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1、任务二十 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。现在电厂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(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
2、。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
3、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。,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，高温下在多孔铂电极中变成原子氧，然后扩散到固体电解质和电极界面上。由于固体电解质内有氧离子空穴，扩散来的氧原子便从周围捕获两个电子变成氧离子进入氧离子空穴，同时产生两个电子空穴。铂电极中自由电子浓度高且逸出功小，所以产生的两个电子空穴立即从铂电极上夺取两个电子而达中和。当氧离子空穴被氧离子填充后，形成一个完整的晶格结构。由于在电极上和固体电解质界面上氧离
4、子空穴中氧离子浓度较高，在扩散作用下，进入氧离子空穴的氧离子还会跑出来，去填补靠近的氧离子空穴，空出来的位置又由新进入的氧离子所填补。这样直到氧离子到达另一电极，释放出两个电子成为氧原子，并与其它氧原子结合成为氧分子。应当指出，氧离子的这种扩散迁移是双向的，但由于氧浓差电池的两侧气体的含氧浓度不同，氧分压不同，所以总的趋势是氧离子从含氧浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散，即氧从电极1上得到电子，通过氧离子空穴迁移到电极2后释放出电子，变为氧气。这时在电极1上（阴极进行还原反应的电极）产生下列反应：（还原反应）到达电极2后，在电极2上（阳极进行氧化反应的电极）将产生下列反应：（氧化反应）这样在电极上
5、产生了电荷的积累，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。,氧浓差电势的大小可由能斯特（Nerenst）公式计算得出：,式中 氧浓差电势（V）；理想气体常数，为8.314 J（molK）；法拉弟常数，为96487Cmol；热力学温度（K）；一个氧分子输送的电子个数，=4；被分析气体（如烟气）的氧分压；参比气体（如空气）的氧分压。,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,则,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一定时，电池产生
6、的氧浓差电势与被测气体的含氧浓度（即含氧量）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。,由于空气的含氧量为20.8%，且成本低廉，所以在分析炉烟中的含氧量时，一般常用空气作为参比气体。下图是以空气作为参比气体的情况下，不同温度下，氧浓差电势与被测气体的含氧量之间的关系。,9,二、氧化锆传感器结构,氧化锆传感器也称氧化锆探头，带恒温装置的氧化锆传感器结构示意图。一般使用时，氧化锆管内部通入参比气体空气，外部则流过被经陶瓷过滤器过滤过的被测气体烟气。陶瓷过滤器主要用来滤除烟气中的杂质颗粒（如烟尘、炭粉等）并可对信号起阻尼作用，防止指针抖动。,1氧化锆管；2内外铂电极；3电极引出线；4热电偶；5氧化铝管；6加热炉丝；7陶瓷过滤器,
