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安徽天康--氧化鋯氧量分析儀的工作原理

時(shí)間:2014/5/21閱讀:2420
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安徽天康--氧化鋯氧量分析儀

自然界的氧化鋯(ZrO2)礦物原料,主要有斜鋯石和鋯英石。鋯英石系火成巖深層礦物,顏色有淡黃、棕黃、黃綠等,比重4.6-4.7,硬度7.5,具有強(qiáng)烈的金屬光澤。純的氧化鋯是一種耐火原料,其熔融溫度約為2900℃。

純凈的氧化鋯是白色固體,含有雜質(zhì)時(shí)會(huì)顯現(xiàn)灰色或淡黃色,添加顯色劑還可顯示各種其它顏色。純氧化鋯的分子量為123.22,理論密度是5.89g/cm3,熔點(diǎn)為2715℃。氧化鋯有三種晶體形態(tài):?jiǎn)涡薄⑺姆健⒘⒎骄唷3叵卵趸喼灰詥涡毕喑霈F(xiàn),加熱到1100℃左右轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵訜岬礁邷囟葧?huì)轉(zhuǎn)化為立方相。由于在單斜相向四方相轉(zhuǎn)變的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大的體積變化,冷卻的時(shí)候又會(huì)向相反的方向發(fā)生較大的體積變化,容易造成產(chǎn)品的開(kāi)裂,限制了純氧化鋯在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。但是添加穩(wěn)定劑以后,四方相可以在常溫下穩(wěn)定,因此在加熱以后不會(huì)發(fā)生體積的突變,大大拓展了氧化鋯的應(yīng)用范圍。

由于氧化鋯材料具有高硬度,高強(qiáng)度,高韌性,*的耐磨性及耐化學(xué)腐蝕性等等優(yōu)良的物化性能,氧化鋯已經(jīng)在陶瓷、耐火材料、機(jī)械、電子、光學(xué)、航空航天、生物、化學(xué)等等各種領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。氧化鋯氧分析儀用于對(duì)鋼廠、化工、煤電等行業(yè)內(nèi)的鍋爐、燃煤管道、煙氣通道、加熱爐的氧含量分析,可準(zhǔn)確及時(shí)反映出燃燒時(shí)在線氧含量,也可控制煙道擋板、風(fēng)門(mén)、油門(mén)等,對(duì)提高燃燒效率,降低用氧量,節(jié)能環(huán)保一款必要分析儀器。

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(dǎo)電現(xiàn)象。從此氧化鋯成為研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用zui普遍的一種固體電解質(zhì),它已在高溫技術(shù),特別是高溫測(cè)試技術(shù)上得到廣泛應(yīng)用。由于氧探頭與現(xiàn)有測(cè)氧儀表(如磁氧分析器、電化學(xué)式氧量計(jì)、氣象色譜儀等)相比,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,響應(yīng)時(shí)間短(0.1s~0.2s),測(cè)量范圍寬(從ppm到百分含量),使用溫度高(600℃~1200℃),運(yùn)行可靠,安裝方便,維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn),因此在冶金、化工、電力、陶瓷、汽車、環(huán)保等工業(yè)部門(mén)得到廣泛的應(yīng)用。

安徽天康--氧化鋯氧量分析儀氧探頭的測(cè)氧原理:

氧化鋯的導(dǎo)電機(jī)理:電解質(zhì)溶液靠離子導(dǎo)電,具有離子導(dǎo)電性質(zhì)的固體物質(zhì)稱為固體電解質(zhì)。固體電解質(zhì)是離子晶體結(jié)構(gòu),靠空穴使離子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電,與P型半導(dǎo)體空穴導(dǎo)電的機(jī)理相似。

純氧化鋯(ZrO2)不導(dǎo)電,摻雜一定比例的低價(jià)金屬物作為穩(wěn)定劑,如氧化鈣(CaO2)、氧化鎂(MgO)、氧化釔(Y2O3),就具有高溫導(dǎo)電性,成為氧化鋯固體電解質(zhì)。

為什么加入穩(wěn)定劑后,氧化鋯就會(huì)具有很高的離子導(dǎo)電性呢?

這是因?yàn)椋瑩接猩倭緾aO2 的ZrO2混合物,在結(jié)晶過(guò)程中,鈣離子進(jìn)入立方晶體中,置換了鋯離子。由于鋯離子是+4價(jià),而鈣離子是+2價(jià),一個(gè)鈣離子進(jìn)入晶體,只帶入了一個(gè)氧離子,而被置換出來(lái)的鋯離子帶出了兩個(gè)氧離子,結(jié)果,在晶體中便留下了一個(gè)氧離子空穴。例如:(ZrO2)0.85 (CaO2)0.15這樣的氧化鋯(氧化鋯的摩爾分?jǐn)?shù)為85%、氧化鈣的摩爾分?jǐn)?shù)是15%),則具有7。5%的摩爾分?jǐn)?shù)的氧離子空穴,是成了一種良好的氧離子固體電解質(zhì)。


安徽天康--氧化鋯氧量分析儀的導(dǎo)電機(jī)理:

在一個(gè)高致密的氧化鋯固體電解質(zhì)的兩側(cè),用燒結(jié)的方法制成幾微米到幾十微米厚的多孔鉑層作為電極,再在電極上焊上鉑絲作為引線,就構(gòu)成了氧濃差電池,如果電池左側(cè)通入?yún)⒈葰怏w(空氣),其氧分壓為p0;電池右側(cè)通入被測(cè)氣體,其氧分壓為p1(未知)。

設(shè)p0 > p1,在高溫下(650…850℃),氧就會(huì)從分壓大的p0一側(cè)向分壓小的p1側(cè)擴(kuò)散,這種擴(kuò)散,不是氧分子透過(guò)氧化鋯從P0側(cè)到P1側(cè),而是氧分子離解成氧離子后,通過(guò)氧化鋯的過(guò)程。

在750℃左右的高溫中,在鉑電極的催化作用下,在電池的P0側(cè)發(fā)生還原反應(yīng),一個(gè)氧分子從鉑電極取得4個(gè)電子,變成兩個(gè)氧離子(O2-)進(jìn)入電解質(zhì),即:O2(P0)+ 4e →2O2-
P0側(cè)鉑電極由于大量給出電子而帶正電,成為氧濃差電池的正極或陽(yáng)極。

這些氧離子進(jìn)入電解質(zhì)后,通過(guò)晶體中的空穴向前運(yùn)動(dòng)到達(dá)右側(cè)的鉑電極,在電池的P1側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng),氧離子在鉑電極上釋放電子并結(jié)合成氧分子析出,即:2O2- - 4e →O2(P1)

P1側(cè)鉑電極由于大量得到電子而帶負(fù)電,成為氧濃差電池的負(fù)極或陰極。

這樣在兩個(gè)電極上,由于正負(fù)電荷的堆積而形成一個(gè)電勢(shì),稱之為氧濃差電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)用導(dǎo)線將兩個(gè)電極連成電路時(shí),負(fù)極上的電子就會(huì)通過(guò)外電路流到正極,再供給氧分子形成離子,電路中就有電流通過(guò)。氧濃差電動(dòng)勢(shì)的大小,與氧化鋯固體電解質(zhì)兩側(cè)氣體中的氧濃度有關(guān)。

安徽天康--氧化鋯氧量分析儀氧傳感器的工作原理:

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,測(cè)量電池本體分為3層:鉑(電極)─氧化鋯(電解質(zhì))─鉑(電極)。鉑電極是多孔性的。煙道氣體通過(guò)過(guò)濾器或校驗(yàn)氣體通過(guò)傳導(dǎo)管進(jìn)入測(cè)量電池被測(cè)氣體一側(cè),而另一側(cè)為參比空氣(含氧20.60%)。

兩種含氧濃度不同的氣體作用在測(cè)量電池,便產(chǎn)生一個(gè)以對(duì)數(shù)為規(guī)律的電勢(shì)(兩側(cè)的氧濃度差愈大, 電勢(shì)信號(hào)愈大)。毫伏信號(hào)經(jīng)氧分析儀轉(zhuǎn)換成0—10mA或4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流。此電流由氧分析儀接線端子輸出。

測(cè)量電池的工作溫度設(shè)置為高于650℃的恒定溫度, 為了保持工作溫度恒定,用一支K型熱電偶測(cè)量電池的工作溫度,經(jīng)氧分析儀內(nèi)的溫度控制器調(diào)節(jié)加熱器的加熱電壓。


安徽天康--氧化鋯氧量分析儀氧傳感器的示意圖

當(dāng)測(cè)量煙氣溫度高于700℃時(shí),傳感器組成中省去加熱器和測(cè)溫?zé)犭娕肌?br />
在理想狀態(tài)下,當(dāng)被測(cè)煙氣與參比氣濃度一樣時(shí), 其輸出電勢(shì)E值為 0 mV, 但在實(shí)際應(yīng)用中,鋯管實(shí)際條件和現(xiàn)場(chǎng)情況均不是理想狀態(tài)。 故事實(shí)上的鋯管是偏離此值的。實(shí)際上,一定氧含量鋯管輸出的電勢(shì)為理論值和本底電勢(shì)的和,我們稱為無(wú)濃差條件下鋯管輸出的電勢(shì)值為本底電勢(shì)或稱為零位電勢(shì),此值的大小又在不同溫度下呈不同的值, 并且隨鋯管使用期延長(zhǎng)而變化。 因此, 如不對(duì)此情況處理,會(huì)嚴(yán)重影響整套測(cè)氧儀的準(zhǔn)確和探頭壽命。

安徽天康--氧化鋯氧量分析儀的結(jié)構(gòu)及種類:

安徽天康--氧化鋯氧量分析儀的構(gòu)成:

是由氧傳感器(又稱氧探頭、氧檢測(cè)器)、氧分析儀(又稱變送器、變送單元、轉(zhuǎn)換器、分析儀)以及防塵裝置、熱電偶、加熱器、標(biāo)準(zhǔn)氣體導(dǎo)管、接線盒以及外殼殼體等組成。

防塵裝置由防塵罩和過(guò)濾器組成,能防止煙氣中的灰塵進(jìn)入氧化鋯鋯管內(nèi)部,使鋯管元件免受污染,并能起到緩沖氣樣作用。

氧化鋯管元件是氧探頭的核心部件,由它產(chǎn)生氧濃差電勢(shì)信號(hào)。氧化鋯管是陶瓷類金屬氧化物,使用時(shí)必須避免劇烈震動(dòng),以免損壞鋯管元件。

熱電偶是探頭內(nèi)置加熱器恒溫控制之用,也是測(cè)量鍋爐、窯爐煙道中被測(cè)氣體的溫度的元件,為氧量計(jì)算提供一個(gè)溫度信號(hào)。

加熱器的作用是提供氧化鋯固體電解質(zhì)元件正常工作所需的溫度,從而使其在低于600℃的被測(cè)煙氣環(huán)境中也能正常工作。

來(lái)自氧探頭的氧電勢(shì)信號(hào)、熱偶溫度信號(hào)經(jīng)放大送A/D轉(zhuǎn)換電路,與校正系數(shù)一起進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,即可得出氧含量的百分含量。同時(shí),系統(tǒng)可實(shí)行氧電勢(shì)、探頭溫度、校正系數(shù)值的顯示,并對(duì)鋯管的加熱電爐進(jìn)行恒溫控制,且輔以斷偶、超溫保護(hù)、熱偶反接保護(hù),確保系統(tǒng)可靠工作。

按檢測(cè)方式的不同,氧化鋯氧探頭分為兩大類:采樣檢測(cè)式氧探頭及直插式氧探頭。

采樣檢測(cè)式氧探頭

采樣檢測(cè)方式是通過(guò)導(dǎo)引管,將被測(cè)氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測(cè)室,再通過(guò)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。其優(yōu)點(diǎn)是不受檢測(cè)氣體溫度的影響,通過(guò)采用不同的導(dǎo)流管可以檢測(cè)各種溫度氣體中的氧含量,這種靈活性被運(yùn)用在許多工業(yè)在線檢測(cè)上。其缺點(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)氣體雜質(zhì)較多時(shí),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(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)氣體較清潔時(shí),適宜采樣式檢測(cè)方式,如制氮機(jī)測(cè)氧,實(shí)驗(yàn)室測(cè)氧等。

直插檢測(cè)式氧探頭

直插式檢測(cè)是將氧化鋯直接插入高溫被測(cè)氣體,直接檢測(cè)氣體中的氧含量,這種檢測(cè)方式適宜被檢測(cè)氣體溫度在700℃~1150℃時(shí)(特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫),它利用被測(cè)氣體的高溫使氧化鋯達(dá)到工作溫度,不需另外用加熱器。直插式氧探頭的技術(shù)關(guān)鍵是陶瓷材料的高溫密封和電極問(wèn)題。

由于需要將氧化鋯直接插入檢測(cè)氣體中,對(duì)氧探頭的長(zhǎng)度有較高要求,其有效長(zhǎng)度在500mm~1000mm左右,特殊的環(huán)境長(zhǎng)度可達(dá)1500mm。且檢測(cè)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(shù)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zui關(guān)鍵技術(shù)之一。目前上的連接方式,是將氧化鋯與氧化鋁管*的焊接在一起,其密封性能,與采樣式檢測(cè)方式比,直插式檢測(cè)有顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn):氧化鋯直接接觸氣體,檢測(cè)精度高,反應(yīng)速度快,維護(hù)量較小。

垂詢,選購(gòu)直電:  徐

 

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