氧化锆分析仪分析原理探讨

　　在许多生产过程中，特别是燃烧过程和氧化反应过程中，测量和控制混合气体中的氧含量是非常重要的。电化学法(氧化锆属电化学类)是目前工业上分析氧含量的一种方法，具有结构简单、维护方便，反应迅速，测量范围广等特点。氧化锆氧量计是电化学分析器的一种，可以连续分析各种工业锅炉和炉窑内的燃烧情况，通过控制送风来调整过剩空气系数α值，以保证最佳的空气燃料比，达到节能和环保的双重效果。这里以氧化锆氧量计为例介绍氧含量的检测原理。

　　氧化锆的导电机理：

　　电解质溶液靠离子导电，具有离子导电性质的固体物质称为固体电解质。固体电解质是离子晶体结构，靠空穴使离子运动 导电，与P型半导体空穴导电的机理相似。纯氧化锆(ZrO2)不导电，掺杂一定比例的低价金属物作为稳定剂，如氧化钙(CaO2)、氧化镁(MgO)、氧化钇(Y2O3)，就具有高温导电性，成为氧化锆固体电解质。

　　氧离子空穴形成示意图

　　为什么加入稳定剂后，氧化锆就会具有很高的离子导电性呢?这是因为，掺有少量CaO2 的ZrO2混合物，在结晶过程中，钙离子进入立方晶体中，置换了锆离子。由于锆离子是+4价，而钙离子是+2价，一个钙离子进入晶体，只带入了一个氧离子，而被置换出来的锆离子带出了两个氧离子，结果，在晶体中便留下了一个氧离子空穴。例如：(ZrO2)0.85 (CaO2)0.15这样的氧化锆(氧化锆的摩尔分数为85%、氧化钙的摩尔分数是15%)，则具有7.5%的摩尔分数的氧离子空穴，是成了一种良好的氧离子固体电解质。

　　氧化锆分析仪的测量原理

　　在一个高致密的氧化锆固体电解质的两侧，用烧结的方法制成几微米到几十微米厚的多孔铂层作为电极，再在电极上焊上铂丝作为引线，就构成了氧浓差电池，如果电池左侧通入参比气体(空气)，其氧分压为p0;电池右侧通入被测气体，其氧分压为p1(未知)。

　　氧浓差电池原理图

　　设p0 > p1，在高温下(650…value="850" unit>value="850" unit>850℃)，氧就会从分压大的p0一侧向分压小的p1侧扩散，这种扩散，不是氧分子透过氧化锆从P0侧到P1侧，而是氧分子离解成氧离子后，通过氧化锆的过程。在value="750" unit>750℃左右的高温中，在铂电极的催化作用下，在电池的P0侧发生还原反应，一个氧分子从铂电极取得4个电子 ，变成两个氧离子(O2-)进入电解质，即：

　　O2(P0)+ 4e →2O2-

　　P0侧铂电极由于大量给出电子而带正电，成为氧浓差电池的正极或阳极。这些氧离子进入电解质后，通过晶体中的空穴向前运动到达右侧的铂电极，在电池的P1侧发生氧化反应，氧离子在铂电极上释放电子并结合成氧分子析出，即：

　　2O2- - 4e →O2(P1)

　　P1侧铂电极由于大量得到电子而带负电，成为氧浓差电池的负极或阴极。这样在两个电极上，由于正负电荷的堆积而形成一个电势，称之为氧浓差电动势。当用导线将两个电极连成电路时，负极上的电子就会通过外电路流到正极，再供给氧分子形成离子，电路中就有电流通过。氧浓差电动势的大小，与氧化锆固体电解质两侧气体中的氧浓度有关。据此我们就可以知道被测气体中的氧含量。在特定的温度下氧的体积分数%O2与氧浓差电势(mV)存在特定的对应关系。与热电偶的分度值相类似。

　　氧化锆检测器的种类、结构和性能

　　根据氧化锆探头的结构形式和安装方式的不同，我们可把氧化锆分析仪分为直插式、抽吸式和自然渗透式及色谱用检测器四类，目前大量使用的是直插式氧化锆分析仪。但现在空气领域和色谱领域也开始大量采用渗透式检测器。

　　直插式氧化锆分析仪

　　直插式氧化锆探头式检测器，主要用于烟道气分析，它主要分为以下几种类型：

　　①中、低温直插式氧化锆探头

　　这种探头适用于烟气温度0…value="650" unit>value="650" unit>650℃(最佳烟气温度350…value="550" unit>value="550" unit>550℃)的场合，探头中自带加热炉。主要用于火电厂锅炉、6…20t/h工业炉等，这是目前使用量最大的一种探头。

　　②带导流管的直插式氧化锆探头

　　这也是一种中低温直插式氧化锆探头，但探头较短(400…value="600" unit>600mm)，带有一根长的导流管，先用导流管将烟气引导到炉壁附近，再用探头进行测量。这主要用于大型、炉壁比较厚的加热炉。燃煤炉宜选带过滤器的直插式探头，不宜选导流式探头，其原因是容易形成灰堵，而燃油炉，这两种都可以用。

　　③高温直插式氧化锆探头