氧化锆的测氧原理和使用维护

　　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。

　　1 氧探头的测氧原理

　　如图1所示，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：

　　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P0=20.6%，将此值及公式中的常数项合并，再考虑到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(新镐头通常为±1mV)，实际计算公式为：

　　P0=20.6%CmV=0.0496Tln(0.2095/P1)±CmV

　　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。

        2 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。