英国Systech希仕代氧化锆传感器原理

只出现在1960年代。它属于固体离子学中的一个重要应用。该型氧传感器已广泛应用于国内外工业窑炉优化燃烧，并产生了显着的节能效果；广泛应用于汽车尾气测量，显着改善了城市环境污染；广泛用于测量钢水中的氧气，大大提高钢的质量和产量；广泛用于测量惰性气体中的氧气，其灵敏度和测量范围是其他氧气计无法比拟的。本文从理论分析和实际应用两个方面对上述问题进行阐述。氧化锆传感器的主要应用可概括为以下五个方面：

1. 烟气测氧：主要用于发电厂、炼油厂、钢铁厂、化工厂、纺织印染厂、食品加工厂等企业。

2. 汽车尾气测量：目前主要用于乘用车和轿车。

3、钢水测氧：主要用于钢铁企业、铜冶炼厂等冶炼企业。

4.惰性气体测氧：主要用于钢铁企业、空分厂、化肥厂和电子企业。

5. 理化研究：主要用于高温氧化还原反应热力学和动力学参数的测定。

在国际上，赛思泰仪器有限公司是典型的氧化锆传感器制造商。

氧化锆传感器的测量原理及结构特点：

氧化锆传感器的核心部件是氧化锆固体电解质，由多种氧化物组成。常用的这类电解质是ZrO2·Y2O3，它由二元氧化物组成，其中ZrO2称为基体，Y2O3称为稳定剂。 ZrO2 在室温下是单斜晶体。高温下变成立方晶体（萤石型），但冷却后变成单斜晶体，所以纯氧化锆的晶型不稳定。因此，当在ZrO2中加入一定量的稳定剂Y2O3时，由于Y3+取代了Zr4+的位置，一方面在晶体中留下氧离子空穴，另一方面由于晶体内应力的变化水晶，水晶冷却下来。之后保留立方晶体，因此也称为稳定氧化锆。根据以上分析，稳定氧化锆在高温（650℃以上）下是氧离子的良导体。

一个典型的氧化锆传感器是

Pt,P''O2│ZrO2·Y2O3│P'O2,Pt

在上述电池中，Pt代表两个铂电极，分别包覆在氧化锆电解液的两侧，氧分压为P''O2和P'O2的两种气体通过电解液两侧，分别。作为氧传感器，P''O2为参考气体，如空气（20.6%O2），P'O2为被测气体，如烟道气。在高温下，由于氧化锆电解液是良好的氧离子导体，上述电池为典型的氧浓电池。

在高温（650---850℃）下，氧气会从P'O2分压高的一侧扩散到P'O2分压低的一侧。这种扩散不是氧分子的氧化。锆是从P''O2一侧走向P'O2一侧，但氧分子解离成氧离子后，经过氧化锆的过程。在750℃左右的高温下，在铂电极的催化下，电池的P''O2侧发生还原反应。一个氧分子从铂电极获得 4 个电子，变成两个氧离子 (O2-)。电解质，即：

O2(P''O2)+4e→2O2-

P''O2侧铂电极因大量电子而带正电，成为氧浓电池的正极或负极。这些氧离子进入电解液后，通过晶体中的孔向前移动，到达右侧的铂电极。电池的 P'O2 侧发生氧化反应。氧离子在铂电极上释放电子，结合形成氧分子沉淀，即：

2O2--4e→O2(P'O2)

P'O2侧铂电极因电子量大而带负电，成为氧浓电池的负极或阴极。这样，由于正负电荷的积累，在两个电极上形成了一个电位，称为氧浓度电动势。当两个电极用导线连接成电路时，负极上的电子会通过外电路流向正极，然后供给氧分子形成离子，电流就会流过电路。

电池电位由能斯特方程给出：

E=RT/4F×ln(P''O2/P'O2)

其中R为气体常数，T为电池的热力学温度（K），F为法拉第常数。 (1) 公式是在理想条件下推导出来的，必须有四个条件： (1) 两边的气体相等 是理想气体； (2)整个电池处于恒温恒压系统中； (3)浓度差电池是可逆的； (4)电池中没有附加电位。因此，式（1）被称为氧化锆传感器的理论方程。由式(1)可知，由于参比气体的氧含量P''O2已知，测量E值后即可得到待测气体的氧含量P'O2值。

当电池工作温度固定在700℃时，上式为：

E=48.26lg(P''O2/P'O2)

由上式可知，在700℃的温度下，当固体电介质一侧的氧分压为空气（20.6%）时，浓差电池输出电动势E，氧分压为在固体电介质的另一侧可以计算。这就是氧化锆氧分析仪的测氧原理。