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    氧化鋯傳感器的測(cè)量原理以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

    發(fā)布時(shí)間: 2020-04-03  點(diǎn)擊次數(shù): 3033次

          氧化鋯傳感器的核心構(gòu)件是氧化鋯固體電解質(zhì),氧化鋯固體電解質(zhì)是由多元氧化物組成的。常用的這類電解質(zhì)有ZrO2·Y2O3,它由二元氧化物組成,其中,ZrO2稱為基體,Y2O3稱為穩(wěn)定劑。ZrO2在常溫下是單斜晶體,在高溫下它變成立方晶體(螢石型),但當(dāng)它冷卻后又變?yōu)閱涡本w,因此純氧化鋯的晶型是不穩(wěn)定的。所以當(dāng)在ZrO2中摻人一定量的穩(wěn)定劑Y2O3時(shí),由于Y3+置換了Zr4+的位置,一方面在晶體中留下了氧離子空穴,另一方面由于晶體內(nèi)部應(yīng)力變化的原因,該晶體冷卻后仍保留立方晶體,因此又稱它為穩(wěn)定氧化鋯。據(jù)上分析,穩(wěn)定氧化鋯在高溫下(650℃以上)是氧離子的良好導(dǎo)體。

          典型的氧化鋯傳感器是
                                       Pt,P''O2│ZrO2·Y2O3│P'O2,Pt
          在上述電池中,Pt表示兩個(gè)鉑電極,它是涂制在氧化鋯電解質(zhì)的兩邊,兩種氧分壓為P''O2和P'O2的氣體分別通過(guò)電解質(zhì)的兩邊。作為氧傳感器,其中P''O2是參比氣,例如通人空氣(20.6%O2),P'O2是待測(cè)氣,例如通入煙氣。在高溫下,由于氧化鋯電解質(zhì)是良好的氧離子導(dǎo)體,上述電池便是一個(gè)典型的氧濃差電池。
          在高溫下(650---850℃),氧就會(huì)從分壓大的P''O2一側(cè)向分壓小的P'O2側(cè)擴(kuò)散,這種擴(kuò)散,不是氧分子透過(guò)氧化鋯從P''O2側(cè)到P'O2側(cè),而是氧分子離解成氧離子后,通過(guò)氧化鋯的過(guò)程。在750℃左右的高溫中,在鉑電極的催化作用下,在電池的P''O2側(cè)發(fā)生還原反應(yīng),一個(gè)氧分子從鉑電極取得4個(gè)電子,變成兩個(gè)氧離子(O2-)進(jìn)入電解質(zhì),即:O2(P''O2)+4e→2O2-

           P''O2側(cè)鉑電極由于大量給出電子而帶正電,成為氧濃差電池的正極或陽(yáng)極。這些氧離子進(jìn)入電解質(zhì)后,通過(guò)晶體中的空穴向前運(yùn)動(dòng)到達(dá)右側(cè)的鉑電極,在電池的P'O2側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng),氧離子在鉑電極上釋放電子并結(jié)合成氧分子析出,即:
    2O2--4e→O2(P'O2)
          P'O2側(cè)鉑電極由于大量得到電子而帶負(fù)電,成為氧濃差電池的負(fù)極或陰極。這樣在兩個(gè)電極上,由于正負(fù)電荷的堆積而形成一個(gè)電勢(shì),稱之為氧濃差電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)用導(dǎo)線將兩個(gè)電極連成電路時(shí),負(fù)極上的電子就會(huì)通過(guò)外電路流到正極,再供給氧分子形成離子,電路中就有電流通過(guò)。
          其池電勢(shì)由能斯特方程給出:
                                         E=RT/4F×ln(P''O2/P'O2)
          式中R為氣體常數(shù),T為電池的熱力學(xué)溫度(K),F(xiàn)為法拉第常數(shù).(1)式是在理想狀態(tài)下導(dǎo)出的, 必須具有四個(gè)條件:(1)兩邊的氣體均為理想氣體;(2)整個(gè)電池處于恒溫恒壓系統(tǒng)中;(3)濃差電池是可逆的;(4)電池中不存在任何附加電勢(shì)。因此稱(1)式為氧化鋯傳感器的理論方程。由(1)式可見(jiàn)由于參比氣氧含量P''O2是已知的,因此測(cè)得E值后便可求得待測(cè)氣體氧含量P'O2值。
          當(dāng)電池工作溫度固定于700℃時(shí),上式為:
                                         E=48.26lg(P''O2/P'O2)
          由上式,在溫度700℃時(shí),當(dāng)固體電介質(zhì)一側(cè)氧分壓為空氣(20.6%) 時(shí),由濃差電池輸出電動(dòng)勢(shì)E,就可以計(jì)算出固體電介質(zhì)另一側(cè)氧分壓,這就是氧化鋯氧量分析儀的測(cè)氧原理。

     

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