檢測(cè)氧含量在工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有十分重要的意義。而氧化鋯氧含量傳感器以其獨(dú)特的反應(yīng)機(jī)理，能夠測(cè)量出高粉塵、高溫和混合氣體的氧含量并廣泛應(yīng)用于汽車、內(nèi)燃機(jī)車尾氣以及各種工業(yè)爐煙氣等氧含量的連續(xù)監(jiān)測(cè)。
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(dǎo)電現(xiàn)象。從此氧化鋯成為研究和開發(fā)應(yīng)用最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ppn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)部門得到廣泛的應(yīng)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(dāng)電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時(shí)，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(fù)電。兩個(gè)電極的反應(yīng)式分別為：
參比側(cè)∶O2+4e——2O2-
測(cè)量側(cè)∶2O2--4e——O2
這樣在兩個(gè)電極間便產(chǎn)生了一定的電動(dòng)勢(shì)，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(dāng)氧化鋯管處的溫度被加熱到600℃～1400℃時(shí)，高濃度側(cè)氣體用已知氧濃度的氣體作為參比氣，如能測(cè)出氧探頭的輸出電動(dòng)勢(shì)和被測(cè)氣體的絕對(duì)溫度即可算出被測(cè)氣體的氧分壓（濃度），這就是氧化鋯氧探頭的基本檢測(cè)原理。
2 氧化鋯氧探頭的結(jié)構(gòu)類型及工作原理
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。
2.1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，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(diǎn)是不受檢測(cè)氣體溫度的影響，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。
2.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（如圖3）。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(cè)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(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)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(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最關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國(guó)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，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)∶氧化鋯直接接觸氣體、檢測(cè)精度高、反應(yīng)速度快、維護(hù)量較小。
3氧探頭的工業(yè)應(yīng)用
在工業(yè)鍋爐、加熱爐上的應(yīng)用∶
氧探頭使用時(shí)，引入被測(cè)氣體的方式有直插式和采樣檢測(cè)式兩種。直插式響應(yīng)時(shí)間短、不需要加熱器、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型輕便，但要求同時(shí)檢測(cè)被測(cè)氣體的溫度。采樣檢測(cè)式由于氧探頭的溫度由加熱器控制，因此測(cè)量精度高、工作可靠，但響應(yīng)時(shí)間取決于氣體的流量。
直插式氧分析器已廣泛應(yīng)用在鍋爐和加熱爐的煙氣含氧量的測(cè)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(chǎng)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(hào)輸出用，從而控制燃燒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低氧燃燒，達(dá)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(yùn)行的關(guān)鍵，氧化鋯使用的好壞，在很大程度上取決于正確選擇測(cè)點(diǎn)位置。
4.1 采樣測(cè)量點(diǎn)
確定測(cè)量點(diǎn)是首要的工作，它應(yīng)遵循如下幾項(xiàng)原則∶
（1）測(cè)量溫度的保持。若測(cè)量溫度在500℃以下，由于氧化鋯的內(nèi)阻很高，使輸出電勢(shì)很小，難以測(cè)量準(zhǔn)確;反之測(cè)點(diǎn)溫度過高，影響鋯頭的使用壽命。—般正確的位置應(yīng)選在溫度為600-850℃，所以測(cè)氧的取樣點(diǎn)必須是高溫?zé)煔狻６乙_保煙樣被抽到氧化鋯探頭處保持至少600℃。
（2）選擇的測(cè)量點(diǎn)要求能正確反映所檢測(cè)的爐內(nèi)氣體，以保證氧傳感器輸出信號(hào)的真實(shí)性，盡量避開回風(fēng)死角;
（3）測(cè)量點(diǎn)不可太靠近燃燒點(diǎn)或噴頭等部位，這些部位的氣體處于劇烈反應(yīng)中，會(huì)造成氧傳感器檢測(cè)值劇烈波動(dòng)失真，因此選擇測(cè)點(diǎn)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(dòng)、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(dǎo)板的方向應(yīng)該盡量正對(duì)被測(cè)氣流的方向，在初始安裝的時(shí)，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(shì)的波動(dòng)情況來最終確定比較好的引導(dǎo)方向。
（2）測(cè)點(diǎn)及探頭各連接處應(yīng)嚴(yán)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?yàn)橐话銧t內(nèi)為負(fù)壓，該處法蘭接頭處漏氣會(huì)影響測(cè)量精度或造成信號(hào)波動(dòng)。
（3）氧傳感器的信號(hào)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(shì)輸出信號(hào)，一根2芯KW控制電纜接探頭加熱連接端;如果現(xiàn)場(chǎng)條件不具備可直接使用一根4芯KW電纜連接探頭氧電勢(shì)信號(hào)和加熱端。
（4）氧探頭的標(biāo)氣口平時(shí)關(guān)閉，只在標(biāo)定氣體的時(shí)候使用；吹掃氣口連接氣泵或者壓縮空氣管路，吹掃口進(jìn)氣一般用一個(gè)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(cè)時(shí)閥門關(guān)閉，不能有其他氣體進(jìn)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(duì)所采用的壓縮空氣必須進(jìn)行氣水分離處理。
5氧傳感器的使用和維護(hù)
5.1連接加熱控制
采樣檢測(cè)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(jī)信號(hào)，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(cè)。一般的探頭調(diào)零就是在室溫下，加熱探頭以后，通過對(duì)空氣的測(cè)量，用數(shù)字萬用表測(cè)量此時(shí)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(shí)的注意事項(xiàng)
新裝或更換氧傳感器時(shí)，均應(yīng)校正氧分析儀的氧濃度顯示值。不進(jìn)行此項(xiàng)工作，更換新的傳感器后，氧分析儀檢測(cè)的氧濃度可能會(huì)與實(shí)際濃度產(chǎn)生偏差，從而影響測(cè)量。
凡是使用過或存放時(shí)間超過六個(gè)月及污染較大的鋯管，應(yīng)在飽和蘇打水中浸泡2~3小時(shí)，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(cè)量輸出的是被測(cè)氣體的濃度與標(biāo)準(zhǔn)空氣差電勢(shì)數(shù)值，我們稱為氧電勢(shì)，該電勢(shì)數(shù)值在零點(diǎn)（即空氣測(cè)量）時(shí)不同的探頭起始輸出電勢(shì)就存在偏差，而輸出電勢(shì)經(jīng)過模型轉(zhuǎn)換輸出氧濃度時(shí)也可能存在誤差，因此在氧分析儀中對(duì)探頭信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定修正就是很必要的工作，否則顯示氧濃度與實(shí)際被測(cè)氣體的氧濃度就會(huì)存在較大偏差，滿足不了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需要，甚至誤導(dǎo)控制影響生產(chǎn)。
具體的修正一般通過標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行標(biāo)定，方法是將計(jì)量核定確認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)氣體通過標(biāo)氣口通入探頭，測(cè)量此時(shí)輸出氧電勢(shì)及儀表顯示氧濃度，儀表顯示氧濃度應(yīng)該與標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度相同，存在偏差則修正儀表線性參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量要求最少使用三種不同濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定系統(tǒng)這樣經(jīng)過三次標(biāo)定重復(fù)修正好系統(tǒng)線性，保證系統(tǒng)正常工作。
5.4積塵對(duì)氧傳感器的影響及吹掃清除方法
由于氧傳感器是長(zhǎng)期在線檢測(cè)測(cè)量的器件，鍋爐等設(shè)備（尤其是煤燃燒爐或者燒粉窯爐等）產(chǎn)生的粉塵會(huì)堵塞導(dǎo)氣采樣管道，造成測(cè)量的數(shù)值失真甚至無法測(cè)量，此時(shí)必須定期對(duì)采樣管中的積塵進(jìn)行吹掃處理，吹掃時(shí)間的長(zhǎng)短視積灰程度確定，這種吹掃方法要求氧分析儀具有相應(yīng)功能或者配套使用氧傳感器的維護(hù)裝置，如果沒有這些裝置只能安裝手動(dòng)閥門控制壓縮空氣或氣泵定期通入吹掃氣口對(duì)探頭進(jìn)行除塵工作，但此時(shí)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(shì)會(huì)下降，最低有可能會(huì)降到1、2mV，這時(shí)檢測(cè)的氧電勢(shì)不代表爐內(nèi)的氣氛，此點(diǎn)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(shì)輸出值，如果氧電勢(shì)值始終沒有下降，表明空氣流量太小積塵沒有清理，應(yīng)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(yīng)關(guān)閉閥門，堵死吹掃孔，防止因爐內(nèi)負(fù)壓空氣進(jìn)入，影響氧傳感器的檢測(cè)。
在分析氧傳感器的好壞時(shí)應(yīng)將其視為一個(gè)單獨(dú)的檢測(cè)部件。在檢測(cè)氧傳感器的氧電勢(shì)時(shí)應(yīng)把與氧傳感器連接的所有導(dǎo)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(cè)氧電勢(shì)。通過檢測(cè)氧電勢(shì)，與正常使用時(shí)的數(shù)值相比較。
6結(jié)論
氧化鋯測(cè)氧儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)時(shí)間短、測(cè)量范圍寬、使用溫度高、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)部門得到廣泛的應(yīng)用。
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