氧化锆分析仪工作原理

仪器工坊

　　氧化锆分析仪的工作原理基于氧化锆固体电解质在高温下的氧离子导电性。其核心部件是氧化锆传感器，通常由氧化钇（Y₂O₃）稳定的氧化锆（ZrO₂）陶瓷体制成。以下是详细的工作原理：
　　一、氧浓差电池的形成
　　- 结构组成：氧化锆传感器的中间是固态电解质氧化锆，两侧各烧结一层多孔的铂电极。氧化锆中掺入一定比例的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y₂O₃），四价锆的电子被二价钙或三价钇所置换，形成氧离子空穴。
　　- 气体接触：氧化锆的一侧为被测气体（如烟气），另一侧为参比气体（如空气）。被测气体中的氧含量通常较低，而参比气体中的氧含量较高。
　　二、氧离子的迁移与电势差产生
　　- 高温条件：当氧化锆传感器被加热到600℃以上（通常在650-850℃之间）时，氧化锆成为良好的氧离子导体。
　　- 氧离子迁移：由于两侧气体中的氧浓度不同，氧分子从氧浓度高的一侧（参比气体侧）向氧浓度低的一侧（被测气体侧）扩散。氧分子在铂电极处得到电子成为氧离子，进入氧化锆空穴；氧离子通过氧化锆到达低氧侧时，将电子还给铂电极变成氧分子。
　　- 电势差产生：这一过程在两侧的铂电极之间产生电势差，即氧浓差电势。根据能斯特方程（Nernst方程），氧浓差电势E可以表示为：
       E=4FRT​lnP2​P1​​


　　其中R是气体常数，T是气体的绝对温度，F是法拉第常数，P1和P2分别是被测气体和参比气体的氧分压。
　　三、信号输出与处理
　　- 电势差测量：通过测量两侧铂电极之间的电势差，可以得到与被测气体中氧含量相关的电信号。
　　- 信号处理：由于电势差与氧含量之间存在非线性关系，需要通过线性化电路进行处理，以得到准确的氧含量读数。
　　四、应用与优势
　　氧化锆分析仪广泛应用于工业生产过程中，特别是在燃烧控制领域。它能够实时监测烟气中的含氧量，帮助调节助燃空气的供给量，以获得最高的热效率。此外，氧化锆分析仪具有响应速度快、结构简单、测量准确、输出稳定和维护工作量小等优点。
　　综上所述，氧化锆分析仪通过利用氧化锆固体电解质在高温下的氧离子导电性，形成氧浓差电池，产生与氧含量相关的电势差，从而实现对气体中氧含量的精确测量。