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    氧化鋯傳感器的測量原理以及結構特點

    發布時間: 2020-04-03  點擊次數: 230次

          氧化鋯傳感器的核心構件是氧化鋯固體電解質,氧化鋯固體電解質是由多元氧化物組成的。常用的這類電解質有ZrO2·Y2O3,它由二元氧化物組成,其中,ZrO2稱為基體,Y2O3稱為穩定劑。ZrO2在常溫下是單斜晶體,在高溫下它變成立方晶體(螢石型),但當它冷卻後又變為單斜晶體,因此純氧化鋯的晶型是不穩定的。所以當在ZrO2中摻人一定量的穩定劑Y2O3時,由於Y3+置換了Zr4+的位置,一方麵在晶體中留下了氧離子空穴,另一方麵由於晶體內部應力變化的原因,該晶體冷卻後仍保留立方晶體,因此又稱它為穩定氧化鋯。據上分析,穩定氧化鋯在高溫下(650℃以上)是氧離子的良好導體。

          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表示兩個鉑電極,它是塗製在氧化鋯電解質的兩邊,兩種氧分壓為P''O2和P'O2的氣體分別通過電解質的兩邊。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是待測氣,例如通入煙氣。在高溫下,由於氧化鋯電解質是良好的氧離子導體,上述電池便是一個典型的氧濃差電池。
          在高溫下(650---850℃),氧就會從分壓大的P''O2一側向分壓小的P'O2側擴散,這種擴散,不是氧分子透過氧化鋯從P''O2側到P'O2側,而是氧分子離解成氧離子後,通過氧化鋯的過程。在750℃左右的高溫中,在鉑電極的催化作用下,在電池的P''O2側發生還原反應,一個氧分子從鉑電極取得4個電子,變成兩個氧離子(O2-)進入電解質,即:O2(P''O2)+4e→2O2-

           P''O2側鉑電極由於大量給出電子而帶正電,成為氧濃差電池的正極或陽極。這些氧離子進入電解質後,通過晶體中的空穴向前運動到達右側的鉑電極,在電池的P'O2側發生氧化反應,氧離子在鉑電極上釋放電子並結合成氧分子析出,即:
    2O2--4e→O2(P'O2)
          P'O2側鉑電極由於大量得到電子而帶負電,成為氧濃差電池的負極或陰極。這樣在兩個電極上,由於正負電荷的堆積而形成一個電勢,稱之為氧濃差電動勢。當用導線將兩個電極連成電路時,負極上的電子就會通過外電路流到正極,再供給氧分子形成離子,電路中就有電流通過。
          其池電勢由能斯特方程給出:
                                         E=RT/4F×ln(P''O2/P'O2)
          式中R為氣體常數,T為電池的熱力學溫度(K),F為法拉第常數.(1)式是在理想狀態下導出的, 必須具有四個條件:(1)兩邊的氣體均為理想氣體;(2)整個電池處於恒溫恒壓係統中;(3)濃差電池是可逆的;(4)電池中不存在任何附加電勢。因此稱(1)式為氧化鋯傳感器的理論方程。由(1)式可見由於參比氣氧含量P''O2是已知的,因此測得E值後便可求得待測氣體氧含量P'O2值。
          當電池工作溫度固定於700℃時,上式為:
                                         E=48.26lg(P''O2/P'O2)
          由上式,在溫度700℃時,當固體電介質一側氧分壓為空氣(20.6%) 時,由濃差電池輸出電動勢E,就可以計算出固體電介質另一側氧分壓,這就是氧化鋯氧量分析儀的測氧原理。

     

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