氧化锆剖析仪检测原理知识先容
氧化锆剖析仪检测原理知识先容
氧化锆剖析仪
在许多生产历程中，，，，，，特殊是燃烧历程和氧化反应历程中，，，，，，丈量和控制混淆气体中的氧含量是很是主要的。。电化学法（氧化锆属电化学类）是现在工业上剖析氧含量的一种要领，，，，，，具有结构简朴、维护利便，，，，，，反应迅速，，，，，，丈量规模广等特点。。氧化锆氧量计是电化学剖析器的一种，，，，，，可以一连剖析种种工业锅炉和炉窑内的燃烧情形，，，，，，通过控制送风来调解过�？？？？？掌凳林�，，，，，，以包管最佳的空气燃料比，，，，，，抵达节能和环保的双重效果。。这里以氧化锆氧量计为例先容氧含量的检测原理。。
1.1氧化锆的导电机理：
电解质溶液靠离子导电，，，，，，具有离子导电性子的固体物质称为固体电解质。。固体电解质是离子晶体结构，，，，，，靠空穴使离子运动导电，，，，，，与P型半导体空穴导电的机理相似。。纯氧化锆（ZrO2）不导电，，，，，，掺杂一定比例的低价金属物作为稳固剂，，，，，，如氧化钙（CaO2）、氧化镁（MgO）、氧化钇（Y2O3），，，，，，就具有高温导电性，，，，，，成为氧化锆固体电解质。。
氧离子空穴形成示意图
为什么加入稳固剂后，，，，，，氧化锆就会具有很高的离子导电性呢？？？？？这是由于，，，，，，掺有少量CaO2 的ZrO2混淆物，，，，，，在结晶历程中，，，，，，钙离子进入立方晶体中，，，，，，置换了锆离子。。由于锆离子是+4价，，，，，，而钙离子是+2价，，，，，，一个钙离子进入晶体，，，，，，只带入了一个氧离子，，，，，，而被置换出来的锆离子带出了两个氧离子，，，，，，效果，，，，，，在晶体中便留下了一个氧离子空穴。。例如：（ZrO2）0.85 （CaO2）0.15这样的氧化锆（氧化锆的摩尔分数为85%、氧化钙的摩尔分数是15%），，，，，，则具有7.5%的摩尔分数的氧离子空穴，，，，，，是成了一种优异的氧离子固体电解质。。
1.2氧化锆剖析仪的丈量原理
在一个高致密的氧化锆固体电解质的两侧，，，，，，用烧结的要领制成几微米到几十微米厚的多孔铂层作为电极，，，，，，再在电极上焊上铂丝作为引线，，，，，，就组成了氧浓差电池，，，，，，若是电池左侧通入参比气体（空气），，，，，，其氧分压为p0；；；；；；电池右侧通入被测气体，，，，，，其氧分压为p1（未知）。。
设p0 > p1，，，，，，在高温下（650…850℃），，，，，，氧就会从分压大的p0一侧向分压小的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，，，，，，通过氧化锆的历程。。在750℃左右的高温中，，，，，，在铂电极的催化作用下，，，，，，在电池的P0侧爆发还原反应，，，，，，一个氧分子从铂电极取得4个电子，，，，，，酿成两个氧离子（O2-）进入电解质，，，，，，即：
O2（P0）+ 4e →2O2-
P0侧铂电极由于大宗给出电子而带正电，，，，，，成为氧浓差电池的正极或阳极。。这些氧离子进入电解质后，，，，，，通过晶体中的空穴向前运动抵达右侧的铂电极，，，，，，在电池的P1侧爆发氧化反应，，，，，，氧离子在铂电极上释放电子并连系成氧分子析出，，，，，，即：
2O2- - 4e →O2（P1）
P1侧铂电极由于大宗获得电子而带负电，，，，，，成为氧浓差电池的负极或阴极。。这样在两个电极上，，，，，，由于正负电荷的群集而形成一个电势，，，，，，称之为氧浓差电动势。。当用导线将两个电极连成电路时，，，，，，负极上的电子就会通过外电路流到正极，，，，，，再供应氧分子形成离子，，，，，，电路中就有电流通过。。氧浓差电动势的巨细，，，，，，与氧化锆固体电解质两侧气体中的氧浓度有关。。据此我们就可以知道被测气体中的氧含量。。在特定的温度下氧的体积分数%O2与氧浓差电势（mV）保存特定的对应关系。。与热电偶的分度值相类似。。
1.3氧化锆检测器的种类、结构和性能
凭证氧化锆探头的结构形式和装置方法的差别，，，，，，我们可把氧化锆剖析仪分为直插式、抽吸式和自然渗透式及色谱用检测器四类，，，，，，现在大宗使用的是直插式氧化锆剖析仪。。但现在空气领域和色谱领域也最先大宗接纳渗透式检测器。。
1.4直插式氧化锆剖析仪
直插式氧化锆探头式检测器，，，，，，主要用于烟道气剖析，，，，，，它主要分为以下几种类型：
①中、低温直插式氧化锆探头这种探头适用于烟气温度0…650℃（最佳烟气温度350…550℃）的场合，，，，，，探头中自带加热炉。。主要用于火电厂锅炉、6…20t/h工业炉等，，，，，，这是现在使用量最大的一种探头。。
②带导流管的直插式氧化锆探头这也是一种中低温直插式氧化锆探头，，，，，，但探头较短（400…600mm），，，，，，带有一根长的导流管，，，，，，先用导流管将烟气指导到炉壁周围，，，，，，再用探头举行丈量。。这主要用于大型、炉壁较量厚的加热炉。。燃煤炉宜选带过滤器的直插式探头，，，，，，不宜选导流式探头，，，，，，其缘故原由是容易形成灰堵，，，，，，而燃油炉，，，，，，这两种都可以用。。
③高温直插式氧化锆探头这种探头自己不带加热炉，，，，，，靠高温烟气加热，，，，，，适用于700…900℃的烟气丈量，，，，，，主要用于电厂、石化厂等高温烟气剖析情形。。
直插式氧化锆剖析仪的特点和结构
直插式氧化锆剖析仪的突出特点是：结构简朴、维护利便、反应速率快和丈量规模广，，，，，，它省去了取样和样品处置惩罚的环节，，，，，，从而省去了许多贫困，，，，，，因而普遍应用于种种锅炉和工业炉窑中。。
①直插式氧化锆剖析仪结构组成：
直插式氧化锆剖析仪由氧化锆探头（检测器）和转换器（二次表）两部分组成，，，，，，两者毗连在一起的称为一体式结构；；；；；；两者脱离装置的称为疏散式结构。。
图中锆管为试管形，，，，，，管内侧通被测气、管外侧通参比气（空气）。。锆管很小，，，，，，管径为10毫米，，，，，，壁厚：1毫米，，，，，，长度：160毫米。。质料有以下几种：（ZrO2）0.90（MgO）0.10、（ZrO2）0.90（Y2O3）0.10。。内外电极为多孔形铂（Pt），，，，，，用涂敷和烧结要领制成，，，，，，长约为20-30mm，，，，，，厚度几个-几十微米。。铂电极引线一样平常多接纳涂层引线，，，，，，即在涂敷铂电极时，，，，，，将电极延伸一点，，，，，，然后用ф0.3…0.4 mm的金属丝与涂层毗连起来。。
热电偶检测氧化锆探头的事情温度多接纳K型热电偶。。加热电炉用于对探头加热和举行温控。。过滤网用于过滤烟尘，，，，，，也可接纳陶瓷过滤器或碳化硅过滤器。。参比气管路通参比空气，，，，，，校验气管路在仪器校验时能通气校验。。
转换器
转换器除了要完成对检测器输出信号的放大和转换外，，，，，，还要解决三个问题：
①氧浓差电池是一个高内阻信号源，，，，，，要想真实地检测出氧浓差电池输出的电动势信号，，，，，，首先要注重解决信号源的阻抗问题；；；；；；
②氧浓差电动势与被测样品中的氧含量之间呈对数关系，，，，，，以是，，，，，，要注重解决输出信号的非线性问题；；；；；；
③凭证氧浓差电池的能斯特方程，，，，，，氧浓差电池电动势的巨细，，，，，，取决于温度和固体电解质两侧的氧含量；；；；；；温度的转变会给丈量带来较大的误差，，，，，，以是，，，，，，还要解决检测器的恒温控制问题。。
1.5抽吸式氧化锆氧剖析仪
这类剖析仪的氧化锆探头装置在烟道壁或炉壁以外，，，，，，将烟气抽出后再举行剖析，，，，，，它主要用于两种场合：
1.烟气温度为700…1400℃的场合
例如：钢铁厂的有些加热炉烟气温度高达900…1400℃，，，，，，这种场合就不可接纳直插式探头举行丈量，，，，，，而应将高温烟气从炉内引出，，，，，，散热后温度降低，，，，，，再流过恒温的氧化锆探头就可以获得知足的效果。。
现在海内电厂的蒸汽锅炉和工业锅炉大部分是燃煤炉，，，，，，烟尘量大，，，，，，接纳这种类型的剖析仪时，，，，，，容易样管梗塞，，，，，，需要实时整理，，，，，，维护量较大。。这种剖析仪适合于燃油炉和烟尘量较小的燃煤炉。。
2.用于燃气炉
直插式氧化锆剖析仪可用于燃煤炉、燃油炉，，，，，，但不适合于燃气炉。。这是由于接纳自然气等气体燃料的炉子，，，，，，烟道气中往往含有少量的可燃性气体，，，，，，如H2、CO、CO2、CH4等。。氧化锆的探头温度在750℃左右，，，，，，在高温条件下，，，，，，由于铂电极的催化作用，，，，，，烟气中的氧会和这些气体因素爆发氧化反应而耗氧，，，，，，使测得的氧含量偏低。。当燃烧不正常，，，，，，烟气中的可燃气体含量较高时，，，，，，与高温氧化锆探头接触甚至可能爆发起火、爆炸的危险。。
以前，，，，，，这里的剖析仪器接纳的是抽吸式氧化锆+顺磁式氧剖析仪的方法举行丈量。。早期的乙烯裂解炉，，，，，，以自然气为质料的合成氨一段转化炉等都是接纳这样的方法丈量。。由于顺磁氧对被测样气的要求比氧化锆仪器严酷，，，，，，烟道气取出后，，，，，，须经降温、除湿、除尘等处置惩罚后才华丈量，，，，，，由于样品处置惩罚系统重大、维护量大、故障率较高、样品丈量反应滞后、时间较长等缘故原由，，，，，，其使用效果并不睬想。。
现在，，，，，，石化行业的燃气炉已用氧化锆剖析仪来取代顺磁氧剖析仪。。现在的氧化锆剖析仪，，，，，，在仪器探头前加装了一个可燃气气体检测探头，，，，，，可同时丈量烟道气中的氧含量和可燃性气体含量。。其作用有以下几点：
①在可燃气体检测头上，，，，，，可燃性气体与氧爆发催化反应而消耗掉，，，，，，从而消除了其对氧化锆探头的滋扰和威胁；；；；；；
②用可燃气体检测效果对氧化锆探头的输出值举行修正和赔偿，，，，，，从而使氧含量的丈量效果更为准确；；；；；；
③凭证可燃气体检测效果判断燃烧工况是否正常，，，，，，以便实时举行调理和控制；；；；；；也有在氧化锆探头前，，，，，，增设两个检测探头的产品，，，，，，增设的探头一样平常是可燃气探头和甲烷气探头。。甲烷气探头的作用是为了更好地判断自然气的燃烧工况是否正常。。
通常抽吸式氧化锆接纳电流型的氧传感器，，，，，，它的事情原理差别于前述的直插式氧化锆探头。。直插式接纳的是电势法，，，，，，丈量的是锆管两侧的电势差，，，，，，其原理属于电位剖析法；；；；；；而抽吸式氧化锆一样平常用电流法，，，，，，在多孔金属电极两侧施加一直流电压，，，，，，丈量通过锆管的离子流，，，，，，其原理属于伏循剖析法。。
在高温条件下，，，，，，氧化锆（ZrO2）质料由于氧离子的运动成为导体，，，，，，当温度高于650℃时，，，，，，氧离子就能流动。。当氧浓度增添时，，，，，，电流随离子流的增添成比例地增添。。
从曲线图上可以看出，，，，，，气体中的氧含量（%O2）与电流（mA）成正比，，，，，，含21%O2的空气对应的电流值比400 mA稍大一点。。从图中我们还可以看出，，，，，，电流值与温度无关（600℃和700℃是统一曲线），，，，，，而与气体流量有关（0.42L/H和0。。50L/H不是统一曲线）。。以是，，，，，，电流型传感器并不需要控制氧化锆元件的温度，，，，，，只要控制气体的流量就能获得高的丈量精度，，，，，，这关于丈量高温气体中的氧浓度具有比电势法显着的优越性。。
抽吸式氧化锆探头的突出特点：
①不需要温度控制；；；；；；
②不需要参比气体；；；；；；
③校准仪器利便，，，，，，不需要标准气体，，，，，，也不需要多点校准；；；；；；（只要吸入空气，，，，，，就能获得浓度与电流的斜率。。）
抽吸式氧化锆多探头多组分剖析仪丈量历程：
采样头插入烟道中，，，，，，其端部装有不锈钢或陶瓷过滤器。。烟气由空气抽吸器（喷射泵）从烟道抽出，，，，，，其中大部分烟气直接返回烟道，，，，，，恒定流量的一小部分样品气先后流经可燃气体探头、氧化锆探头后返回烟道。。样品气流经的所有部件都由电加热器加热，，，，，，使样坚持在露点温度以上。。
由于样气收支口的热力学压力相同，，，，，，按理样气应该无法流过丈量探头并返回烟道，，，，，，但样气在笔直的氧化锆检测室中被加热至695℃，，，，，，而样气被抽出后的温度一样平常在250℃左右，，，，，，这一温度差造成的密度差使得样气爆发自然对流，，，，，，推动样气流经丈量探头并返回烟道。。
1.6氧化锆剖析仪的一样平常维护、注重事项及故障判断与处置惩罚仪器投用后，，，，，，不可连忙举行校验
冷机投运24小时内，，，，，，指示是不正常的，，，，，，投用一天后，，，，，，再用标气举行校准。。由于，，，，，，冷机检测器或新装检测器内会保存一些吸附水分或可燃性物质，，，，，，热机后，，，，，，在高温下，，，，，，这些吸附水分蒸发，，，，，，可燃性物质燃烧，，，，，，会消耗参比侧电池中的参比空气，，，，，，导致参比空气的氧含量低于正常值20.6%，，，，，，会泛起检测器信号偏低，，，，，，甚至泛起负信号，，，，，，造成丈量的氧含量值偏高，，，，，，甚至大于20.6%的征象，，，，，，这时的丈量值是禁绝确的。。应该比及检测器内部的水分和可燃性物质被新鲜空气置换清洁后，，，，，，才华使丈量准确。。以是，，，，，，氧化锆检测器至少需要热机一天以上才华举行校准。。
按期对剖析仪举行校准
氧化锆剖析仪在使用历程中保存许多滋扰因素，，，，，，如锆管的老化、积灰、SO2和SO3对电极的侵蚀等。。运行一段时间后，，，，，，仪器的性能会逐渐转变，，，，，，给丈量带来误差，，，，，，因此必需按期对仪器举行校准，，，，，，校准周期通常为1-3个月，，，，，，这要看仪器的使用情形和使用情形而定。。
校准时，，，，，，不可使用纯N2作为零点气，，，，，，通常零点气应为满量程的10%；；；；；；量程气是满量程的90%；；；；；；现场接纳的是干燥空气作为量程气；；；；；；零点气则接纳100ppm O2，，，，，，这是由于到，，，，，，零点在100ppm以下，，，，，，标气误差对仪器的影响太大且校验吹扫时间太长，，，，，，又不易吹到位；；；；；；丈量值接纳丈量线性的下延线。。实践证实，，，，，，这种要领是明确而有用的。。
仪器不要容易开关
①由于氧化锆管是一根陶瓷管，，，，，，虽然有一定的抗热振性能，，，，，，但在�？？？？？讨�，，，，，，因急冷、急热等温变大而可能导致锆管断裂，，，，，，因此，，，，，，最好少做一些无谓的�？？？？？僮�；；；；；；
②涂敷在锆管上的铂电极与氧化锆管间的热膨胀系数纷歧致，，，，，，使用一段时间后，，，，，，容易在开停历程中爆发脱落征象，，，，，，导致探头内阻变大，，，，，，甚至损坏检测器。。�；；；；；Ｉ衩匚戎兀�
样品处置惩罚注重事项
①需要对样品气举行控压处置惩罚，，，，，，通常进仪器压力不得大于0.05mpa；；；；；；
②标气二次表输出压不得大于0.30mpa；；；；；；
③进入仪器的所有气路管线都必需经由严酷的查漏，，，，，，且此项事情在仪器正常事情时，，，，，，每半年还必需举行一次系统查漏；；；；；；
④气路进仪器前，，，，，，必需经由物理过滤器（10u）；；；；；；发明气阻征象，，，，，，可先行检查过滤网（过滤器）；；；；；；
⑤按期清洁剖析仪电扇过滤网，，，，，，每季度一次；；；；；；情形卑劣，，，，，，需要经常整理，，，，，，以避免因透风不畅而导致的仪器过热征象；；；；；；
⑥仪器的装置部位应当水平，，，，，，远离振动源；；；；；；以避免检测器不水平，，，，，，而造成的样品对流不均所引起的误差；；；；；；
⑦剖析仪周围情形要求透风优异，，，，，，切忌密闭空间，，，，，，因氧量不平衡而引起的丈量误差；；；；；；
⑧剖析仪周围切忌有可燃性气体，，，，，，这会严重影响检测器的准确丈量；；；；；；
⑨由于检测是在高温下操作，，，，，，若待测气体中含有H2和CO、CH4时，，，，，，此物质会与氧爆发反应，，，，，，消耗部分氧，，，，，，氧浓度降低，，，，，，引起丈量误差。。以是仪器在丈量含有可燃性物质的气体时应响应思量此项因素，，，，，，以阻止丈量失准。。
⑩当丈量含有侵蚀性气体时，，，，，，应先用活性炭过滤。。
