淺析氧化鋯氧量探頭的工作原理

　　1989年能斯特發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的氧化鋯在高溫下呈現(xiàn)的離子導(dǎo)電現(xiàn)象。從此氧化鋯成為研究和開發(fā)應(yīng)用最普遍的一種固體電解質(zhì)，它已在高溫技術(shù)，特別是高溫測試技術(shù)上得到廣泛應(yīng)用。 由于氧化鋯氧量探頭與現(xiàn)有測氧儀表 (如磁氧分析器、電化學(xué)式氧量計(jì)、氣象色譜儀等 )相比，響應(yīng)時(shí)間0.1s～ 0.2s，測量范圍從0-ppm到百分含量，使用溫度500℃～ 1200℃。因此，在冶金、熱處理、電力、陶瓷、汽車、環(huán)保等工業(yè)部門都可以見到氧化鋯氧量探頭的身影。
 

　　氧化鋯氧傳感器是利用穩(wěn)定的二氧化鋯陶瓷在650℃以上的環(huán)境中產(chǎn)生的氧離子導(dǎo)電特性而設(shè)計(jì)的。在一定的溫度條件下，如果在二氧化鋯塊狀陶瓷兩側(cè)的氣體中分別存在著不同的氧分壓(即氧濃度)時(shí)，二氧化鋯陶瓷內(nèi)部將產(chǎn)生一系列的反應(yīng)，和氧離子的遷移。這時(shí)通過二氧化鋯兩側(cè)的引出電極，可測到穩(wěn)定的毫伏級信號，我們稱之為氧電勢。它服從能斯特(Nernst)方程：式中E為氧傳感器輸出的氧電勢(mv)，Tk為爐內(nèi)的絕對溫度(K)，P1和P2分別為二氧化鋯兩側(cè)氣體的氧分壓。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將二氧化鋯的一側(cè)通入已知氧濃度的氣本(通常為空氣)，我們稱之為參比氣。另一側(cè)則是被測氣體，就是我們要檢測的爐內(nèi)的氣氛。氧傳感器輸出的信號就是氧電勢信號，通過能斯特方程我們就可以得到被測爐氣氛中的氧分壓和氧電勢的關(guān)系。參比氣為空氣時(shí)，可表示為：式中E為氧傳感器輸出氧電勢;Tk為爐內(nèi)的絕對溫度;P02為爐內(nèi)的氧分壓。我們的氧傳感器產(chǎn)品帶有自加熱裝置，一般溫度保證在700℃，這樣TK數(shù)值基本是恒定的，從而通過上式可以直接測量出爐內(nèi)氧分壓濃度。工程應(yīng)用中采用標(biāo)準(zhǔn)氣體來標(biāo)定氧傳感器輸出氧電勢E和氧分壓濃度PO2的對應(yīng)關(guān)系，這種方法也是*準(zhǔn)確、直接的標(biāo)定方法。