檢測氧含量在工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護等領域具有十分重要的意義。而氧化鋯氧含量傳感器以其獨特的反應機理，能夠測量出高粉塵、高溫和混合氣體的氧含量并廣泛應用于汽車、內(nèi)燃機車尾氣以及各種工業(yè)爐煙氣等氧含量的連續(xù)監(jiān)測。
氧化鋯氧傳感器的基本原理是能斯特原理（1889），Walther Nernst流電元素的物理行為。1989年能斯特（Nernst）發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定氧化鋯在高溫下呈現(xiàn)的離子導電現(xiàn)象。從此氧化鋯成為研究和開發(fā)應用最普遍的一種固體電解質(zhì)，它已在高溫技術，特別是高溫測試技術上得到廣泛應用。由于氧探頭與現(xiàn)有測氧儀表（如磁氧分析器、電化學式氧量計、氣象色譜儀等）相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應時間短（0.1s~0.2s）、測量范圍寬（從ppn到百分含量）、使用溫度高（600℃～1200℃）、運行可靠、安裝方便、維護量小等優(yōu)點，因此在冶金、化工、電力、陶瓷、汽車、環(huán)保等工業(yè)部門得到廣泛的應用。
1基本原理
如圖1所示，在氧化鋯電解質(zhì)（ZrO2管）的兩側(cè)面分別燒結(jié)上多孔鉑（Pt）電極，在一定溫度下，當電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時，高濃度側(cè)（空氣）的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結(jié)合形成氧離子O2-，使該電極帶正電，O2-離子通過電解質(zhì)中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(cè)的Pt電極上放出電子，轉(zhuǎn)化成氧分子，使該電極帶負電。兩個電極的反應式分別為：
參比側(cè)∶O2+4e——2O2-
測量側(cè)∶2O2--4e——O2
這樣在兩個電極間便產(chǎn)生了一定的電動勢，氧化鋯電解質(zhì)、Pt電極及兩側(cè)不同氧濃度的氣體組成氧探頭即所謂氧化鋯濃差電池。當氧化鋯管處的溫度被加熱到600℃～1400℃時，高濃度側(cè)氣體用已知氧濃度的氣體作為參比氣，如能測出氧探頭的輸出電動勢和被測氣體的絕對溫度即可算出被測氣體的氧分壓（濃度），這就是氧化鋯氧探頭的基本檢測原理。
2 氧化鋯氧探頭的結(jié)構(gòu)類型及工作原理
按檢測方式的不同，氧化鋯氧探頭分為兩大類∶采樣檢測式氧探頭及直插式氧探頭。
2.1采樣檢測式氧探頭
采樣檢測方式是通過導引管，將被測氣體導入氧化鋯檢測室，再通過加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度（750℃以上）。氧化鋯一般采用管狀，電極采用多孔鉑電極（如圖2）。其優(yōu)點是不受檢測氣體溫度的影響，通過采用不同的導流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量，這種靈活性被運用在許多工業(yè)在線檢測上。其缺點是反應時間慢；結(jié)構(gòu)復雜，容易影響檢測精度;在被檢測氣體雜質(zhì)較多時，采樣管容易堵塞;多孔鉑電極容易受到氣體中的硫、砷等的腐蝕以及細小粉塵的堵塞而失效;加熱器一般用電爐絲加熱，壽命不長。在被檢測氣體溫度較低（0℃～650℃），或被測氣體較清潔時，適宜采樣式檢測方式，如制氮機測氧，實驗室測氧等。
2.直插檢測式氧探頭
直插式檢測是將氧化鋯直接插入高溫被測氣體，直接檢測氣體中的氧含量，這種檢測方式適宜被檢測氣體溫度在700℃～1150℃時（特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫），它利用被測氣體的高溫使氧化鋯達到工作溫度，不需另外用加熱器（如圖3）。直插式氧探頭的技術關鍵是陶瓷材料的高溫密封和電極問題。以下列舉了兩種直插式氧探頭的結(jié)構(gòu)形式。
（1）整體氧化鋯管
該形式是從采樣檢測方式中采用的氧化鋯管的形式上發(fā)展起來的，就是將原來的氧化鋯管加長，使氧化鋯可以直接伸到高溫被測氣體中。這種結(jié)構(gòu)無需考慮高溫密封問題。
（2）直插式氧化鋯氧探頭
由于需要將氧化鋯直接插入檢測氣體中，對氧探頭的長度有較高要求，其有效長度在500mm～1000mm左右，特殊的環(huán)境長度可達1500mm。且檢測精度、工作穩(wěn)定性和使用壽命都有很高的要求，因此直插式氧探頭很難采用傳統(tǒng)氧化鋯氧探頭的整體氧化鋯管狀結(jié)構(gòu)，而多采取技術要求較高的氧化鋯和氧化鋁管連接的結(jié)構(gòu)。密封性能是這種氧化鋯氧探頭的最關鍵技術之一。目前國際上最先進的連接方式，是將氧化鋯與氧化鋁管永久的焊接在一起，其密封性能極佳，與采樣式檢測方式比，直插式檢測有顯而易見的優(yōu)點∶氧化鋯直接接觸氣體、檢測精度高、反應速度快、維護量較小。
3氧探頭的工業(yè)應用
在工業(yè)鍋爐、加熱爐上的應用∶
氧探頭使用時，引入被測氣體的方式有直插式和采樣檢測式兩種。直插式響應時間短、不需要加熱器、結(jié)構(gòu)簡單、小型輕便，但要求同時檢測被測氣體的溫度。采樣檢測式由于氧探頭的溫度由加熱器控制，因此測量精度高、工作可靠，但響應時間取決于氣體的流量。
直插式氧分析器已廣泛應用在鍋爐和加熱爐的煙氣含氧量的測定。作此用途的氧探頭多采用管狀結(jié)構(gòu)，此管可以兩端開口，也可以單端開口，目前市場出現(xiàn)最多的是后一種。ZrO2管內(nèi)外壁上涂有多孔Pt電極，由內(nèi)外電極分別向管端引伸并在端部接出Ni Cr絲作信號輸出用，從而控制燃燒系統(tǒng)實現(xiàn)低氧燃燒，達到降低熱能損失、節(jié)約能源的目的。
4氧傳感器的安裝
合理的安裝是保證氧傳感器可靠運行的關鍵，氧化鋯使用的好壞，在很大程度上取決于正確選擇測點位置。
4.1 采樣測量點
確定測量點是首要的工作，它應遵循如下幾項原則∶
（1）測量溫度的保持。若測量溫度在500℃以下，由于氧化鋯的內(nèi)阻很高，使輸出電勢很小，難以測量準確;反之測點溫度過高，影響鋯頭的使用壽命?！阏_的位置應選在溫度為600-850℃，所以測氧的取樣點必須是高溫煙氣。而且要確保煙樣被抽到氧化鋯探頭處保持至少600℃。
（2）選擇的測量點要求能正確反映所檢測的爐內(nèi)氣體，以保證氧傳感器輸出信號的真實性，盡量避開回風死角;
（3）測量點不可太靠近燃燒點或噴頭等部位，這些部位的氣體處于劇烈反應中，會造成氧傳感器檢測值劇烈波動失真，因此選擇測點處不能有明火沖刷探頭，并盡量避免或減少可燃性氣體出現(xiàn);
（4）避免放在可能震動、震蕩、碰撞的位置，以免損壞傳感器或探頭。
4.2氧傳感器的安裝、連接方式
（1）氧探頭的安裝可采用水平或垂直方式，其中垂直安裝較理想。不管采用何種方式，探頭采樣管引導板的方向應該盡量正對被測氣流的方向，在初始安裝的時，先通過了解工藝，確定基本方向。然后在系統(tǒng)通電加熱探頭以后，旋轉(zhuǎn)采樣管方向，使用數(shù)字萬用表觀察輸出氧電勢的波動情況來最終確定比較好的引導方向。
（2）測點及探頭各連接處應嚴密不漏氣。氧傳感器安裝所用接頭為專用法蘭接頭，配裝石棉墊壓接，以確保密封，否則因為一般爐內(nèi)為負壓，該處法蘭接頭處漏氣會影響測量精度或造成信號波動。
（3）氧傳感器的信號引出線最好用屏蔽線，以消除干擾。最佳方式是使用2根2芯電纜，一根2芯屏蔽電纜接氧電勢輸出信號，一根2芯KW控制電纜接探頭加熱連接端;如果現(xiàn)場條件不具備可直接使用一根4芯KW電纜連接探頭氧電勢信號和加熱端。
（4）氧探頭的標氣口平時關閉，只在標定氣體的時候使用；吹掃氣口連接氣泵或者壓縮空氣管路，吹掃口進氣一般用一個電磁閥等閥門控制，一定周期開啟一次，通入氣體吹掃采樣管，探頭正常檢測時閥門關閉，不能有其他氣體進入采樣管。使用廠方的壓縮空氣吹掃探頭必須保證壓縮空氣中不含有水份，即對所采用的壓縮空氣必須進行氣水分離處理。
5氧傳感器的使用和維護
5.1連接加熱控制
采樣檢測式氧探頭，只有在氧傳感器連接了加熱控制以后才能正常工作，冷態(tài)下輸出的是隨機信號，不代表任何意義，氧傳感器在接入加熱控制以后，在室溫條件下既可以開始正常的氣體檢測。一般的探頭調(diào)零就是在室溫下，加熱探頭以后，通過對空氣的測量，用數(shù)字萬用表測量此時探頭輸出毫伏值，此數(shù)值就是該探頭的零位偏差數(shù)值，在顯示儀表中需要加入該零位偏差來修正儀表顯示的氧濃度。
5.2新裝或更換氧傳感器時的注意事項
新裝或更換氧傳感器時，均應校正氧分析儀的氧濃度顯示值。不進行此項工作，更換新的傳感器后，氧分析儀檢測的氧濃度可能會與實際濃度產(chǎn)生偏差，從而影響測量。
凡是使用過或存放時間超過六個月及污染較大的鋯管，應在飽和蘇打水中浸泡2~3小時，再用純水沖洗干凈，直至鉑絲呈本色，烘干了才可以使用。
5.3氧濃度的修正原理及方法
氧傳感器直接測量輸出的是被測氣體的濃度與標準空氣差電勢數(shù)值，我們稱為氧電勢，該電勢數(shù)值在零點（即空氣測量）時不同的探頭起始輸出電勢就存在偏差，而輸出電勢經(jīng)過模型轉(zhuǎn)換輸出氧濃度時也可能存在誤差，因此在氧分析儀中對探頭信號進行標定修正就是很必要的工作，否則顯示氧濃度與實際被測氣體的氧濃度就會存在較大偏差，滿足不了現(xiàn)場生產(chǎn)的需要，甚至誤導控制影響生產(chǎn)。
具體的修正一般通過標準氣體進行標定，方法是將計量核定確認的標準氣體通過標氣口通入探頭，測量此時輸出氧電勢及儀表顯示氧濃度，儀表顯示氧濃度應該與標準氣體濃度相同，存在偏差則修正儀表線性參數(shù)，標準計量要求最少使用三種不同濃度標準氣體標定系統(tǒng)這樣經(jīng)過三次標定重復修正好系統(tǒng)線性，保證系統(tǒng)正常工作。
5.4積塵對氧傳感器的影響及吹掃清除方法
由于氧傳感器是長期在線檢測測量的器件，鍋爐等設備（尤其是煤燃燒爐或者燒粉窯爐等）產(chǎn)生的粉塵會堵塞導氣采樣管道，造成測量的數(shù)值失真甚至無法測量，此時必須定期對采樣管中的積塵進行吹掃處理，吹掃時間的長短視積灰程度確定，這種吹掃方法要求氧分析儀具有相應功能或者配套使用氧傳感器的維護裝置，如果沒有這些裝置只能安裝手動閥門控制壓縮空氣或氣泵定期通入吹掃氣口對探頭進行除塵工作，但此時必須注意以下情況∶
（1）由于在吹掃的過程中，氧傳感器的氧電勢會下降，最低有可能會降到1、2mV，這時檢測的氧電勢不代表爐內(nèi)的氣氛，此點必須要注意;
（2）吹掃空氣的流量要保證能夠去除積灰，吹掃過程中可注意氧傳感器的氧電勢輸出值，如果氧電勢值始終沒有下降，表明空氣流量太小積塵沒有清理，應予以調(diào)節(jié)或者檢查吹掃管道，可能吹掃管道已經(jīng)堵死;
（3）吹掃口的通道是與爐內(nèi)直接相通的，每次在吹掃完畢后，應關閉閥門，堵死吹掃孔，防止因爐內(nèi)負壓空氣進入，影響氧傳感器的檢測。
在分析氧傳感器的好壞時應將其視為一個單獨的檢測部件。在檢測氧傳感器的氧電勢時應把與氧傳感器連接的所有導線斷開，用高內(nèi)阻的數(shù)字表在氧傳感器的輸出端直接檢測氧電勢。通過檢測氧電勢，與正常使用時的數(shù)值相比較。
6結(jié)論
氧化鋯測氧儀具有結(jié)構(gòu)簡單、響應時間短、測量范圍寬、使用溫度高、運行可靠、安裝方便、維護量小等優(yōu)點，因此在冶金、化工、電力、陶瓷、汽車、環(huán)保等工業(yè)部門得到廣泛的應用。
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