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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)(II側(cè)Pref)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)（I側(cè)Po2）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：

在II側(cè) （1） 在I側(cè) （2） 這樣在兩個電極間便產(chǎn)生了一定的電動勢氧氣探頭，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。這種電池電動勢產(chǎn)生的原動力是兩側(cè)電極上氧的化學(xué)位差。1933年Wagner確立了原電池電動勢與兩側(cè)化學(xué)位之間的關(guān)系為：

(3)式中，n為電極反應(yīng)得失數(shù)，這里n=4e；F為法拉第常數(shù)； 和 分別為低氧濃度和高氧濃度側(cè)電極氧的化學(xué)位；t1為離子遷移數(shù)。如把氧氣看成理想氣體，則有

(4) 式中， 為氧的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)位；R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度，PO2為氧分壓。

假定t1，對（3）式積分并將（4）式代入，經(jīng)整理可得

（5）此式即著名的能斯脫關(guān)系式。它是氧探頭測氧的基礎(chǔ)。

在氧探頭中，高濃度側(cè)氣體用已知氧濃度（Pref）的氣體作為參比氣，如用空氣，則Pref =20.6% 。將此值及（5）式中的常數(shù)項合并。則得參比氣為空氣的能斯特公式

E=0.0215Tln0.2095／PO2 （6）

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T，即可算出被測氣體的氧分壓（濃度）PO2 。

在實際應(yīng)用中，通過檢測氣體的氧電勢及溫度氧氣探頭，通過以能斯特公式為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型甲苯檢測儀，就可以推算出被測氣體的氧含量（百分比）。這就是氧化鋯氧探頭的基本檢測原理。

氧化鋯氧探頭的結(jié)構(gòu)類型及工作原理：

氧化鋯氧濃差電池用于實際檢測中，主要需要解決的問題是，氧化鋯檢測頭，反應(yīng)電極及將被測氣體與參比氣（空氣）嚴(yán)格隔離的問題（也叫做氧探頭的密封問題）。實際應(yīng)用過程中，最難以解決的是密封問題和反應(yīng)電極問題。

下面對一些氧探頭的結(jié)構(gòu)類型加以說明。以檢測方式不同分，氧化鋯氧探頭基本上可以分為兩大類：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。檢測室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。采樣檢測的優(yōu)點是不受檢測氣氛溫度的影響，通過采用不同的導(dǎo)流管可以檢測各種溫度氣氛中的氧含量。由于采樣式檢測方式的靈活性，因此運用在許多工業(yè)在線檢測上。采樣檢測的缺點是反應(yīng)時間慢；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易影響檢測精度；在被檢測氣氛雜質(zhì)較多時，采樣管容易堵塞；多孔鉑電極容易受到氣氛中的硫，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℃），或被測氣氛較清潔時，采樣式檢測方式工作較好，如制氮機(jī)測氧，實驗室測氧等。

2. 直插式檢測方式：

直插式檢測是將氧化鋯直接插入高溫被測氣體氧氣探頭，直接檢測氣體中的氧含量。這種檢測方式應(yīng)用在被檢測氣氛溫度在700-1150℃時（特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫），利用被測氣氛的高溫使氧化鋯達(dá)到工作溫度，不另外用加熱器。直插式氧探頭的技術(shù)關(guān)鍵是陶瓷材料的高溫密封問題和電極問題。

以下列舉了幾種直插式氧探頭的結(jié)構(gòu)形式。

（1） 整體氧化鋯管式：這種形式是從采樣檢測方式上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)不存在高溫密封問題，很容易解決密封問題。

（2）由于直插式氧探頭的工作環(huán)境惡劣，且對其檢測精度、工作穩(wěn)定性和工作壽命都要求較高甲醇報警器，需

采用新的技術(shù)，克服傳統(tǒng)氧化鋯氧探頭的不足。直插式氧化鋯氧探頭 由于需要將氧化鋯直接插入檢測氣氛中，對氧探頭的長度有較高要求，一般直插式氧探頭的有效長度在500-1000mm左右，特殊的環(huán)境長度可達(dá)1500mm。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)。因此密封性能是這種氧化鋯氧探頭的最關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國際上最先進(jìn)的連接方式，是將氧化鋯與氧化鋁管永久的焊接在一起，其密封性能極佳（如圖3）。與采樣式檢測方式比，直插式檢測有顯而易見的優(yōu)點：氧化鋯直接接觸氣氛，檢測精度高，反應(yīng)速度快，維護(hù)量較小。

氧探頭的測氧原理

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