氧探頭的測(cè)氧原理
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(dāng)電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時(shí),高濃度側(cè)(II側(cè)Pref)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)(I側(cè)Po2)的Pt電極上放出電子,轉(zhuǎn)化成氧分子,使該電極帶負(fù)電。兩個(gè)電極的反應(yīng)式分別為:
在II側(cè) (1) 在I側(cè) (2) 這樣在兩個(gè)電極間便產(chǎn)生了一定的電動(dòng)勢(shì)氧氣探頭,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。這種電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原動(dòng)力是兩側(cè)電極上氧的化學(xué)位差。1933年Wagner確立了原電池電動(dòng)勢(shì)與兩側(cè)化學(xué)位之間的關(guān)系為:
(3)式中,n為電極反應(yīng)得失數(shù),這里n=4e;F為法拉第常數(shù); 和 分別為低氧濃度和高氧濃度側(cè)電極氧的化學(xué)位;t1為離子遷移數(shù)。如把氧氣看成理想氣體,則有
(4) 式中, 為氧的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)位;R為氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度,PO2為氧分壓。
假定t1,對(duì)(3)式積分并將(4)式代入,經(jīng)整理可得
(5)此式即著名的能斯脫關(guān)系式。它是氧探頭測(cè)氧的基礎(chǔ)。
在氧探頭中,高濃度側(cè)氣體用已知氧濃度(Pref)的氣體作為參比氣,如用空氣,則Pref =20.6% 。將此值及(5)式中的常數(shù)項(xiàng)合并。則得參比氣為空氣的能斯特公式
E=0.0215Tln0.2095/PO2 (6)
可見,如能測(cè)出氧探頭的輸出電動(dòng)勢(shì)E和被測(cè)氣體的絕對(duì)溫度T,即可算出被測(cè)氣體的氧分壓(濃度)PO2 。
在實(shí)際應(yīng)用中,通過檢測(cè)氣體的氧電勢(shì)及溫度氧氣探頭,通過以能斯特公式為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型甲苯檢測(cè)儀,就可以推算出被測(cè)氣體的氧含量(百分比)。這就是氧化鋯氧探頭的基本檢測(cè)原理。
氧化鋯氧探頭的結(jié)構(gòu)類型及工作原理:
氧化鋯氧濃差電池用于實(shí)際檢測(cè)中,主要需要解決的問題是,氧化鋯檢測(cè)頭,反應(yīng)電極及將被測(cè)氣體與參比氣(空氣)嚴(yán)格隔離的問題(也叫做氧探頭的密封問題)。實(shí)際應(yīng)用過程中,最難以解決的是密封問題和反應(yīng)電極問題。
下面對(duì)一些氧探頭的結(jié)構(gòu)類型加以說明。以檢測(cè)方式不同分,氧化鋯氧探頭基本上可以分為兩大類:采樣檢測(cè)式氧探頭及直插式氧探頭。
1.采樣檢測(cè)式氧探頭:
采樣檢測(cè)方式是通過導(dǎo)引管,將被測(cè)氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測(cè)室。檢測(cè)室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。采樣檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是不受檢測(cè)氣氛溫度的影響,通過采用不同的導(dǎo)流管可以檢測(cè)各種溫度氣氛中的氧含量。由于采樣式檢測(cè)方式的靈活性,因此運(yùn)用在許多工業(yè)在線檢測(cè)上。采樣檢測(cè)的缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間慢;結(jié)構(gòu)復(fù)雜,容易影響檢測(cè)精度;在被檢測(cè)氣氛雜質(zhì)較多時(shí),采樣管容易堵塞;多孔鉑電極容易受到氣氛中的硫,砷等的腐蝕以及細(xì)小粉塵的堵塞而失效;加熱器一般用電爐絲加熱,壽命不長(zhǎng)。
在被檢測(cè)氣體溫度較低(0-650℃),或被測(cè)氣氛較清潔時(shí),采樣式檢測(cè)方式工作較好,如制氮機(jī)測(cè)氧,實(shí)驗(yàn)室測(cè)氧等。
2. 直插式檢測(cè)方式:
直插式檢測(cè)是將氧化鋯直接插入高溫被測(cè)氣體氧氣探頭,直接檢測(cè)氣體中的氧含量。這種檢測(cè)方式應(yīng)用在被檢測(cè)氣氛溫度在700-1150℃時(shí)(特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫),利用被測(cè)氣氛的高溫使氧化鋯達(dá)到工作溫度,不另外用加熱器。直插式氧探頭的技術(shù)關(guān)鍵是陶瓷材料的高溫密封問題和電極問題。
以下列舉了幾種直插式氧探頭的結(jié)構(gòu)形式。
(1) 整體氧化鋯管式:這種形式是從采樣檢測(cè)方式上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(zhǎng),使氧化鋯可以直接伸到高溫被測(cè)氣體中。這種結(jié)構(gòu)不存在高溫密封問題,很容易解決密封問題。
(2)由于直插式氧探頭的工作環(huán)境惡劣,且對(duì)其檢測(cè)精度、工作穩(wěn)定性和工作壽命都要求較高甲醇報(bào)警器,需
采用新的技術(shù),克服傳統(tǒng)氧化鋯氧探頭的不足。直插式氧化鋯氧探頭 由于需要將氧化鋯直接插入檢測(cè)氣氛中,對(duì)氧探頭的長(zhǎng)度有較高要求,一般直插式氧探頭的有效長(zhǎng)度在500-1000mm左右,特殊的環(huán)境長(zhǎng)度可達(dá)1500mm。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(shù)要求較高的氧化鋯和氧化鋁管連接的結(jié)構(gòu)。因此密封性能是這種氧化鋯氧探頭的最關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國際上最先進(jìn)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(如圖3)。與采樣式檢測(cè)方式比,直插式檢測(cè)有顯而易見的優(yōu)點(diǎn):氧化鋯直接接觸氣氛,檢測(cè)精度高,反應(yīng)速度快,維護(hù)量較小。
氧探頭的測(cè)氧原理
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