氧化锆氧量计氧化锆氧量计一、测量原理氧化锆使用周期长（一年到两年），几乎没有延时，测量时仅受温度影响，容易克服，而且仪表本身输出电信号，精度比较高。现在加热炉几乎全部使用氧化锆。氧化锆也称二氧化锆，分子是由一个锆原子和两个氧原子结合而成。纯净的氧化锆是不能进行氧量测量的，真正用于测量氧量的是在氧化锆中加入氧化钙（一氧化钙），这样就可以进行氧量测量。氧化锆氧量计氧化锆(ZrO2)是一种固体电解质，具有离子导电特性。在常温下ZrO2是单斜晶体，当温度升高到1150℃时，晶体发生相变，由单斜晶体变为立方晶体，同时有不到十分之一的体积收缩。当温度下降时，又会发生反方向的相变而成为单斜晶体，因此氧化锆晶体是不稳定的。但在加入一定数量的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y2O3）等其它三价稀土氧化物，并经过高温焙烧后，便形成稳定的莹石形立方晶体结构，其晶形不再随温度而变化。而+2价的钙离子（Ca2+）或+3价的钇离子（Y3+）在进入ZrO2晶体后会置换出+4价的锆离子（Zr4+），从而在晶体中生成氧离子空穴，此空穴带正二价电荷，空穴的多少与掺杂量有关。当温度上升到数百度以上时，掺有氧化钙或氧化钇的氧化锆晶体便成为一种良好的氧离子导体，处于晶格点阵上的氧离子就可以通过晶格中的氧离子空穴而迁移。氧化锆氧量计氧离子空穴形成示意图氧化锆氧量计氧化锆测量含氧量的基本原理是利用所谓的“氧浓差电势”，即在一块氧化锆两侧分别附以多孔的铂电极(又称“铂黑”)，并使其处于高温下。如果两侧气体中的含氧量不同，那么在两电极间就会出现电动势。此电动势是由于固体电解质两侧气体的含氧浓度不同而产生的，故叫氧浓差电势，这样的装置叫做氧浓差电池。2p＞1p1p图6—1氧浓差电池原理氧化锆氧量计氧浓差电池两侧分别为含氧浓度不同的两种气体。氧分子首先扩散到铂电极表面吸附层内，高温下（650OC-850OC)在多孔铂电极的催化下,在电池的P2发生还原反应，一个氧分子从铂电极得到4个电子变成两个氧离子（O2-然后扩散到固体电解质界面上。这时在电极1上（阳极——进行还原反应的电极）产生下列反应：2224OeO（还原反应）P2侧铂电极由于大量给出自由电子而带正电，成为氧浓差电池的正极。eOO4222（氧化反应）这样在P1侧电极上产生了电荷的积累而带负电，成为氧浓差电池的负极。从而在两极板间建立了电场，此电场将阻止这种迁移的进一步进行，直至达到动态平衡状态，此时在两极板间形成电势。当用导线将两个电极连成回路时负极上的电子就会通过外电路回到正极，再供给氧分子形成氧离子电路中就有电流通过。氧化锆氧量计这些氧离子进入电解质后，通过晶体中空穴向前运动到达右侧的铂电极的P1侧，到达P1后，在电极上（进行氧化反应的电极）将产生下列反应：（释放出大量电子）氧化锆氧量计氧浓差电势的大小可由能斯特（Nerenst）公式计算得出：nFRTEln12pp式中E——氧浓差电势（V）；R——理想气体常数，为8.314J／（mol·K）；F——法拉弟常数，为96487C／mol；T——热力学温度（K）；n——一个氧分子输送的电子个数，=4；P1——被分析气体（如烟气）的氧分压；P0——参比气体（如空气）的氧分压。氧化锆氧量计如果被分析气体和参比气体的总压力均为，则可写成由于在混合气体中，某气体组分的分压力与总压力之比等于该组分的体积浓度，即pp/11，pp/22所以（6—2）式可写为nFRTEln12（6—3）由上式可知，当氧浓差电池工作温度T一定，以及参比气体的氧浓度2一定时，电池产生的氧浓差电势与被测气体的含氧浓度（即含氧量）1成单值函数关系。通过测量氧浓差电势E就可以得到被测气体的含氧量。由于在混合气体中，某气体组分的分压力与总压力之比等于该组分的体积浓度，即pp/11，pp/22所以（6—2）式可写为nFRTEln12（6—3）由上式可知，当氧浓差电池工作温度T一定，以及参比气体的氧浓度2一定时，电池产生的氧浓差电势与被测气体的含氧浓度（即含氧量）1成单值函数关系。通过测量氧浓差电势E就可以得到被测气体的含氧量。由于在混合气体中，某气体组分的分压力与总压力之比等于该组分的体积浓度，即则由上式可...
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