使用氧化鋯氧的傳感器的型態(tài)詳解與結構解析

隨著人們環(huán)保和節(jié)能意識的逐漸提高，在眾多大中型企業(yè)如鋼鐵冶金、石油化工、火力發(fā)電廠等，已將提高燃燒效率、降低能源消耗、降低污染物排放、保護環(huán)境等作為提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強企業(yè)競爭能力的重要途徑。諸如鋼鐵行業(yè)的軋鋼加熱爐、電力行業(yè)的鍋爐等燃燒裝置和熱工設備，統(tǒng)統(tǒng)都是實體經(jīng)濟中的能源消耗大戶。一般而言，提高燃燒效率直接的方法就是使用煙氣分析儀器（如煙氣分析儀、燃燒效率測定儀、氧化鋯氧含量檢測儀）連續(xù)監(jiān)測煙道氣體成分，分析煙氣中O2含量和CO含量，調(diào)節(jié)助燃空氣和燃料的流量，確定較好的空氣消耗系數(shù)。

因此，氧傳感器作為工業(yè)上提高燃燒效率的利器，其響應時間、測量精度成為關鍵性能指標，當然，作為工業(yè)測量儀器，安裝與維護也成為各大能源消耗企業(yè)的關心之處。而氧化鋯氧傳感器由于結構簡單、響應時間短、測量范圍廣（從ppm到百分含量）、使用溫度高（600℃-1200℃）、維護量小等有點，故而在冶金、化工、電力、汽車等領域得到廣泛應用。

圖1氧化鋯氧傳感器一般常被稱為氧化鋯探頭

氧化鋯測氧原理

圖2氧化鋯傳感器原理（圖片來源：氧化鋯測氧原理及維護使用）

圖2為氧探頭測氧原理示意圖，在氧化鋯電解質(zhì)（一般為氧化鋯管）的兩側面，分別燒結上多孔鉑（Pt）電極。在一定溫度下，當電解質(zhì)兩側氧濃度不同時，高濃度側（空氣）的氧分子被吸附在鉑電極上，與電子結合形成氧離子，使該電極帶正電。之后，氧離子通過電解質(zhì)中的氧離子空位遷移到低氧濃度側的Pt電極上放出電子，轉化成氧分子，使該電極帶負電。兩個電極的反應式分別為

參比側：

測量側：

這樣在兩個電極間便產(chǎn)生了一定的電動勢，氧化鋯電解質(zhì)、鉑電極及兩側不同氧濃度的氣體組成氧探頭即所謂氧化鋯濃差電池。之后，通過測得氣體溫度和輸出的電動勢，便可通過能斯特方程計算得到氧分壓（濃度），這就是氧化鋯氧傳感器的基本檢測原理。

常見氧化鋯氧傳感器的類型

目前，常用的氧化鋯氧傳感器結構包括檢測式探頭和直插式氧探頭。

檢測式探頭：

采樣檢測方式是通過導引管，將被測氣體導入氧化鋯檢測時，再通過加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度（750℃以上）。氧化鋯一般采用管狀，電極采用多孔鉑電極。其優(yōu)點是不受檢測氣體溫度的影響，通過采用不同的導流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量，這種靈活性被應用于許多工業(yè)在線檢測上。缺點是反應慢；結構復雜，容易影響檢測精度；在被測氣體雜質(zhì)較多時，采樣管容易堵塞，多孔鉑電極容易受到氣體中的硫、砷等腐蝕或者細小粉塵的堵塞而失效；加熱器一般用電爐絲加熱，壽命不長。在被檢測氣體溫度較低（0-650℃），或被測氣體清潔時，適宜采用這種檢測方式，如制氮機測氧，實驗室測氧等。

圖3檢測式氧化鋯探頭

直插式探頭：

直插式檢測是將氧化鋯直接插入高溫被測氣體，直接檢測氣體中的氧含量，這種檢測方式適用于被檢測氣體溫度在700℃～1150℃時（特殊結構還可以用于1400℃的高溫），它利用被測氣體的高溫使氧化鋯達到工作溫度，不需另外用加熱器（如圖4）。直插式氧探頭的技術關鍵是陶瓷材料的高溫密封和電極問題。由于需要將氧化鋯直接插入檢測氣體中，對氧探頭的長度有較高要求，其有效長度在500mm～1000mm左右，特殊的環(huán)境長度可達1500mm，且檢測精度，工作穩(wěn)定性和使用壽命都有很高的要求，因此直插式氧探頭很難采用傳統(tǒng)氧化鋯氧探頭的整體氧化鋯管狀結構，而多采取技術要求較高的氧化鋯和氧化鋁管連接的結構。密封性能是這種氧化鋯氧探頭的最關鍵技術之一。目前國際上最先進的連接方式，是將氧化鋯與氧化鋁管永久的焊接在一起，其密封性能極佳，與采樣式檢測方式比，直插式檢測有顯而易見的優(yōu)點：氧化鋯直接接觸氣體，檢測精度高，反應速度快，維護量較小。

圖4直插式氧化鋯探頭

氧傳感器產(chǎn)品介紹

以下是市場上可以搜索到的氧化鋯探頭，我們一起來看看其性能特點。

在淘寶上找到的一款由淄博鑫廣恒公司生產(chǎn)的氧化鋯氧量分析儀，分析儀的售價在4950元。根據(jù)店鋪對產(chǎn)品的介紹，可以注意到其測量煙氣的溫度在650℃以內(nèi)，并且傳感器內(nèi)置有熱電偶對氣體檢測氣體進行加熱。此外，其購前須知中特別強調(diào)了其質(zhì)量保證期與燃料的材質(zhì)有關，煤燃燒時的有害廢氣濃度高、腐蝕性強，使用壽命短；天然氣或油燃燒時的有害氣體濃度較低、腐蝕性弱所以使用壽命較長。對于不同的工況，給予的質(zhì)量保證期分別為六個月和十二個月，使用壽命分別為十二個月和二十四個月。

日本進口的富士ZKM型直插式氧化鋯氧分析儀，其參考報價為8000元，是一款無需取樣設備的高速響應型氧分析儀，適用于鍋爐及各種工業(yè)爐的燃燒管理，其反應時間在4-7秒，測量氣體溫度最高為1500℃。

安徽天分儀表有限公司生產(chǎn)的TFZO-GW/Q高溫抽氣式氧化鋯氧量分析儀，這一產(chǎn)品主要用于強腐蝕性煙氣，如垃圾焚燒電廠、工業(yè)危廢焚燒爐，測量煙氣溫度范圍在750-1400℃。由于這款產(chǎn)品用于工況惡劣的情況，因而配有高溫適配器，將高溫煙氣引入適配器中經(jīng)擴容、減壓、降溫后使其實際溫度降至600℃以下，從而實現(xiàn)對高溫氣體的檢測，這也是上文中提到的特殊結構探頭能夠測量1400℃超高溫氣體的裝置。

小結

氧氣含量調(diào)控是監(jiān)控燃燒條件、提高燃燒效率的有力手段，而其測量的精度、測量的時間都對傳感器提出了一定的要求，氧化鋯作為固態(tài)電解質(zhì)，在氧傳感器中承擔著運送導電離子的作用，目前主要的氧化鋯氧傳感器有檢測式和直插式兩種，其中直插式探頭由于直接接觸被測氣體，測量精度高、反應時間快，而應用更為廣泛。