氧化鋯分析儀分析原理解析.

在許多生產過程中，特別是燃燒過程和氧化反應過程中，測量和控制混合氣體中的氧含量是非常重要的。電化學法（氧化鋯屬電化學類）是目前工業上分析氧含量的一種方法，具有結構簡單、維護方便，反應迅速，測量范圍廣等特點。氧化鋯氧量計是電化學分析器的一種，可以連續分析各種工業鍋爐和爐窯內的燃燒情況，通過控制送風來調整過剩空氣系數α值，以保證**的空氣燃料比，達到節能和環保的雙重效果。這里以氧化鋯氧量計為例介紹氧含量的檢測原理。

   氧化鋯的導電機理：

電解質溶液靠離子導電，具有離子導電性質的固體物質稱為固體電解質。固體電解質是離子晶體結構，靠空穴使離子運動導電，與P型半導體空穴導電的機理相似。純氧化鋯（ZrO2）不導電，摻雜一定比例的低價金屬物作為穩定劑，如氧化鈣（CaO2）、氧化鎂（MgO）、氧化釔（Y2O3），就具有高溫導電性，成為氧化鋯固體電解質。

氧離子空穴形成示意圖

為什么加入穩定劑后，氧化鋯就會具有很高的離子導電性呢？這是因為，摻有少量CaO2 的ZrO2混合物，在結晶過程中，鈣離子進入立方晶體中，置換了鋯離子。由于鋯離子是+4價，而鈣離子是+2價，一個鈣離子進入晶體，只帶入了一個氧離子，而被置換出來的鋯離子帶出了兩個氧離子，結果，在晶體中便留下了一個氧離子空穴。例如：（ZrO2）0.85 （CaO2）0.15這樣的氧化鋯（氧化鋯的摩爾分數為85%、氧化鈣的摩爾分數是15%），則具有7.5%的摩爾分數的氧離子空穴，是成了一種良好的氧離子固體電解質。

   氧化鋯分析儀的測量原理

在一個高致密的氧化鋯固體電解質的兩側，用燒結的方法制成幾微米到幾十微米厚的多孔鉑層作為電極，再在電極上焊上鉑絲作為引線，就構成了氧濃差電池，如果電池左側通入參比氣體（空氣），其氧分壓為p0；電池右側通入被測氣體，其氧分壓為p1（未知）。

氧濃差電池原理圖

設p0 > p1，在高溫下（650…value="850" unitname="℃">value="850" unitname="℃">850℃），氧就會從分壓大的p0一側向分壓小的p1側擴散，這種擴散，不是氧分子透過氧化鋯從P0側到P1側，而是氧分子離解成氧離子后，通過氧化鋯的過程。在value="750" unitname="℃">750℃左右的高溫中，在鉑電極的催化作用下，在電池的P0側發生還原反應，一個氧分子從鉑電極取得4個電子，變成兩個氧離子（O2-）進入電解質，即：

O2（P0）+ 4e →2O2-

P0側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。這些氧離子進入電解質后，通過晶體中的空穴向前運動到達右側的鉑電極，在電池的P1側發生氧化反應，氧離子在鉑電極上釋放電子并結合成氧分子析出，即：

2O2- - 4e →O2（P1）

P1側鉑電極由于大量得到電子而帶負電，成為氧濃差電池的負極或陰極。這樣在兩個電極上，由于正負電荷的堆積而形成一個電勢，稱之為氧濃差電動勢。當用導線將兩個電極連成電路時，負極上的電子就會通過外電路流到正極，再供給氧分子形成離子，電路中就有電流通過。氧濃差電動勢的大小，與氧化鋯固體電解質兩側氣體中的氧濃度有關。據此我們就可以知道被測氣體中的氧含量。在特定的溫度下氧的體積分數%O2與氧濃差電勢（mV）存在特定的對應關系。與熱電偶的分度值相類似。

  氧化鋯檢測器的種類、結構和性能

根據氧化鋯探頭的結構形式和安裝方式的不同，我們可把氧化鋯分析儀分為直插式、抽吸式和自然滲透式及色譜用檢測器四類，目前大量使用的是直插式氧化鋯分析儀。但現在空氣領域和色譜領域也開始大量采用滲透式檢測器。

  直插式氧化鋯分析儀

直插式氧化鋯探頭式檢測器，主要用于煙道氣分析，它主要分為以下幾種類型：
①中、低溫直插式氧化鋯探頭
    這種探頭適用于煙氣溫度0…value="650" unitname="℃">value="650" unitname="℃">650℃（**煙氣溫度350…value="550" unitname="℃">value="550" unitname="℃">550℃）的場合，探頭中自帶加熱爐。主要用于火電廠鍋爐、6…20t/h工業爐等，這是目前使用量**的一種探頭。

②帶導流管的直插式氧化鋯探頭

這也是一種中低溫直插式氧化鋯探頭，但探頭較短（400…value="600" unitname="mm">600mm），帶有一根長的導流管，先用導流管將煙氣引導到爐壁附近，再用探頭進行測量。這主要用于大型、爐壁比較厚的加熱爐。燃煤爐宜選帶過濾器的直插式探頭，不宜選導流式探頭，其原因是容易形成灰堵，而燃油爐，這兩種都可以用。

③高溫直插式氧化鋯探頭

這種探頭本身不帶加熱爐，靠高溫煙氣加熱，適用于700…value="900" unitname="℃">value="900" unitname="℃">900℃的煙氣測量，主要用于電廠、石化廠等高溫煙氣分析環境。

  直插式氧化鋯分析儀的特點和結構

直插式氧化鋯分析儀的突出特點是：結構簡單、維護方便、反應速度快和測量范圍廣，它省去了取樣和樣品處理的環節，從而省去了許多麻煩，因而廣泛應用于各種鍋爐和工業爐窯中。

①直插式氧化鋯分析儀結構組成：
直插式氧化鋯分析儀由氧化鋯探頭（檢測器）和轉換器（二次表）兩部分組成，兩者連接在一起的稱為一體式結構；兩者分開安裝的稱為分離式結構。