号引出线最好用屏蔽线，以消除干扰。最佳方式是使用 2根 2芯电缆，一根 2芯屏蔽电缆接氧电势输出信号，一根 2芯 KVV控制电缆接探头加热连接端；如果现场条件不具备可直接使用一根 4芯 KVV电缆连接探头氧电势信号和加热端。（ 4）氧探头的标气口平时关闭，只在标定气体的时候使用；吹扫气口连接气泵或者压缩空气管路，吹扫口进气一般用一个电磁阀等阀门控制，一定周期开启一次，通入气体吹扫采样管，探头正常检测时阀门关闭，不能有其他气体进入采样管。使用厂方的压缩空气吹扫探头必须保证压缩空气中不含有水份，即对所采用的压缩空气必须进行气水分离处理。 六、氧传感器的使用和维护 1、连接加热控制 采样检测式氧探头，只有在氧传感器连接了加热控制以后才能正常工作，冷态下输出的是随机信号，不代表任何意义，氧传感器在接入加热控制以后，在室温条件下既可以开始正常的气体检测。一般的探头调零就是在室温下，加热探头以后，通过对空气的测量，用数字万用表测量此时探头输出毫伏值，此数值就是该探头的零位偏差数值，在显示仪表中需要加入该零位偏差来修正仪表显示的氧浓度。 2、新装或更换氧传感器时的注意事项 新装或更换氧传感器时，均应校正氧分析仪的氧浓度显示值。不进行此项工作，更换新的传感器后，氧分析仪检测的氧浓度可能会与实际浓度产生偏差，从而影响测量。 3、氧浓度的修正原理及方法氧传感器直接测量输出的是被测气体的浓度与标准空气差电势数值，我们称为氧电势，该电势数值在零点（即空气测量）时不同的探头起始输出电势就存在偏差，而输出电势经过模型转换输出氧浓度时也可能存在误差，因此在氧分析仪中对探头信号进行标定修正就是很必要的工作，否则显示氧浓度与实际被测气体的氧浓度就会存在较大偏差，满足不了现场生产的需要，甚至误导控制影响生产。 具体的修正一般通过标准气体进行标定，方法是将计量核定确认的标准气体通过标气口通入探头，测量此时输出氧电势及仪表显示氧浓度，仪表显示氧浓度应该与标准气体浓度相同，存在偏差则修正仪表线性参数，标准计量要求最少使用三种不同浓度标准气体标定系统，这样经过三次标定重复修正好系统线性，保证系统正常工作。 4、积尘对氧传感器的影响及吹扫清除方法由于氧传感器是长期在线检测测量的器件，锅炉等设备（尤其是煤燃烧炉或者烧粉窑炉等）产生的粉尘会堵塞导气采样管道，造成测量的数值失真甚至无法测量，此时必须定期对采样管中的积尘进行吹扫处理，吹扫时间的长短视积灰程度确定，这种吹扫方法要求氧分析仪具有相应功能或者配套使用氧传感器的维护装置，如果没有这些装置只能安装手动阀门控制压缩空气或气泵定期通入吹扫气口对探头进行除尘工作，但此时必须注意以下情况：（ 1）由于在吹扫的过程中，氧传感器的氧电势会下降，最低有可能会降到 1、 2mV，这时检测的氧电势不代表炉内的气氛，此点必须要注意；（ 2）吹扫空气的流量要保证能够去除积灰，吹扫过程中可注意氧传感器的氧电势输出值，如果氧电势值始终没有下降，表明空气流量太小，积尘没有清理，应予以调节或者检查吹扫管道，可能吹扫管道已经堵死；（ 3）吹扫口的通道是与炉内直接相通的，每次在吹扫完毕后，应关闭阀门，堵死吹扫孔，防止因炉内负压空气进入，影响氧传感器的检测。在分析氧传感器的好坏时应将其视为一个单独的检测部件。在检测氧传感器的氧电势时应把与氧传感器连接的所有导线断开，用高内阻的数字表在氧传感器的输出端直接检测氧电势。通过检测氧电势，与正常使用时的数值相比较。 七、实际运行情况自 2003年以来，我厂裂解炉采用了 ZGP2＋ ZDT高温型直插式氧化锆分析仪，主要用于烟气氧含量测量，参与裂解炉的燃烧控制，运行稳定可靠， 2005年 5月，发现指示值偏差较大，均为正偏差，判断为气路泄漏，在标准气管路上通零点气，发现转子流量计泄漏，由于测量状态下系统内呈负压而使外界空气进入，因空气中氧的体积分数高，使得测量值偏高，处理后正常。实践中总结几点注意事项：⑴锆管要求在 750℃下才能正常工作，因此仪表应保持恒温；⑵气体管路不得泄漏；⑶保持喷射器气源压力稳定在 0.15MPa；⑷标准气校验时应关闭喷射器气源，测量时打开；⑸测量气中存在 H 2、 CO、 CH 4等可燃气体会使测量结果偏低。八、结论氧化锆测氧仪具有结构简单，响应时间短，测量范围宽，使用温
