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氧化锆氧量分析仪讲义

摘要：氧化锆作为一种耐火原料，以其熔融温度高达2900℃的独特的热稳定

性，被广泛应用在工业测量设备——氧量分析仪的制造上。氧化锆氧量分析仪又

被称为氧化锆氧量计，通常用来测量燃烧过程中烟气的含氧浓度以及非燃烧气体

氧浓度测量。该分析仪氧传感器的关键部件由氧化锆制成，内外两侧涂上多孔性

铂电极制成氧浓度差电池，传感器内温度恒定的电化学电池产生一个毫伏电势，

直接反应出烟气中含氧浓度值。本文主要讲述氧化锆氧量分析仪的原理、应用及

故障处理。

关键词：氧化锆氧量分析仪原理、应用、故障处理。

一、概述：

1、参比概念：reference为仪器仪表性能试验或保证测量结果能有效比对

而规定的一组带有允差的影响量的值或范围。

2、原理：氧化锆电解质的两面各烧结一个铂电极，当氧化锆两侧的氧分压

不同时，氧分压高的一侧的氧以离子形式向氧分压低的一侧迁移，结果使氧分压

高的一侧铂电极失去电子显正电，而氧分压低的一侧铂电极得到电子显负电，因

而在两铂电极之间产生氧浓差电势。

此电势在温度一定时只与两侧气体中氧气含量的差（氧浓差）有关。若一侧

氧气含量已知（如空气中氧气含量为常数），则另一侧氧气含量（如烟气中氧气

含量）就可用氧浓差电势表示，测出氧浓差电势，便可知道烟气中氧气含量。

设P0P1,在高温下（650~850℃）氧就会从分

压大的P0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，变成两个氧离子进入电解质，

即O2(P0)+4e2O^2-;P0侧的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。反之，在电池P1侧发生的是氧化反应，氧离子在铂电极上释

放电子并结合成氧分子析出。

氧化锆（ZrO2）是一种陶瓷，一种具有离子导电性质的固体。在常温下为单

斜晶体，当温度升高到1150℃时，晶型转变为立方晶体，同时约有7%的体积收

缩；当温度降低时，又变为单斜晶体。若反复加热与冷却，ZrO2就会破裂。因此，

纯净的ZrO2不能用作测量元件。如果在ZrO2中加入一定量的氧化钙（CaO）或

氧化钇（Y2O3）作稳定剂，再经过高温焙烧，则变为稳定的氧化锆材料，这时，

四价的锆被二价的钙或三价的钇置换，同时产生离子空穴，所以ZrO2属于阴离

子固体电解质。ZrO2主要通过空穴的运动而导电，当温度达到600℃以上时，

ZrO2就变为良好的氧离子导体。

在额定的温度下，电池输出电势用下面的公式计算

Ｐ0──在电池内侧参比气体（如空气）的氧分压；

Ｐ1──在电池外侧被测气体（如烟气）的氧分压；

Ｒ-气体常数；N=4，F法拉第常数96500C

Ｔ-绝对温度=（273+t℃）；

参比气体应为干燥清洁无油的空气（含氧20.60％）。在参比气侧与被测气

体侧氧浓度不同时，氧离子从高的一侧迁移到低的一侧。电池输出就以对数的规

律反应出被测气体中的氧浓度值。（怎么参比）

二、系统组成

氧化锆氧量分析仪的构成是由氧传感器（又称氧探头、氧检测器）、氧分析

仪（又称变送器、变送单元、转换器、分析仪）以及它们之间的连接电缆等组成。

1、氧传感器

传感器装置由金属外壳、测量电池、加热器、热电偶、过滤元件以及电缆接

线端子等组成。测量电池本体分为3层：铂（电极）─氧化锆（电解质）─铂

（电极）。铂电极是多孔性的。烟道气体通过过滤器或校验气体通过传导管进入

测量电池被测气体一侧，而另一侧为参比空气（含氧20.60％）。

两种含氧浓度不同的气体作用在测量电池，便产生一个以对数为规律的电势

（两侧的氧浓度差愈大电势信号愈大）。毫伏信号经氧分析仪转换成4－20mA标

准电流。此电流由氧分析仪接线端子输出。

测量电池的工作温度设置为高于650℃的恒定温度为了保持工作温度恒定，

用一支Ｋ型热电偶测