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氧化鋯氧量分析儀的工作原�

氧化鋯氧量分析儀的工作原�

來源�本站 �(diǎn)擊: �(fā)布時(shí)間:2021-06-25 17:58:38

自然界的氧化�(ZrO2)礦物原料,主要有斜鋯石和鋯英�。鋯英石系火成巖深層礦物,顏色有淡黃、棕黃、黃綠等,比�4.6-4.7,硬�7.5,具有強(qiáng)烈的金屬光澤。純的氧化鋯是一種高�(jí)耐火原料,其熔融溫度約為2900��

純凈的氧化鋯是白色固體,含有雜質(zhì)�(shí)�(huì)顯現(xiàn)灰色或淡黃色,添加顯色劑還可顯示各種其它顏色。純氧化鋯的分子量為123.22,理論密度是5.89g/cm3,熔�(diǎn)�2715�。氧化鋯有三種晶體形�(tài)�?jiǎn)�?、四�、立方晶�。常溫下氧化鋯只以單斜相出現(xiàn),加熱到1100℃左右轉(zhuǎn)�?yōu)樗姆�?,加熱到更高溫度?huì)�(zhuǎn)化為立方�。由于在單斜相向四方相轉(zhuǎn)變的�(shí)候會(huì)�(chǎn)生較大的體積變化,冷卻的�(shí)候又�(huì)向相反的方向�(fā)生較大的體積變化,容易造成�(chǎn)品的開裂,限制了純氧化鋯在高溫領(lǐng)域的�(yīng)�。但是添加穩(wěn)定劑以后,四方相可以在常溫下�(wěn)�,因此在加熱以后不會(huì)�(fā)生體積的突變,大大拓展了氧化鋯的�(yīng)用范��

由于氧化鋯材料具有高硬度,高�(qiáng)�,高韌性,極高的耐磨性及耐化�(xué)腐蝕性等等優(yōu)良的物化性能,氧化鋯已經(jīng)在陶�、耐火材料、機(jī)�、電�、光�(xué)、航空航�、生�、化�(xué)等等各種�(lǐng)域獲得廣泛的�(yīng)��

1989年能斯特(Nernst)發(fā)�(xiàn)�(wěn)定氧化鋯在高溫下呈現(xiàn)的離子導(dǎo)電現(xiàn)�。從此氧化鋯成為研究和開�(fā)�(yīng)用最普遍的一種固體電解質(zhì),它已在高溫技�(shù),特別是高溫�(cè)試技�(shù)上得到廣泛應(yīng)�。由于氧探頭與現(xiàn)有測(cè)氧儀�(如磁氧分析器、電化學(xué)式氧量計(jì)、氣象色譜儀�)相比,具有結(jié)�(gòu)�(jiǎn)單,響應(yīng)�(shí)間短(0.1s�0.2s),測(cè)量范圍寬(從ppm到百分含�),使用溫度高(600℃~1200�),運(yùn)行可�,安裝方�,維�(hù)量小等優(yōu)�(diǎn),因此在冶金、化�、電力、陶�、汽�、環(huán)保等工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用�

氧化鋯氧探頭的測(cè)氧原�

氧化鋯的�(dǎo)電機(jī)理:電解�(zhì)溶液靠離子導(dǎo)�,具有離子導(dǎo)電性質(zhì)的固體物�(zhì)稱為固體電解�(zhì)。固體電解質(zhì)是離子晶體結(jié)�(gòu),靠空穴使離子運(yùn)�(dòng)�(dǎo)�,與P型半�(dǎo)體空穴導(dǎo)電的�(jī)理相似�

純氧化鋯(ZrO2)不�(dǎo)�,摻雜一定比例的低價(jià)金屬物作為穩(wěn)定劑,如氧化鈣(CaO2�、氧化鎂(MgO)、氧化釔(Y2O3�,就具有高溫�(dǎo)電性,成為氧化鋯固體電解質(zhì)�

為什么加入穩(wěn)定劑�,氧化鋯就會(huì)具有很高的離子導(dǎo)電性呢�

這是�?yàn)?,摻有少量CaO2 的ZrO2混合物,在結(jié)晶過程中,鈣離子�(jìn)入立方晶體中,置換了鋯離�。由于鋯離子�+4�(jià),而鈣離子�+2�(jià),一�(gè)鈣離子�(jìn)入晶�,只帶入了一�(gè)氧離�,而被置換出來的鋯離子帶出了兩�(gè)氧離�,結(jié)�,在晶體中便留下了一�(gè)氧離子空穴。例如:(ZrO2�0.85 (CaO2�0.15這樣的氧化鋯(氧化鋯的摩爾分?jǐn)?shù)�85%、氧化鈣的摩爾分?jǐn)?shù)�15%�,則具有7�5%的摩爾分?jǐn)?shù)的氧離子空穴,是成了一種良好的氧離子固體電解質(zhì)�

在一�(gè)高致密的氧化鋯固體電解質(zhì)的兩�(cè),用燒結(jié)的方法制成幾微米到幾十微米厚的多孔鉑層作為電�,再在電極上焊上鉑絲作為引線,就�(gòu)成了氧濃差電池,如果電池左側(cè)通入?yún)⒈葰怏w(空氣),其氧分壓為p0;電池右�(cè)通入被測(cè)氣體,其氧分壓為p1(未知)�

�(shè)p0 > p1,在高溫下(650�850℃),氧就會(huì)從分壓大的p0一�(cè)向分壓小的p1�(cè)�(kuò)散,這種�(kuò)�,不是氧分子透過氧化鋯從P0�(cè)到P1�(cè),而是氧分子離解成氧離子后,通過氧化鋯的過程�

�750℃左右的高溫中,在鉑電極的催化作用下,在電池的P0�(cè)�(fā)生還原反�(yīng),一�(gè)氧分子從鉑電極取�4�(gè)電子,變成兩�(gè)氧離子(O2-)�(jìn)入電解質(zhì),即:O2(P0�+ 4e �2O2-P0�(cè)鉑電極由于大量給出電子而帶正電,成為氧濃差電池的正極或陽極。這些氧離子�(jìn)入電解質(zhì)�,通過晶體中的空穴向前�(yùn)�(dòng)到達(dá)右側(cè)的鉑電極,在電池的P1�(cè)�(fā)生氧化反�(yīng),氧離子在鉑電極上釋放電子并�(jié)合成氧分子析�,即�2O2- - 4e →O2(P1�

P1�(cè)鉑電極由于大量得到電子而帶�(fù)�,成為氧濃差電池的負(fù)極或陰極�

這樣在兩�(gè)電極�,由于正�(fù)電荷的堆積而形成一�(gè)電勢(shì),稱之為氧濃差電�(dòng)�(shì)。當(dāng)用導(dǎo)線將兩�(gè)電極連成電路�(shí),負(fù)極上的電子就�(huì)通過外電路流到正�,再供給氧分子形成離�,電路中就有電流通過。氧濃差電動(dòng)�(shì)的大�,與氧化鋯固體電解質(zhì)兩側(cè)氣體中的氧濃度有�(guān)�

氧化鋯氧傳感器工作原�

在氧化鋯電解�(zhì)(ZrO2�)的兩�(cè)面分別燒�(jié)上多孔鉑(Pt)電�,測(cè)量電池本體分�3層:�(電極)─氧化�(電解�(zhì))─�(電極)。鉑電極是多孔性的。煙道氣體通過過濾器或校驗(yàn)氣體通過傳導(dǎo)管�(jìn)入測(cè)量電池被�(cè)氣體一�(cè),而另一�(cè)為參比空�(含氧20.60�)�

兩種含氧濃度不同的氣體作用在�(cè)量電池,便產(chǎn)生一�(gè)以對(duì)�(shù)為規(guī)律的電勢(shì)(兩側(cè)的氧濃度差愈�, 電勢(shì)信號(hào)愈大)。毫伏信�(hào)�(jīng)氧分析儀�(zhuǎn)換成0�10mA�4�20mA�(biāo)�(zhǔn)電流。此電流由氧分析儀接線端子輸出�

�(cè)量電池的工作溫度�(shè)置為高于650℃的恒定溫度, 為了保持工作溫度恒定,用一支K型熱電偶�(cè)量電池的工作溫度,經(jīng)氧分析儀�(nèi)的溫度控制器�(diào)節(jié)加熱器的加熱電壓�

�(dāng)�(cè)量煙氣溫度高�700℃時(shí),傳感器組成中省去加熱器和測(cè)�?zé)犭娕�?/p>

在理想狀�(tài)�,當(dāng)被測(cè)煙氣與參比氣濃度一樣時(shí),其輸出電勢(shì)E值為 0 mV, 但在�(shí)際應(yīng)用中,鋯管實(shí)際條件和�(xiàn)�(chǎng)情況均不是理想狀�(tài)。故事實(shí)上的鋯管是偏離此值的。實(shí)際上,一定氧含量鋯管輸出的電�(shì)為理論值和本底電勢(shì)的和,我們稱為無濃差條件下鋯管輸出的電勢(shì)值為本底電勢(shì)或稱為零位電�(shì),此值的大小又在不同溫度下呈不同的值,并且隨鋯管使用期延長(zhǎng)而變�。因�,如不對(duì)此情況處�,會(huì)�(yán)重影響整套測(cè)氧儀的準(zhǔn)確和探頭壽命�

氧化鋯氧量分析儀的結(jié)�(gòu)及種�

氧化鋯氧量分析儀的構(gòu)成是由氧傳感�(又稱氧探�、氧檢測(cè)�)、氧分析儀(又稱變送器、變送單元、轉(zhuǎn)換器、分析儀)以及防塵裝置、熱電偶、加熱器、標(biāo)�(zhǔn)氣體�(dǎo)�、接線盒以及外殼殼體等組��

防塵裝置由防塵罩和過濾器組成,能防止煙氣中的灰塵�(jìn)入氧化鋯鋯管�(nèi)�,使鋯管元件免受污染,并能起到緩沖氣樣作用�

氧化鋯管元件是氧探頭的核心部�,由它產(chǎn)生氧濃差電勢(shì)信號(hào)。氧化鋯管是陶瓷類金屬氧化物,使用時(shí)必須避免劇烈震動(dòng),以免損壞鋯管元��

熱電偶是探頭�(nèi)置加熱器恒溫控制之用,也是測(cè)量鍋�、窯爐煙道中被測(cè)氣體的溫度的元件,為氧量�(jì)算提供一�(gè)溫度信號(hào)�

加熱器的作用是提供氧化鋯固體電解�(zhì)元件正常工作所需的溫�,從而使其在低于600℃的被測(cè)煙氣�(huán)境中也能正常工作�

來自氧探頭的氧電�(shì)信號(hào)、熱偶溫度信�(hào)�(jīng)放大送A/D�(zhuǎn)換電�,與校正系數(shù)一起�(jìn)行數(shù)�(jù)處理,即可得出氧含量的百分含�。同�(shí),系�(tǒng)可實(shí)行氧電勢(shì)、探頭溫�、校正系�(shù)值的顯示,并�(duì)鋯管的加熱電爐�(jìn)行恒溫控�,且輔以斷偶、超溫保�(hù)、熱偶反接保�(hù),確保系�(tǒng)可靠工作�

按檢�(cè)方式的不�,氧化鋯氧探頭分為兩大類:采樣檢�(cè)式氧探頭及直插式氧探��

采樣檢測(cè)式氧探頭

采樣檢測(cè)方式是通過�(dǎo)引管,將被測(cè)氣體�(dǎo)入氧化鋯檢測(cè)�,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。其�(yōu)�(diǎn)是不受檢�(cè)氣體溫度的影�,通過采用不同的導(dǎo)流管可以檢測(cè)各種溫度氣體中的氧含�,這種靈活性被�(yùn)用在許多工業(yè)在線檢測(cè)�。其缺點(diǎn)是反�(yīng)�(shí)間慢;結(jié)�(gòu)�(fù)�,容易影響檢�(cè)精度;在被檢�(cè)氣體雜質(zhì)較多�(shí),采樣管容易堵塞;多孔鉑電極容易受到氣體中的�,砷等的腐蝕以及�(xì)小粉塵的堵塞而失�;加熱器一般用電爐絲加�,壽命不�(zhǎng)�

在被檢測(cè)氣體溫度較低�0℃~650℃),或被測(cè)氣體較清潔時(shí),適宜采樣式檢測(cè)方式,如制氮�(jī)�(cè)氧,�(shí)�(yàn)室測(cè)氧等�

直插檢測(cè)式氧探頭

直插式檢�(cè)是將氧化鋯直接插入高溫被�(cè)氣體,直接檢�(cè)氣體中的氧含�,這種檢測(cè)方式適宜被檢�(cè)氣體溫度�700℃~1150℃時(shí)(特殊結(jié)�(gòu)還可以用�1400℃的高溫),它利用被�(cè)氣體的高溫使氧化鋯達(dá)到工作溫�,不需另外用加熱器。直插式氧探頭的技�(shù)�(guān)鍵是陶瓷材料的高溫密封和電極問題�

由于需要將氧化鋯直接插入檢�(cè)氣體中,�(duì)氧探頭的�(zhǎng)度有較高要求,其有效�(zhǎng)度在500mm�1000mm左右,特殊的�(huán)境長(zhǎng)度可�(dá)1500mm。且檢測(cè)精度,工作穩(wěn)定性和使用壽命都有很高的要�,因此直插式氧探頭很難采用傳�(tǒng)氧化鋯氧探頭的整體氧化鋯管狀�(jié)�(gòu),而多采取技�(shù)要求較高的氧化鋯和氧化鋁管連接的結(jié)�(gòu)。密封性能是這種氧化鋯氧探頭的最�(guān)鍵技�(shù)之一。目前國(guó)際上最先�(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�(cè)方式�,直插式檢測(cè)有顯而易見的�(yōu)�(diǎn):氧化鋯直接接觸氣體,檢�(cè)精度�,反�(yīng)速度快,維護(hù)量較��