氧化鋯分析儀工作原理

儀器工坊

　　氧化鋯分析儀的工作原理基于氧化鋯固體電解質在高溫下的氧離子導電性。其核心部件是氧化鋯傳感器，通常由氧化釔（Y?O?）穩定的氧化鋯（ZrO?）陶瓷體制成。以下是詳細的工作原理：
　　一、氧濃差電池的形成
　　- 結構組成：氧化鋯傳感器的中間是固態電解質氧化鋯，兩側各燒結一層多孔的鉑電極。氧化鋯中摻入一定比例的氧化鈣（CaO）或氧化釔（Y?O?），四價鋯的電子被二價鈣或三價釔所置換，形成氧離子空穴。
　　- 氣體接觸：氧化鋯的一側為被測氣體（如煙氣），另一側為參比氣體（如空氣）。被測氣體中的氧含量通常較低，而參比氣體中的氧含量較高。
　　二、氧離子的遷移與電勢差產生
　　- 高溫條件：當氧化鋯傳感器被加熱到600℃以上（通常在650-850℃之間）時，氧化鋯成為良好的氧離子導體。
　　- 氧離子遷移：由于兩側氣體中的氧濃度不同，氧分子從氧濃度高的一側（參比氣體側）向氧濃度低的一側（被測氣體側）擴散。氧分子在鉑電極處得到電子成為氧離子，進入氧化鋯空穴；氧離子通過氧化鋯到達低氧側時，將電子還給鉑電極變成氧分子。
　　- 電勢差產生：這一過程在兩側的鉑電極之間產生電勢差，即氧濃差電勢。根據能斯特方程（Nernst方程），氧濃差電勢E可以表示為：
       E=4FRT?lnP2?P1??


　　其中R是氣體常數，T是氣體的絕對溫度，F是法拉第常數，P1和P2分別是被測氣體和參比氣體的氧分壓。
　　三、信號輸出與處理
　　- 電勢差測量：通過測量兩側鉑電極之間的電勢差，可以得到與被測氣體中氧含量相關的電信號。
　　- 信號處理：由于電勢差與氧含量之間存在非線性關系，需要通過線性化電路進行處理，以得到準確的氧含量讀數。
　　四、應用與優勢
　　氧化鋯分析儀廣泛應用于工業生產過程中，特別是在燃燒控制領域。它能夠實時監測煙氣中的含氧量，幫助調節助燃空氣的供給量，以獲得最高的熱效率。此外，氧化鋯分析儀具有響應速度快、結構簡單、測量準確、輸出穩定和維護工作量小等優點。
　　綜上所述，氧化鋯分析儀通過利用氧化鋯固體電解質在高溫下的氧離子導電性，形成氧濃差電池，產生與氧含量相關的電勢差，從而實現對氣體中氧含量的精確測量。

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