氧化鋯氧量分析儀的主要原理

　氧化鋯氧量分析儀工作原理及維護(hù)使用：
　　一、前言
　　由于氧探頭與現(xiàn)有測氧儀表(如磁氧分析器、電化學(xué)式氧量計、氣象色譜儀等)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)時間短(0.1s～0.2s)，測量范圍寬(從ppm到百分含量)，使用溫度高(600℃～1200℃)，運(yùn)行可靠，安裝方便，維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，因此在冶金、化工、電力、陶瓷、汽車、環(huán)保等工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用。
　　二、氧探頭的測氧原理
　　在氧化鋯電解質(zhì)(ZrO2管)的兩側(cè)面分別燒結(jié)上多孔鉑（Pt）電極，在一定溫度下，當(dāng)電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時，高濃度側(cè)(空氣)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結(jié)合形成氧離子O2-，使該電極帶正電，O2-離子通過電解質(zhì)中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(cè)的Pt電極上放出電子，轉(zhuǎn)化成氧分子，使該電極帶負(fù)電。兩個電極的反應(yīng)式分別為：
　　參比側(cè)：O2+4e——2O2-
　　測量側(cè)：2O2-－4e——O2
　　這樣在兩個電極間便產(chǎn)生了一定的電動勢，氧化鋯電解質(zhì)、Pt電極及兩側(cè)不同氧濃度的氣體組成氧探頭即所謂氧化鋯濃差電池。兩級之間的電動勢E由能斯特公式求得：可
　　E= (1)
　　式中，EmV―濃差電池輸出，
　　n 4―電子轉(zhuǎn)移數(shù)，在此為
　　R理想氣體常數(shù)，8.314 W·S／mol —
　　T （K） F96500 C;PP1——待測氣體氧濃度百分?jǐn)?shù)0——參比氣體氧濃度百分?jǐn)?shù) —法拉第常數(shù)，—溫度
　　該分式是氧探頭測氧的基礎(chǔ)，當(dāng)氧化鋯管處的溫度被加熱到600℃～1400℃時，高濃度側(cè)氣體用已知氧濃度的氣體作為參比氣，如用空氣，則P，將此值及公式中的常數(shù)項(xiàng)合并，又實(shí)際氧化鋯電池存在溫差電勢、接觸電勢、參比電勢、極化電勢，從而產(chǎn)生本地電勢CmV）實(shí)際計算公式為：（0 =20.6%
　　EmV）=0.0496Tln（0.2095/P1）±CmV）（（
　　C本地電勢(新鎬頭通常為±1mV) =
　　可見，如能測出氧探頭的輸出電動勢E和被測氣體的溫度T，即可算出被測氣體的氧分壓（濃度）P1 ，這就是氧化鋯氧探頭的基本檢測原理。
　　三、氧化鋯氧探頭的結(jié)構(gòu)類型及工作原理
　　按檢測方式的不同，氧化鋯氧探頭分為兩大類：采樣檢測式氧探頭及直插式氧探頭。
　　1、采樣檢測式氧探頭
　　采樣檢測方式是通過導(dǎo)引管，將被測氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測室，再通過加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度（750℃以上）。氧化鋯一般采用管狀，電極采用多孔鉑電極。其優(yōu)點(diǎn)是不受檢測氣體溫度的影響，通過采用不同的導(dǎo)流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量，這種靈活性被運(yùn)用在許多工業(yè)在線檢測上。其缺點(diǎn)是反應(yīng)時間慢；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易影響檢測精度；在被檢測氣體雜質(zhì)較多時，采樣管容易堵塞；多孔鉑電極容易受到氣體中的硫，砷等的腐蝕以及細(xì)小粉塵的堵塞而失效；加熱器一般用電爐絲加熱，壽命不長。
　　在被檢測氣體溫度較低（0℃～650℃），或被測氣體較清潔時，適宜采樣式檢測方式，如制氮機(jī)測氧，實(shí)驗(yàn)室測氧等。
　　2、直插檢測式氧探頭
　　直插式檢測是將氧化鋯直接插入高溫被測氣體，直接檢測氣體中的氧含量，這種檢測方式適宜被檢測氣體溫度在700℃～1150℃時（特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫），它利用被測氣體的高溫使氧化鋯達(dá)到工作溫度，不需另外用加熱器（如圖3）。直插式氧探頭的技術(shù)關(guān)鍵是陶瓷材料的高溫密封和電極問題。以下列舉了兩種直插式氧探頭的結(jié)構(gòu)形式。
　　（1）整體氧化鋯管
　　該形式是從采樣檢測方式中采用的氧化鋯管的形式上發(fā)展起來的，就是將原來的氧化鋯管加長，使氧化鋯可以直接伸到高溫被測氣體中。這種結(jié)構(gòu)無需考慮高溫密封問題。
　　（2）直插式氧化鋯氧探頭
　　由于需要將氧化鋯直接插入檢測氣體中，對氧探頭的長度有較高要求，其有效長度在500mm～1000mm左右，特殊的環(huán)境長度可達(dá)1500mm。且檢測精度，工作穩(wěn)定性和使用壽命都有很高的要求，因此直插式氧探頭很難采用傳統(tǒng)氧化鋯氧探頭的整體氧化鋯管狀結(jié)構(gòu)，而多采取技術(shù)要求較高的氧化鋯和氧化鋁管連接的結(jié)構(gòu)。密封性能是這種氧化鋯氧探頭的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前上的連接方式，是將氧化鋯與氧化鋁管的焊接在一起，其密封性能，與采樣式檢測方式比，直插式檢測有顯而易見的優(yōu)點(diǎn)：氧化鋯直接接觸氣體，檢測精度高，反應(yīng)速度快，維護(hù)量較小。
　　四、氧探頭的工業(yè)應(yīng)用
　　1、在工業(yè)鍋爐、加熱爐上的應(yīng)用
　　氧探頭使用時，引入被測氣體的方式有直插式和采樣檢測式兩種。直插式響應(yīng)時間短，不需要加熱器，結(jié)構(gòu)簡單，小型輕便，但要求同時檢測被測氣體的溫度。采樣檢測式由于氧探頭的溫度由加熱器控制，因此測量精度高，工作可靠，但響應(yīng)時間取決于氣體的流量。
　　直插式氧分析器已廣泛應(yīng)用在鍋爐和加熱爐的煙氣含氧量的測定（如圖4），作此用途的氧探頭多采用管狀結(jié)構(gòu)，此管可以兩端開口，也可以單端開口，目前市場出現(xiàn)多的是后一種。ZrO2管內(nèi)外壁上涂有多孔Pt電極，由內(nèi)外電極分別向管端引伸并在端部接出Ni Cr絲作信號輸出用，從而控制燃燒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低氧燃燒，達(dá)到降低熱能損失，節(jié)約能源的目的。
　　五、 氧傳感器的安裝
　　合理的安裝是保證氧傳感器可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，許多使用問題均由于氧傳感器安裝不當(dāng)造成的，
　　1、采樣測量點(diǎn)
　　確定測量點(diǎn)是首要的工作，它應(yīng)遵循如下幾項(xiàng)原則：
　　（1） 選擇的測量點(diǎn)要求能正確反映所檢測的爐內(nèi)氣體，以保證氧傳感器 輸出信號的真實(shí)性，盡量避開回風(fēng)死角；
　　（2）測量點(diǎn)不可太靠近燃燒點(diǎn)或噴頭等部位，這些部位的氣體處于劇烈反應(yīng)中，會造成氧傳感器檢測值劇烈波動失真；也不要過于靠近風(fēng)機(jī)等產(chǎn)氣設(shè)備，以免電機(jī)的震動沖刷損壞傳感器；
　　（3） 避免放在可能碰撞的位置，以免碰撞損壞探頭，保證傳感器的安全；
　　2、氧傳感器的安裝、連接方式
　　（1）氧探頭的安裝可采用水平或垂直方式，其中垂直安裝較理想。不管采用何種方式，探頭采樣管引導(dǎo)板的方向應(yīng)該盡量正對被測氣流的方向，在初始安裝的時，先通過了解工藝，確定基本方向。然后在系統(tǒng)通電加熱探頭以后，旋轉(zhuǎn)采樣管方向，使用數(shù)字萬用表觀察輸出氧電勢的波動情況來終確定比較好的引導(dǎo)方向。
　　（2）氧傳感器安裝所用接頭為法蘭接頭，配裝石棉墊壓接，以確保密封，否則因?yàn)橐话銧t內(nèi)為負(fù)壓，該處法蘭接頭處漏氣會影響測量精度或造成信號波動。
　　（3）氧傳感器的信號引出線用屏蔽線，以消除干擾。是使用2根2芯電纜，一根2芯屏蔽電纜接氧電勢輸出信號，一根2芯KVV控制電纜接探頭加熱連接端；如果現(xiàn)場條件不具備可直接使用一根4芯KVV電纜連接探頭氧電勢信號和加熱端。
　　（4）氧探頭的標(biāo)氣口平時關(guān)閉，只在標(biāo)定氣體的時候使用；吹掃氣口連接氣泵或者壓縮空氣管路，吹掃口進(jìn)氣一般用一個電磁閥等閥門控制，一定周期開啟一次，通入氣體吹掃采樣管，探頭正常檢測時閥門關(guān)閉，不能有其他氣體進(jìn)入采樣管。使用廠方的壓縮空氣吹掃探頭必須保證壓縮空氣中不含有水份，即對所采用的壓縮空氣必須進(jìn)行氣水分離處理。