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氧化鋯測氧儀測氧原理及維護使用

作者: 時間:2012-11-24 來源:網(wǎng)絡 收藏
1989年能斯特(Nernst)發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定氧化鋯在高溫下呈現(xiàn)的離子導電現(xiàn)象,在此后的一段時期內(nèi),盡管人們對這種具有離子導電性能的物質(zhì)——固體電解質(zhì)進行了種種研究,但進展較小。在所有固體電解質(zhì)中,目前氧化鋯是研究和開發(fā)應用得最普遍的一種,它已在高溫技術,特別是高溫測試技術上得到廣泛應用。

與現(xiàn)有測氧儀表 (如磁氧分析器、電化學式氧量計、氣象色譜儀等)相比,具有結(jié)構(gòu)簡單,響應時間短 (0.1~0.2S),測量范圍寬(從ppm到百分含量),使用溫度高(600~1200℃),運行可靠,安裝方便,維護量小等優(yōu)點。

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圖 1為示意。

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在氧化鋯電解質(zhì)(ZrO管)的兩側(cè)面分別燒結(jié)上多孔鉑(Pc)電極,在一定溫度下,當電解質(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 n 電極上放出電子,轉(zhuǎn)化成氧分子,使該電極帶負電。兩個電極的反應式分別為:

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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可由能斯特公式求得:

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式中:E——濃差 電池輸出,mV;
R——理想氣體常數(shù) ,8.314W ·S/mol;
T--絕對溫度 ,K;
n——電子轉(zhuǎn)移數(shù) ,在此為 4;
F-- 法拉第常數(shù) ,96500C;
P0——參 比氣體氧濃度百分數(shù) ;
P1——待測氣體氧濃度百分數(shù)。

它是氧化鋯測氧的基礎,當氧化鋯管處的溫度被加熱到 600—1400oC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P0=20.6%。將此值及公式中的常數(shù)項合并,加之實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 C(mV)。

實際計算公式為:

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可見,如能測出氧探頭的輸出電動勢 E和被測氣體的絕對溫度,即可算出被測氣體的氧分壓(濃度)P。這就是氧化鋯測 氧儀測氧的基本原理。

2 氧探頭的形式

按檢測方式的不同,氧化鋯氧量分析儀探頭分為兩大類:式氧探頭及直插式氧探頭。

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方式是通過導引管,將被測氣體導入氧化鋯檢測室,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(如圖2)。其優(yōu)點是不受檢測氣體溫度的影響,通過采用不同的導流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量,這種靈活性被運用在許多工業(yè)在線檢測上。其缺點是反應時間慢;結(jié)構(gòu)復雜,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,砷等的腐蝕以及細小粉塵的堵塞而失效;加熱器一般用電爐絲加熱,壽命不長。

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