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一文讀懂微型氧化鋯探頭的工作原理
  • 發(fā)布日期:2022-04-15      瀏覽次數(shù):816
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        微型氧化鋯探頭是利用氧化鋯濃差電勢(shì)來測(cè)定氧含量的傳感器,其核心的氧化鋯管安置在一微型電爐內(nèi),位于整個(gè)探頭的頂端。
       
        氧化鋯管是由氧化鋯材料摻以一定量的氧化釔或氧化鈣經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后形成的穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷燒結(jié)體。由于它的立方晶格中含有氧離子空穴,因此在高溫下它是良好的氧離子導(dǎo)體。因其這一特性,在一定高溫下,當(dāng)鋯管兩邊的氧含量不同時(shí),它便是一個(gè)典型的氧濃差電池,在此電池中,空氣是參比氣,它與煙氣分別位于內(nèi)外電極。在實(shí)際的氧探頭中,空氣流經(jīng)外電極,煙氣流經(jīng)內(nèi)電極,當(dāng)煙氣氧含量P小于空氣氧含量P0(20.6%O2)時(shí),空氣中的氧分子從外電極上奪取4個(gè)電子形成2個(gè)氧離子,發(fā)生如下電極反應(yīng):
       
        O(P0)+4e-→2O-2
       
        氧離子在氧化鋯管中迅速遷移到煙氣邊,在內(nèi)電極上發(fā)生相反的電極反應(yīng):
       
        2O-2→O(P0)+4e-
       
        由于氧濃差導(dǎo)致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊,因而產(chǎn)生的電勢(shì)又導(dǎo)致氧離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊,當(dāng)這兩種遷移達(dá)到平衡后,便在兩電極間產(chǎn)生一個(gè)與氧濃差有關(guān)的電勢(shì)信號(hào)E,該電勢(shì)信號(hào)符合"能斯特"方程:
       
        E=(RT/4F)Ln(P0/P)(1)
       
        式中R、F分別是氣體常數(shù)和法拉第常數(shù),T是鋯管絕對(duì)溫度(K),P0是空氣氧含量(20.6%O2),P是煙氣含量。由(1)式可見,在一定的高溫條件下(一般)600℃),一定的煙氣氧含量便會(huì)有一對(duì)應(yīng)的電勢(shì)輸出,在理想狀態(tài)下,其電勢(shì)值在高溫區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)氧含量見附表。
       
        在理想狀態(tài)下,當(dāng)被測(cè)煙氣與參比氣濃度一樣時(shí),其輸出電勢(shì)E值為0mV,但在實(shí)際應(yīng)用中,鋯管實(shí)際條件和現(xiàn)場情況均不是理想狀態(tài)。故事實(shí)上的鋯管是偏離此值的。實(shí)際上,一定氧含量鋯管輸出的電勢(shì)為理論值和本底電勢(shì)的和,我們稱為無濃差條件下鋯管輸出的電勢(shì)值為本底電勢(shì)或稱為零位電勢(shì),此值的大小又在不同溫度下呈不同的值,并且隨鋯管使用期延長而變化。因此,如不對(duì)此情況處理,會(huì)嚴(yán)重影響整套測(cè)氧儀的準(zhǔn)確和探頭壽命。鑒于此,氧分析儀采取了"雙參數(shù)校正法",對(duì)探頭本底電勢(shì)作特殊處理,彌補(bǔ)了鋯管的離散性缺陷,延長了探頭的使用壽命。
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