氧化鋯也稱二氧化鋯(ZrO2),分子是由一個鋯原子和兩個氧原子結(jié)合而成。純凈的氧化鋯基本上是不導(dǎo)電的,是不能進行氧量測量的,真正用于測量氧量的是在氧化鋯中加入氧化鈣(CaO)后,就具有高溫導(dǎo)電性,這樣就可以進行氧量測量。
氧化鋯氧量分析儀是利用氧化鋯固體電解質(zhì)原理工作,由氧化鋯固體電解質(zhì)做成氧化鋯探測器(探頭),直接安裝在煙道中,具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)快等特點,測量時僅受溫度影響,容易克服,而且輸出電信號,便于信號傳輸與處理,精度比較高,廣泛用于燃燒過程熱效率控制系統(tǒng)。
電解質(zhì)溶液導(dǎo)電是依靠例子來導(dǎo)電的,某些固體也具有離子導(dǎo)電的性質(zhì),具有某種離子導(dǎo)電性質(zhì)的固體物質(zhì)稱為固體電解質(zhì)。凡是傳導(dǎo)氧離子的固體電解質(zhì)可以稱為氧離子固體電解質(zhì)。
氧化鋯測量含氧量的基本原理是利用所謂的“氧濃差電勢”,即在一塊氧化鋯兩側(cè)分別附以多孔的鉑電極(又稱“鉑黑”),并使其處于高溫下。如果兩側(cè)氣體中的含氧量不同,那么在兩電極間就會出現(xiàn)電動勢。此電動勢是由于固體電解質(zhì)兩側(cè)氣體的含氧濃度不同而產(chǎn)生的,故叫氧濃差電勢,這樣的裝置叫做氧濃差電池。
如在氧化鋯(ZrO2) 中加入一定數(shù)量的氧化鈣(CaO),+2價的鈣離子(Ca2+)在進入ZrO2晶體后會置換出+4價的鋯離子(Zr4+),由于鈣離子和鋯離子的離子價不同,因此在晶體中形成許多氧空穴。再高溫(750℃以上)下,如有外加電場,就會形成氧離子占據(jù)空穴的定向運動而導(dǎo)電。帶負電荷的氧離子占據(jù)空穴的運動,也就相當(dāng)于帶正電荷的空穴做反向運動,因此,也可以說固體電解質(zhì)是靠空穴導(dǎo)電的,這和P型半導(dǎo)體靠空穴導(dǎo)電機理相似。固體電解質(zhì)的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān),溫度越高,導(dǎo)電性能越強。
選擇和使用氧化鋯的注意事項:
(1)氧化鋯濃差電勢與氧化鋯探頭的工作溫度成正比。所以氧化鋯探頭應(yīng)處于恒定溫度下工作或采取溫度補償措施
(2)為了保證測量的靈敏度,探測器工作溫度還應(yīng)選擇其合適的工作溫度,工作溫度選擇較低其靈敏度下降,工作溫度過低時,氧化鋯內(nèi)阻愈高,正確測量電勢較困難。工作溫度選擇較高時,因煙氣中的的可燃性物質(zhì)就會與氧迅速化合而形成燃料電池,使其輸出增大。
(3)在使用過程中,應(yīng)保證待測氣體壓力與參比氣體壓力相等,只有這樣待測氣體和參比氣體氧的分壓之比才能代表上述兩種氣體的含量之比
(4)氧化鋯管內(nèi)外兩側(cè)氣體要不斷流動更新,否則含氧量會逐漸平衡,輸出下降
氧化鋯在安裝前需要進行校驗,在使用過程中也要定期校驗。其方法是用已配好的標準氣樣作為測量氣體,分別從校驗氣口通入氧化鋯探頭。
氧化鋯在使用一段時間后,探頭往往會發(fā)生老化現(xiàn)象。反映老化程度主要有兩個指標:一是本底電勢,又稱殘余電勢,二是探頭的內(nèi)阻。檢查本底電勢時,在校驗氣口通入空氣,待測氣體與參比氣體相同,理論上本底電勢應(yīng)為零,實際不為零,一般要求本底電勢。