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氧化锆电解质在氧气传感器中的应用
日期:2022年04月27日    来源:


随着人们环保节能意识的逐步提高,钢铁冶金、石油化工、火力发电厂等大中型企业纷纷采取提高燃烧效率、降低能耗、减少污染物排放、,保护环境是提高产品质量、增强企业竞争力的重要途径。

 

螺纹安装氧化锆传感器O2S-FR-T2-18C

 

一般来说,提高燃烧效率的直接途径是在烟气分析仪(如烟气分析仪、燃烧效率测试仪、氧化锆氧含量检测仪)中连续监测烟气成分,然后分析烟气中的O2含量和CO含量,调整助燃空气和燃料的流量,并确定更好的空气消耗系数。因此,作为提高燃烧效率的工业工具,氧传感器的响应时间和测量精度成为关键性能指标。氧化锆氧传感器由于其结构简单、响应时间短、测量范围宽(从PPM到百分比)、工作温度高(600℃-1200℃)和维护量小等优点,已广泛应用于冶金、化工、电力、汽车等领域。

 

氧化锆氧气传感器原理

  下图是用氧探头测量氧气的示意图。多孔铂(Pt)电极烧结在氧化锆电解液(通常是氧化锆管)的两侧。在一定温度下,当电解液两侧的氧浓度不同时,高浓度侧(空气)的氧分子吸附在铂电极上,并与电子结合形成氧离子,使电极带正电荷。然后,氧离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧的铂电极,释放电子并将其转化为氧分子,使电极带负电。

 

 

氧化锆传感器

这会在两个电极之间产生一定的电动势。氧化锆电解液、铂电极和两侧氧浓度不同的气体构成氧探针,称为氧化锆浓度差电池。然后,通过测量气体温度和输出电动势,可以通过nengst方程计算氧分压(浓度),这是氧化锆氧传感器的基本检测原理。

 

氧化锆氧传感器的常见类型

目前常用的氧化锆氧O2传感器包括检测探头和直接插入式氧探头。

 

探测器探头

取样方法是通过导管将被测气体引入氧化锆中,然后通过加热元件将氧化锆加热至工作温度(750℃以上)。氧化锆通常为管状,电极为多孔铂。它的优点是不受被测气体温度的影响,并且可以通过在不同温度下使用不同的导流板来检测气体的氧含量。

 

这种灵活性用于许多工业在线检测。它的缺点是反应慢;结构复杂,容易影响检测精度;被测气体中杂质较多时,取样管容易堵塞;多孔铂电极易被硫和砷腐蚀或被细粉尘堵塞等。当被测气体温度较低(0-650℃),或被测气体清洁时,适合使用这种检测方法,如制氮机和实验室测氧浓度

 

 

氧化锆氧气传感器O2S-FR-T2-18BM-C-D485

直插型氧探头

直接插入法是将氧化锆直接插入高温测量的气体中,直接检测气体中的氧含量。它利用被测气体的高温使氧化锆达到其工作温度,而不需要额外的加热器。

 

接插入式氧探头的关键技术是陶瓷材料与电极的高温密封。由于需要将氧化锆直接插入检测气体中,因此要求氧气探针的长度相对较高。有效长度约为500mm~1000mm,特殊环境长度可达1500mm,对检测精度、工作稳定性和使用寿命要求较高。因此,传统的氧化锆氧探头与直接插入式氧探头很难采用全氧化锆管状结构,且大多采用技术要求高的氧化锆与氧化铝管连接结构。密封性能是氧化锆氧探头的关键技术之一。目前,世界上先进的连接方式是将氧化锆和氧化铝管焊接在一起。


       与取样模式检测法相比,直接插入法具有明显的优点:氧化锆直接与气体接触;检测精度高;反应速度快,维护量小。

 

法兰安装带显示氧气检测仪

小结

       氧含量的调节是监测燃烧状况、提高燃烧效率的有力手段,对传感器的测量精度和时间提出了一定的要求。氧化锆是一种固体电解质,用于在氧传感器中传输导电离子。目前,氧化锆氧传感器有两种:探测型和直接插入型。直接插入式探头因其与被测气体直接接触、测量精度高、反应时间快而得到广泛应用。

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