一、氧傳感器測氧原理

某些固體氧化物、鹵化物、硫化物等具有離子導(dǎo)電性能，其中最著名的是1989年Nernst發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定氧化鋯在高溫下呈現(xiàn)的離子導(dǎo)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(dǎo)電性能的物質(zhì)—固體電解質(zhì)進(jìn)行了種種研究，但始終進(jìn)展不大。直到1957年，K.kiukkala和C.Wagner首次用固體電解質(zhì)組裝原電池并從理論上闡明其原理以后，這方面的研究和應(yīng)用才得以迅速發(fā)展。在所有固體電解質(zhì)中，氧化鋯是目前研究和開發(fā)應(yīng)用得最普遍的一種。它不僅用來作高溫化學(xué)平衡，熱力學(xué)和動力學(xué)研究，而且已在高溫技術(shù)，特別是高溫測試技術(shù)上得到廣泛應(yīng)用。氧探頭這種以氧化鋯固體電解質(zhì)為敏感元 件，用以測定氧濃度的裝置就是一個典型的例子。1961年，J.Weissbart 和R.Ruka研制成功的第一個氧化鋯濃差電池測氧儀。 七十年代初出現(xiàn)商業(yè)用氧化鋯氧探頭以后，引起科學(xué)界和工業(yè)界的普遍重視，特別是西德、日本、美國等國都進(jìn)行了深入的研究和產(chǎn)品開發(fā)工作。到七十年代中期，氧探頭的理論和實(shí)踐已趨成熟，開發(fā)出了多種結(jié)構(gòu)形式的氧探頭。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(0.1-0.2 秒)，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。

氧探頭是利用氧化鋯陶瓷敏感元件來測量各類應(yīng)用環(huán)境下的氧含量的，通過它以求實(shí)現(xiàn)工業(yè)加熱爐燃燒過程自動控制，以及熱處理可控氣氛爐對零件的質(zhì)量控制。

ZrOa 鋯頭的導(dǎo)電機(jī)制ZrO2是典型的離子晶體，ZrO2中添加的二價或三價立方對稱氧化物，CaO、如MgO、Y2O3和其它三價稀土氧化物時，在適當(dāng)?shù)募訜岷屠鋮s條件下可以使 ZrO2在600℃以上時成為氧的快離子導(dǎo)體，人們稱它為固體電解質(zhì)。這種陶瓷材料對氧具有高度的敏感性，選擇性亦好，用它作成的氧探頭（又稱氧傳感器）廣泛應(yīng)用于工業(yè)爐和環(huán)境保護(hù)。ZrO2固體電解質(zhì)是離子導(dǎo)電體，它是通過晶格內(nèi)的氧離子空位來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的，鋯的導(dǎo)價金屬氧化物的加入在ZrO2 晶格中產(chǎn)生了大量的氧離子空位。每加入二個釔離子就建立一個氧離子空位，ZrO2的缺陷濃度主要決定于添加劑的加入量，而與溫度和環(huán)境氣氛無關(guān)。ZrO2 的離子導(dǎo)電就是通過 ZrO2 內(nèi)的氧離子的遷移來實(shí)現(xiàn)的。

氧傳感器的測氧原理：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(xiàng)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(shí)際應(yīng)用中，通過檢測氣體的氧電勢及溫度，通過以能斯特公式為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型，就可以推算出被測氣體的氧含量（百分比）。這就是澤天傳感氧化鋯氧探頭的基本檢測原理。

二、氧化鋯氧傳感器的結(jié)構(gòu)類型

氧化鋯氧濃差電池用于實(shí)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（氧探頭的密封問題）。實(shí)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、采樣檢測式氧傳感器：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(diǎn)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(yùn)用在許多工業(yè)在線檢測上。采樣檢測的缺點(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(shí)驗(yàn)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，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。

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。直插式氧化鋯氧傳感器，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，需采用新的技術(shù)，克服傳統(tǒng)氧化鋯氧探頭的不足。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。與采樣式檢測方式比，直插式檢測有顯而易見的優(yōu)點(diǎn)：氧化鋯直接接觸氣氛，檢測精度高，反應(yīng)速度快，維護(hù)量較小。

工業(yè)用氧傳感器可分為通用性強(qiáng)的氧分析器和根據(jù)用途不同而設(shè)計的專用氧探頭兩種：在工業(yè)鍋爐、加熱爐上的氧量分析應(yīng)用作此用途的氧傳感器多采用管狀結(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)最多的是后一種。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。氧傳感器使用時，引入被測氣體的方式有直插式和擴(kuò)散式兩種。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。擴(kuò)散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。這種氧分析器在國外已廣泛應(yīng)用在鍋爐和加熱爐煙氣含氧量的測定，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。據(jù)國外報導(dǎo)，在鋼鐵廠加熱爐中，將煙氣中的氧含量從 3%降到 1%，排氣損失減少24%，燃料節(jié)約 8%。在陶瓷窯爐中，用氧探頭控制爐氣氛，不僅節(jié)能，減少污染，而且能提高產(chǎn)品質(zhì)量。

本產(chǎn)品配套ZCS870氧氣智能分析儀使用，適用于100PPM－99.99%O2氮氧混合氣體中能準(zhǔn)確測量氧濃度，產(chǎn)具有以下特點(diǎn)：
新型長壽命的離子流檢測器，靈敏度高、響應(yīng)速度快；

長壽命、校準(zhǔn)周期長、精度高、體積小巧、功耗低；

高精度的溫度自動補(bǔ)償系統(tǒng)，消除環(huán)境溫度的影響；

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