簡述氧化鋯氧量分析儀的工作原理和內(nèi)容分析

氧分析儀

　　氧化鋯氧量分析儀主要用于測(cè)量燃燒過程中煙氣的含氧濃度，同樣也適用于非燃燒氣體氧濃度測(cè)量。它又被稱為氧化鋯氧量分析儀，氧化鋯分析儀/氧化鋯氧量計(jì)/氧化鋯氧量表.在傳感器內(nèi)溫度恒定的電化學(xué)電池(氧濃差電池，也簡稱鋯頭)產(chǎn)生*個(gè)毫伏電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)直接反應(yīng)出煙氣中含氧濃度值。氧傳感器的關(guān)鍵部件是氧化鋯，在氧化鋯元件的內(nèi)外兩側(cè)涂上多孔性鉑電*制成氧濃度差電池。它位于傳感器的頂端。為了使電池保持額定的工作溫度，在傳感器中設(shè)置了加熱器。用氧分析儀內(nèi)的溫度控制器控制氧化鋯溫度恒定。氧化鋯氧量分析儀的構(gòu)成是由氧傳感器(又稱氧探頭、氧檢測(cè)器)、氧分析儀(又稱變送器、變送單元、轉(zhuǎn)換器、分析儀)以及它們之間的連接電纜等組成。

　　氧化鋯探頭是利用氧化鋯濃差電勢(shì)來測(cè)定氧含量的傳感器，其核心的氧化鋯管安置在*微型電爐內(nèi)，位于整個(gè)探頭的頂端。

　　氧化鋯管是由氧化鋯材料摻以*定量的氧化釔或氧化鈣經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后形成的穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷燒結(jié)體。由于它的立方晶格中含有氧離子空穴，因此在高溫下它是良好的氧離子導(dǎo)體。因其這*特性，在*定高溫下，當(dāng)鋯管兩邊的氧含量不同時(shí)，它便是*個(gè)典型的氧濃差電池，在此電池中，空氣是參比氣，它與煙氣分別位于內(nèi)外電*。在實(shí)際的氧探頭中，空氣流經(jīng)外電*，煙氣流經(jīng)內(nèi)電*，當(dāng)煙氣氧含量P小于空氣氧含量P0(20.6%O2)時(shí)，空氣中的氧分子從外電*上奪取4個(gè)電子形成2個(gè)氧離子，發(fā)生如下電*反應(yīng)：

　　O(P0)+4e-→2O-2

　　氧離子在氧化鋯管中迅速遷移到煙氣邊，在內(nèi)電*上發(fā)生相反的電*反應(yīng)：

　　2O-2→O(P0)+4e-

　　由于氧濃差導(dǎo)致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊，因而產(chǎn)生的電勢(shì)又導(dǎo)致氧離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊，當(dāng)這兩種遷移達(dá)到平衡后，便在兩電*間產(chǎn)生*個(gè)與氧濃差有關(guān)的電勢(shì)信號(hào)E,該電勢(shì)信號(hào)符合"能斯特"方程：

　　E=(RT/4F)Ln(P0/P)(1)

　　式中R、F分別是氣體常數(shù)和法拉第常數(shù)，T是鋯管絕對(duì)溫度(K),P0是空氣氧含量(20.6%O2),P是煙氣含量。

　　由(1)式可見，在*定的高溫條件下(*般)600℃)，*定的煙氣氧含量便會(huì)有*對(duì)應(yīng)的電勢(shì)輸出，在理想狀態(tài)下，其電勢(shì)值在高溫區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)氧含量。在理想狀態(tài)下，當(dāng)被測(cè)煙氣與參比氣濃度*樣時(shí)，其輸出電勢(shì)E值為0mV,但在實(shí)際應(yīng)用中，鋯管實(shí)際條件和現(xiàn)場(chǎng)情況均不是理想狀態(tài)。故事實(shí)上的鋯管是偏離此值的。實(shí)際上，*定氧含量鋯管輸出的電勢(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)或稱為零位電勢(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而變化。因此，如不對(duì)此情況處理，會(huì)嚴(yán)重影響整套測(cè)氧儀的準(zhǔn)確和探頭壽命。鑒于此，HD-D系列氧分析儀采取了"雙參數(shù)校正法"，對(duì)探頭本底電勢(shì)作特殊處理，彌補(bǔ)了鋯管的離散性缺陷，延長了探頭的使用壽命。

　　氧化鋯氧量分析儀的構(gòu)成是由氧傳感器(又稱氧探頭、氧檢測(cè)器)、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)準(zhǔn)氣體導(dǎo)管、接線盒以及外殼殼體等組成。

　　防塵裝置由防塵罩和過濾器組成，能防止煙氣中的灰塵進(jìn)入氧化鋯鋯管內(nèi)部，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件，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)，以免損壞鋯管元件。

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

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

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

　　按檢測(cè)方式的不同，氧化鋯氧探頭分為兩大類：采樣檢測(cè)式氧探頭及直插式氧探頭。采樣檢測(cè)方式是通過導(dǎo)引管，將被測(cè)氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測(cè)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*般采用管狀，電*采用多孔鉑電*。其優(yōu)點(diǎn)是不受檢測(cè)氣體溫度的影響，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量，這種靈活性被運(yùn)用在許多工業(yè)在線檢測(cè)上。其缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間慢；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易影響檢測(cè)精度；在被檢測(cè)氣體雜質(zhì)較多時(shí)，采樣管容易堵塞；多孔鉑電*容易受到氣體中的硫，砷等的腐蝕以及細(xì)小粉塵的堵塞而失效；加熱器*般用電爐絲加熱，壽命不長。

　　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，如制氮機(jī)測(cè)氧，實(shí)驗(yàn)室測(cè)氧等。

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

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