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氧化鋯氧探頭的結(jié)構(gòu)類(lèi)型一、按檢測(cè)方式的不同，氧化鋯氧探頭分為兩大類(lèi)：采樣檢測(cè)式氧探頭及直插式氧探頭。

1、采樣檢測(cè)式氧探頭

采樣檢測(cè)方式是通過(guò)導(dǎo)引管，將被測(cè)氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測(cè)室，再通過(guò)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（如圖2）。其優(yōu)點(diǎn)是不受檢測(cè)氣體溫度的影響，通過(guò)采用不同的導(dǎo)流管可以檢測(cè)各種溫度氣體中的氧含量，這種靈活性被運(yùn)用在許多工業(yè)在線(xiàn)檢測(cè)上。其缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間慢；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易影響檢測(cè)精度；在被檢測(cè)氣體雜質(zhì)較多時(shí)，采樣管容易堵塞；多孔鉑電極容易受到氣體中的硫，砷等的腐蝕以及細(xì)小粉塵的堵塞而失效；加熱器一般用電爐絲加熱二氧化碳檢測(cè)儀，壽命不長(zhǎng)。

在被檢測(cè)氣體溫度較低（0℃～650℃），或被測(cè)氣體較清潔時(shí)，適宜采樣式檢測(cè)方式，如制氮機(jī)測(cè)氧，實(shí)驗(yàn)室測(cè)氧等。

2、直插檢測(cè)式氧探頭

直插式檢測(cè)是將氧化鋯直接插入高溫被測(cè)氣體氧氣探頭，直接檢測(cè)氣體中的氧含量，這種檢測(cè)方式適宜被檢測(cè)氣體溫度在700℃～1150℃時(shí)（特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫），它利用被測(cè)氣體的高溫使氧化鋯達(dá)到工作溫度，不需另外用加熱器（如圖3）。直插式氧探頭的技術(shù)關(guān)鍵是陶瓷材料的高溫密封和電極問(wèn)題。以下列舉了兩種直插式氧探頭的結(jié)構(gòu)形式。

（1）整體氧化鋯管

該形式是從采樣檢測(cè)方式中采用的氧化鋯管的形式上發(fā)展起來(lái)的，就是將原來(lái)的氧化鋯管加長(zhǎng)，使氧化鋯可以直接伸到高溫被測(cè)氣體中。這種結(jié)構(gòu)無(wú)需考慮高溫密封問(wèn)題。

（2）直插式氧化鋯氧探頭

由于需要將氧化鋯直接插入檢測(cè)氣體中，對(duì)氧探頭的長(zhǎng)度有較高要求，其有效長(zhǎng)度在500mm～1000mm左右，特殊的環(huán)境長(zhǎng)度可達(dá)1500mm。且檢測(cè)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(jié)構(gòu)，而多采取技術(shù)要求較高的氧化鋯和氧化鋁管連接的結(jié)構(gòu)。密封性能是這種氧化鋯氧探頭的最關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國(guó)際上最先進(jìn)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(cè)方式比，直插式檢測(cè)有顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)：氧化鋯直接接觸氣體，檢測(cè)精度高，反應(yīng)速度快，維護(hù)量較小。

二、氧探頭的測(cè)氧原理

圖1為氧探頭測(cè)氧原理示意圖。

在氧化鋯電解質(zhì)(ZrO2管)的兩側(cè)面分別燒結(jié)上多孔鉑（Pt）電極，在一定溫度下，當(dāng)電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時(shí)，高濃度側(cè)(空氣)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結(jié)合形成氧離子O2-，使該電極帶正電，O2-離子通過(guò)電解質(zhì)中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(cè)的Pt電極上放出電子，轉(zhuǎn)化成氧分子，使該電極帶負(fù)電。兩個(gè)電極的反應(yīng)式分別為：

參比側(cè)：O2+4e——2O2-

測(cè)量側(cè)：2O2-－4e——O2

這樣在兩個(gè)電極間便產(chǎn)生了一定的電動(dòng)勢(shì)，氧化鋯電解質(zhì)、Pt電極及兩側(cè)不同氧濃度的氣體組成氧探頭即所謂氧化鋯濃差電池。兩級(jí)之間的電動(dòng)勢(shì)E由能斯特公式求得：可

E=(1)

式中，EmV―濃差電池輸出，

n 4―電子轉(zhuǎn)移數(shù)，在此為R理想氣體常數(shù)，8.314 W·S／mol —T （K） F96500 C;PP1——待測(cè)氣體氧濃度百分?jǐn)?shù)0——參比氣體氧濃度百分?jǐn)?shù) —法拉第常數(shù)，—絕對(duì)溫度

該分式是氧探頭測(cè)氧的基礎(chǔ)，當(dāng)氧化鋯管處的溫度被加熱到600℃～1400℃時(shí)，高濃度側(cè)氣體用已知氧濃度的氣體作為參比氣，如用空氣，則P，將此值及公式中的常數(shù)項(xiàng)合并，又實(shí)際氧化鋯電池存在溫差電勢(shì)、接觸電勢(shì)、參比電勢(shì)、極化電勢(shì)，從而產(chǎn)生本地電勢(shì)CmV）實(shí)際計(jì)算公式為：（0 =20.6%

EmV）=0.0496Tln（0.2095/P1）±CmV）（（C本地電勢(shì)(新鎬頭通常為±1mV) =

可見(jiàn)，如能測(cè)出氧探頭的輸出電動(dòng)勢(shì)E和被測(cè)氣體的絕對(duì)溫度T，即可算出被測(cè)氣體的氧分壓（濃度）P1 ，這就是氧化鋯氧探頭的基本檢測(cè)原理。

三、氧探頭的工業(yè)應(yīng)用

在工業(yè)鍋爐、加熱爐上的應(yīng)用

氧探頭使用時(shí)氧氣探頭，引入被測(cè)氣體的方式有直插式和采樣檢測(cè)式兩種。直插式響應(yīng)時(shí)間短，不需要加熱器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小型輕便，但要求同時(shí)檢測(cè)被測(cè)氣體的溫度。采樣檢測(cè)式由于氧探頭的溫度由加熱器控制，因此測(cè)量精度高，工作可靠，但響應(yīng)時(shí)間取決于氣體的流量。

直插式氧分析器已廣泛應(yīng)用在鍋爐和加熱爐的煙氣含氧量的測(cè)定（如圖4），作此用途的氧探頭多采用管狀結(jié)構(gòu)，此管可以?xún)啥碎_(kāi)口，也可以單端開(kāi)口，目前市場(chǎng)出現(xiàn)最多的是后一種。ZrO2管內(nèi)外壁上涂有多孔Pt電極，由內(nèi)外電極分別向管端引伸并在端部接出Ni Cr絲作信號(hào)輸出用，從而控制燃燒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低氧燃燒，達(dá)到降低熱能損失，節(jié)約能源的目的。

四、深圳工采網(wǎng)氧化鋯氧氣傳感器四款相關(guān)產(chǎn)品推薦:

1.奧地利SENSORE Electronic GmbH 極限電流型氧化鋯氧氣傳感器 - SO-D2-960-A300C

一、極限電流型氧化鋯氧氣傳感器SO-D2-960-A300C應(yīng)用:二、極限電流型氧化鋯氧氣傳感器SO-D2-960-A300C的優(yōu)點(diǎn):

測(cè)量范圍廣，10 ppm~96%氧氣

高精度

多款型號(hào)呈線(xiàn)性特征

傳感器信號(hào)對(duì)溫度的依賴(lài)性小

交叉靈敏度低

使用壽命長(zhǎng)

在多數(shù)情況下只需進(jìn)行一次“單點(diǎn)校準(zhǔn)”

2.極限電流型氧化鋯氧氣（O2）傳感器 - SO-D0-250-A300C

一、極限電流型氧化鋯氧氣（O2）傳感器SO-D0-250-A300C應(yīng)用:二、極限電流型氧化鋯氧氣（O2）傳感器SO-D0-250-A300C優(yōu)點(diǎn):

測(cè)量范圍廣，0.1%~25%氧氣

高精度

多款型號(hào)呈線(xiàn)性特征

傳感器信號(hào)對(duì)溫度的依賴(lài)性小

交叉靈敏度低

使用壽命長(zhǎng)

在多數(shù)情況下只需進(jìn)行一次“單點(diǎn)校準(zhǔn)”

3.英國(guó)SST 高溫氧化鋯氧氣傳感器 - O2S-FR-T2

一、高溫氧化鋯氧氣傳感器O2S-FR-T2產(chǎn)品描述：

棒式氧化鋯氧傳感器(氧探頭)O2S-T2/O2S-FR-T2采用兩個(gè)氧化鋯盤(pán)，在其中間是一個(gè)密封空間。其中一個(gè)盤(pán)起的功能是可逆氧氣泵，依次充滿(mǎn)樣品氣和抽空此小空間。另一個(gè)盤(pán)用于測(cè)量氧分壓差比率，得到相對(duì)應(yīng)的傳感電壓。氧化鋯盤(pán)作為氧氣泵運(yùn)行時(shí)，需要的700 °C的溫度由加熱元件產(chǎn)生。氧氣泵使小空間范圍內(nèi)達(dá)到額定的最小和最大壓力所花的時(shí)間和環(huán)境中氧分壓值具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

二、高溫氧氧化鋯氣傳感器O2S-FR-T2 典型應(yīng)用:

典型應(yīng)用于采暖鍋爐的控制；工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制；航空行業(yè)飛機(jī)機(jī)載氧氣發(fā)生系統(tǒng)的控制；汽車(chē)排氣的診斷；廠(chǎng)用儀表；醫(yī)療供氧設(shè)備；工業(yè)煙道;氧含量的檢測(cè)；燃燒器氧含量檢測(cè)；制氧機(jī)；潛艇氧倉(cāng)；氧吧；船倉(cāng)，氣調(diào)保鮮存儲(chǔ)行業(yè)的氧氣測(cè)量；食品包裝行業(yè)保護(hù)氣體的檢測(cè)；發(fā)酵工業(yè)中剩余氧氣的檢測(cè)；生產(chǎn)過(guò)程中的保護(hù)氣體（焊接、熱處理）；實(shí)驗(yàn)設(shè)備；生物技術(shù)和醫(yī)療系統(tǒng)中氧氣的測(cè)試；任何氧氣濃縮需要準(zhǔn)確測(cè)定的場(chǎng)合。

用戶(hù)可以供氧氣；檢測(cè)環(huán)境空氣中的氧氣用戶(hù)可以自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)后續(xù)控制放大電路，也可使用原裝進(jìn)口配套的控制器O2I-Flex。

三、高溫氧化鋯氧氣傳感器O2S-FR-T2特性：

4.英國(guó)SST 迷你型大量程氧化鋯氧氣（O2）傳感器 - O2S-FR-T3

一、大量程氧化鋯氧氣（O2）傳感器O2S-FR-T3產(chǎn)品描述：

迷你型氧化鋯氧傳感器（氧探頭）O2S-FR-T3采用兩個(gè)氧化鋯盤(pán)，在其中間是一個(gè)密封空間。其中一個(gè)盤(pán)起的功能是可逆氧氣泵，依次充滿(mǎn)樣品氣和抽空此小空間。另一個(gè)盤(pán)用于測(cè)量氧分壓差比率，得到相對(duì)應(yīng)的傳感電壓。氧化鋯盤(pán)作為氧氣泵運(yùn)行時(shí)，需要的700 °C的溫度由加熱元件產(chǎn)生。氧氣泵使小空間范圍內(nèi)達(dá)到額定的最小和最大壓力所花的時(shí)間和環(huán)境中氧分壓值具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

二、大量程氧化鋯氧氣（O2）傳感器O2S-FR-T3典型應(yīng)用

典型應(yīng)用于采暖鍋爐的控制；工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制；航空行業(yè)飛機(jī)機(jī)載氧氣發(fā)生系統(tǒng)的控制；汽車(chē)排氣的診斷；廠(chǎng)用儀表；醫(yī)療供氧設(shè)備；工業(yè)煙道;氧含量的檢測(cè)；燃燒器氧含量檢測(cè)；制氧機(jī)；潛艇氧倉(cāng);氧吧；船倉(cāng)，氣調(diào)保鮮存儲(chǔ)行業(yè)的氧氣測(cè)量；食品包裝行業(yè)保護(hù)氣體的檢測(cè)；發(fā)酵工業(yè)中剩余氧氣的檢測(cè)；生產(chǎn)過(guò)程中的保護(hù)氣體（焊接、熱處理）；實(shí)驗(yàn)設(shè)備；生物技術(shù)和醫(yī)療系統(tǒng)中氧氣的測(cè)試；任何氧氣濃縮需要準(zhǔn)確測(cè)定的場(chǎng)合。

用戶(hù)可以供氧氣；檢測(cè)環(huán)境空氣中的氧氣用戶(hù)可以自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)后續(xù)控制放大電路，也可使用原裝進(jìn)口配套的控制器O2I-Flex

三、大量程氧化鋯氧氣（O2）傳感器O2S-FR-T3特性：

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五、 氧傳感器的安裝

合理的安裝是保證氧傳感器可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，許多使用問(wèn)題均由于氧傳感器安裝不當(dāng)造成的，

1、采樣測(cè)量點(diǎn)

確定測(cè)量點(diǎn)是首要的工作，它應(yīng)遵循如下幾項(xiàng)原則：

（1） 選擇的測(cè)量點(diǎn)要求能正確反映所檢測(cè)的爐內(nèi)氣體，以保證氧傳感器 輸出信號(hào)的真實(shí)性，盡量避開(kāi)回風(fēng)死角；

（2） 測(cè)量點(diǎn)不可太靠近燃燒點(diǎn)或噴頭等部位，這些部位的氣體處于劇烈反應(yīng)中，會(huì)造成氧傳感器檢測(cè)值劇烈波動(dòng)失真；也不要過(guò)于靠近風(fēng)機(jī)等產(chǎn)氣設(shè)備，以免電機(jī)的震動(dòng)沖刷損壞傳感器；

（3） 避免放在可能碰撞的位置，以免碰撞損壞探頭，保證傳感器的安全；

2、氧傳感器的安裝、連接方式

（1）氧探頭的安裝可采用水平或垂直方式，其中垂直安裝較理想。不管采用何種方式，探頭采樣管引導(dǎo)板的方向應(yīng)該盡量正對(duì)被測(cè)氣流的方向，在初始安裝的時(shí)，先通過(guò)了解工藝，確定基本方向。然后在系統(tǒng)通電加熱探頭以后，旋轉(zhuǎn)采樣管方向，使用數(shù)字萬(wàn)用表觀(guān)察輸出氧電勢(shì)的波動(dòng)情況來(lái)最終確定比較好的引導(dǎo)方向。

（2） 氧傳感器安裝所用接頭為專(zhuān)用法蘭接頭，配裝石棉墊壓接，以確保密封，否則因?yàn)橐话銧t內(nèi)為負(fù)壓，該處法蘭接頭處漏氣會(huì)影響測(cè)量精度或造成信號(hào)波動(dòng)。

（3）氧傳感器的信號(hào)引出線(xiàn)最好用屏蔽線(xiàn)，以消除干擾。最佳方式是使用2根2芯電纜，一根2芯屏蔽電纜接氧電勢(shì)輸出信號(hào)，一根2芯KVV控制電纜接探頭加熱連接端；如果現(xiàn)場(chǎng)條件不具備可直接使用一根4芯KVV電纜連接探頭氧電勢(shì)信號(hào)和加熱端。

（4）氧探頭的標(biāo)氣口平時(shí)關(guān)閉，只在標(biāo)定氣體的時(shí)候使用；吹掃氣口連接氣泵或者壓縮空氣管路，吹掃口進(jìn)氣一般用一個(gè)電磁閥等閥門(mén)控制，一定周期開(kāi)啟一次，通入氣體吹掃采樣管，探頭正常檢測(cè)時(shí)閥門(mén)關(guān)閉，不能有其他氣體進(jìn)入采樣管。使用廠(chǎng)方的壓縮空氣吹掃探頭必須保證壓縮空氣中不含有水份乙醇檢測(cè)儀，即對(duì)所采用的壓縮空氣必須進(jìn)行氣水分離處理。

六、 氧傳感器的使用和維護(hù)

1、連接加熱控制

采樣檢測(cè)式氧探頭，只有在氧傳感器連接了加熱控制以后才能正常工作，冷態(tài)下輸出的是隨機(jī)信號(hào)，不代表任何意義氧氣探頭，氧傳感器在接入加熱控制以后，在室溫條件下既可以開(kāi)始正常的氣體檢測(cè)。一般的探頭調(diào)零就是在室溫下，加熱探頭以后，通過(guò)對(duì)空氣的測(cè)量，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量此時(shí)探頭輸出毫伏值，此數(shù)值就是該探頭的零位偏差數(shù)值，在顯示儀表中需要加入該零位偏差來(lái)修正儀表顯示的氧濃度。

2、新裝或更換氧傳感器時(shí)的注意事項(xiàng)

新裝或更換氧傳感器時(shí)，均應(yīng)校正氧分析儀的氧濃度顯示值。不進(jìn)行此項(xiàng)工作，更換新的傳感器后，氧分析儀檢測(cè)的氧濃度可能會(huì)與實(shí)際濃度產(chǎn)生偏差，從而影響測(cè)量。

3、氧濃度的修正原理及方法

氧傳感器直接測(cè)量輸出的是被測(cè)氣體的濃度與標(biāo)準(zhǔn)空氣差電勢(shì)數(shù)值，我們稱(chēng)為氧電勢(shì)，該電勢(shì)數(shù)值在零點(diǎn)（即空氣測(cè)量）時(shí)不同的探頭起始輸出電勢(shì)就存在偏差，而輸出電勢(shì)經(jīng)過(guò)模型轉(zhuǎn)換輸出氧濃度時(shí)也可能存在誤差，因此在氧分析儀中對(duì)探頭信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定修正就是很必要的工作，否則顯示氧濃度與實(shí)際被測(cè)氣體的氧濃度就會(huì)存在較大偏差，滿(mǎn)足不了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需要，甚至誤導(dǎo)控制影響生產(chǎn)。

具體的修正一般通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行標(biāo)定，方法是將計(jì)量核定確認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)氣體通過(guò)標(biāo)氣口通入探頭，測(cè)量此時(shí)輸出氧電勢(shì)及儀表顯示氧濃度，儀表顯示氧濃度應(yīng)該與標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度相同，存在偏差則修正儀表線(xiàn)性參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量要求最少使用三種不同濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定系統(tǒng)，這樣經(jīng)過(guò)三次標(biāo)定重復(fù)修正好系統(tǒng)線(xiàn)性，保證系統(tǒng)正常工作。

4、積塵對(duì)氧傳感器的影響及吹掃清除方法

由于氧傳感器是長(zhǎng)期在線(xiàn)檢測(cè)測(cè)量的器件，鍋爐等設(shè)備（尤其是煤燃燒爐或者燒粉窯爐等）產(chǎn)生的粉塵會(huì)堵塞導(dǎo)氣采樣管道，造成測(cè)量的數(shù)值失真甚至無(wú)法測(cè)量，此時(shí)必須定期對(duì)采樣管中的積塵進(jìn)行吹掃處理，吹掃時(shí)間的長(zhǎng)短視積灰程度確定，這種吹掃方法要求氧分析儀具有相應(yīng)功能或者配套使用氧傳感器的維護(hù)裝置，如果沒(méi)有這些裝置只能安裝手動(dòng)閥門(mén)控制壓縮空氣或氣泵定期通入吹掃氣口對(duì)探頭進(jìn)行除塵工作，但此時(shí)必須注意以下情況：

（1）由于在吹掃的過(guò)程中，氧傳感器的氧電勢(shì)會(huì)下降，最低有可能會(huì)降到1、2mV，這時(shí)檢測(cè)的氧電勢(shì)不代表爐內(nèi)的氣氛，此點(diǎn)必須要注意；

（2）吹掃空氣的流量要保證能夠去除積灰，吹掃過(guò)程中可注意氧傳感器的氧電勢(shì)輸出值，如果氧電勢(shì)值始終沒(méi)有下降，表明空氣流量太小，積塵沒(méi)有清理，應(yīng)予以調(diào)節(jié)或者檢查吹掃管道，可能吹掃管道已經(jīng)堵死；

（3）吹掃口的通道是與爐內(nèi)直接相通的，每次在吹掃完畢后，應(yīng)關(guān)閉閥門(mén)，堵死吹掃孔，防止因爐內(nèi)負(fù)壓空氣進(jìn)入，影響氧傳感器的檢測(cè)。

在分析氧傳感器的好壞時(shí)應(yīng)將其視為一個(gè)單獨(dú)的檢測(cè)部件。在檢測(cè)氧傳感器的氧電勢(shì)時(shí)應(yīng)把與氧傳感器連接的所有導(dǎo)線(xiàn)斷開(kāi)，用高內(nèi)阻的數(shù)字表在氧傳感器的輸出端直接檢測(cè)氧電勢(shì)。通過(guò)檢測(cè)氧電勢(shì)，與正常使用時(shí)的數(shù)值相比較。

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