氧化锆分析仪检测原理

氧化锆分析仪是控制炉窑经济燃烧不可缺少的重要在线仪表，通过它对锅炉中氧含量的检测，可有效地控制锅炉燃烧的热效率，实现节能降耗，减少环境污染和延长炉龄的作用。下面简要介绍氧化锆分析仪工作原理

氧化锆分析仪检测原理

1、按照窑炉烟气温度的不同，氧化锆分析仪可分为：中低温型和高温型两种，它们分别适用在烟气温度为0－650℃和700－900℃的烟气环境中，虽然这两种氧化锆分析仪的工作温度不同，但它们的工作原理是一样的，它们都采用电化学中的电位分析法来进行检测，同样遵循能斯特方程（Nernst）即：

 式中：

 E：氧浓差电势

 R（摩尔气体常数）=8.315

 F（法拉第常数）=96500

 T（热力学温度）：K

 PO：空气氧含量

 P：待测氧含量

n：参加反应物质的电子数，对氧而言为4。

 也就是说，氧化锆分析仪是依据氧浓差电势的大小来测量氧含量的。其电势是由氧电池提供的，该电池可以表示为：

（+）PO，Pt | ZrO2 || Y2O3 | Pt，P（-）

在上式中，ZrO2 || Y2O3表示一根氧化锆管或一片氧化锆片。氧化锆管是一端开口一端封闭的管子，在管子的内外壁各涂有一条铂电极——测量电极和参比电极，其结构如下图：

2、氧化锆管的材质并非纯的氧化锆（ZrO2）而是氧化锆和氧化钇（Y2O3）的混合物。这是因为纯氧化锆晶体属单斜晶体在高温下要发生相变，它是不稳定并且也不导电的。只有在氧化锆中掺入10%的氧化钇（Y2O3），原纯氧化锆中的四价锆离子被三价钇离子取代形成了具有氧离子空穴的立方体晶格形式的晶体结构，从而使新的氧化锆在高温下稳定并且不发生相变，这种新的氧化锆叫稳定氧化锆，俗称氧化锆。

3、在氧化锆的参比电极边（图一中管内PO侧）流过参比空气；在测量电极边（图一中管外P侧）流过待测气体，例如烟气。当测氧电池处于高温时（>650℃）电池导通，便形成了一个氧浓差电池。此时，如果参比侧（空气）的氧分压PO大于待测气体氧分压P，则PO侧的氧分子渗入多孔铂电极，在铂电极的催化作用下夺取电子变成氧离子，在氧化锆中一个氧离子进入离子空穴并通过离子空穴迅速迁移到测量边，放出电子变成氧分子，从另一侧铂电极中放出来。其过程如下图所示。

4、在此过程中， PO侧的氧分子在铂电极上将发生如下反应：

O2 + 4e  2O2-

即氧分子从电极上夺取4个电子形成2个氧离子，进入氧化锆管的氧离子空穴，结果使参比电极带正电。氧离子通过空穴迅速迁移到测量变P侧，将4个电子交于测量电极，变成一个氧分子，使测量电极带负电，其反应为：2O2-  O2 + 4e

显然，上述电极反应在两电极间产生了一个电势。在该电势作用下，又将促使部分O2-作反向运动，当氧浓差引起的氧离子正向迁移量等于电势引起的反向迁移量时，该电池达到平衡状态。于是，在两电极间便形成了一个与氧浓差有关的电势即氧浓差电势，该电势的大小可由能斯特方程求出。

由此，在已知R﹑F﹑n和PO以及固定T的情况下，只要检测出氧浓差电势就可以利用能斯特方程计算出待测烟气中的氧含量了。在实际工作中为了计算的方便，将计算式中的自然对数换算成常用对数，则能斯特方程变形为：

      如果将温度选定在750℃（**温度T为1023K），则（1）式简化为：

  根据（2）式就可以计算得到750℃（**温度T为1023K）时，氧化锆氧浓差电势与待测氧含量的对照表。同理，利用（1）式也可以求出不同工作温度下的氧化锆氧浓差电势与待测氧含量的对照表，其表如下：

由上表我们便可以非常方便地根据氧浓差电势求得待测气体中的氧含量了。由此得到这样的结论：即在氧化锆工作温度下随着待测气体中的氧含量的增加氧浓差电势也随之呈常用对数关系逐渐增加，当待测气体中的氧含量低于空气中的氧含量（20.6％）时，氧浓差电势为负值，当待测气体中的氧含量等于空气中的氧含量（20.6％）时，氧浓差电势为为零，当待测气体中的氧含量高于空气中的氧含量（20.6％）时，氧浓差电势为正值。其关系曲线见（图3）。

由（图3）可以看出在氧化锆工作温度下，当待测气体中的氧含量低于空气中的氧含量（20.6％）时，随着待测气体中的氧含量的逐渐增大，温度的变化对氧浓差电势大小的影响逐渐减小，同样，在此情况下随着待测气体中的氧量的逐渐降低，温度的变化对氧浓差电势大小的影响逐渐增大，因此氧化锆工作温度的严格控制是氧化锆氧分析仪准确测量的重要条件之一。