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氧探頭的測氧原理

在氧化鋯電解質(ZrO2管)的兩側面分別燒結上多孔鉑（Pt）電極，在一定溫度下，當電解質兩側氧濃度不同時，高濃度側(II側Pref)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結合形成氧離子O2-，使該電極帶正電，O2-離子通過電解質中的氧離子空位遷移到低氧濃度側（I側Po2）的Pt電極上放出電子，轉化成氧分子，使該電極帶負電。兩個電極的反應式分別為：

在II側 （1） 在I側 （2） 這樣在兩個電極間便產生了一定的電動勢氧氣探頭，氧化鋯電解質、Pt電極及兩側不同氧濃度的氣體組成氧探頭即所謂氧化鋯濃差電池。這種電池電動勢產生的原動力是兩側電極上氧的化學位差。1933年Wagner確立了原電池電動勢與兩側化學位之間的關系為：

(3)式中，n為電極反應得失數，這里n=4e；F為法拉第常數； 和 分別為低氧濃度和高氧濃度側電極氧的化學位；t1為離子遷移數。如把氧氣看成理想氣體，則有

(4) 式中， 為氧的標準化學位；R為氣體常數；T為絕對溫度，PO2為氧分壓。

假定t1，對（3）式積分并將（4）式代入，經整理可得

（5）此式即著名的能斯脫關系式。它是氧探頭測氧的基礎。

在氧探頭中，高濃度側氣體用已知氧濃度（Pref）的氣體作為參比氣，如用空氣，則Pref =20.6% 。將此值及（5）式中的常數項合并。則得參比氣為空氣的能斯特公式

E=0.0215Tln0.2095／PO2 （6）

可見，如能測出氧探頭的輸出電動勢E和被測氣體的絕對溫度T，即可算出被測氣體的氧分壓（濃度）PO2 。

在實際應用中，通過檢測氣體的氧電勢及溫度氧氣探頭，通過以能斯特公式為基礎的數學模型甲苯檢測儀，就可以推算出被測氣體的氧含量（百分比）。這就是氧化鋯氧探頭的基本檢測原理。

氧化鋯氧探頭的結構類型及工作原理：

氧化鋯氧濃差電池用于實際檢測中，主要需要解決的問題是，氧化鋯檢測頭，反應電極及將被測氣體與參比氣（空氣）嚴格隔離的問題（也叫做氧探頭的密封問題）。實際應用過程中，最難以解決的是密封問題和反應電極問題。

下面對一些氧探頭的結構類型加以說明。以檢測方式不同分，氧化鋯氧探頭基本上可以分為兩大類：采樣檢測式氧探頭及直插式氧探頭。

1.采樣檢測式氧探頭：

采樣檢測方式是通過導引管，將被測氣體導入氧化鋯檢測室。檢測室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。采樣檢測的優點是不受檢測氣氛溫度的影響，通過采用不同的導流管可以檢測各種溫度氣氛中的氧含量。由于采樣式檢測方式的靈活性，因此運用在許多工業在線檢測上。采樣檢測的缺點是反應時間慢；結構復雜，容易影響檢測精度；在被檢測氣氛雜質較多時，采樣管容易堵塞；多孔鉑電極容易受到氣氛中的硫，砷等的腐蝕以及細小粉塵的堵塞而失效；加熱器一般用電爐絲加熱，壽命不長。

在被檢測氣體溫度較低（0-650℃），或被測氣氛較清潔時，采樣式檢測方式工作較好，如制氮機測氧，實驗室測氧等。

2. 直插式檢測方式：

直插式檢測是將氧化鋯直接插入高溫被測氣體氧氣探頭，直接檢測氣體中的氧含量。這種檢測方式應用在被檢測氣氛溫度在700-1150℃時（特殊結構還可以用于1400℃的高溫），利用被測氣氛的高溫使氧化鋯達到工作溫度，不另外用加熱器。直插式氧探頭的技術關鍵是陶瓷材料的高溫密封問題和電極問題。

以下列舉了幾種直插式氧探頭的結構形式。

（1） 整體氧化鋯管式：這種形式是從采樣檢測方式上采用的氧化鋯管的形式上發展起來的。就是將原來的氧化鋯管加長，使氧化鋯可以直接伸到高溫被測氣體中。這種結構不存在高溫密封問題，很容易解決密封問題。

（2）由于直插式氧探頭的工作環境惡劣，且對其檢測精度、工作穩定性和工作壽命都要求較高甲醇報警器，需

采用新的技術，克服傳統氧化鋯氧探頭的不足。直插式氧化鋯氧探頭 由于需要將氧化鋯直接插入檢測氣氛中，對氧探頭的長度有較高要求，一般直插式氧探頭的有效長度在500-1000mm左右，特殊的環境長度可達1500mm。因此直插式氧探頭很難采用傳統氧化鋯氧探頭的整體氧化鋯管狀結構，而多采取技術要求較高的氧化鋯和氧化鋁管連接的結構。因此密封性能是這種氧化鋯氧探頭的最關鍵技術之一。目前國際上最先進的連接方式，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（如圖3）。與采樣式檢測方式比，直插式檢測有顯而易見的優點：氧化鋯直接接觸氣氛，檢測精度高，反應速度快，維護量較小。

氧探頭的測氧原理

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