氧化鋯分析儀，又稱氧化鋯氧量分析儀、氧化鋯氧量計或氧化鋯氧量表，是一種基于固體電解質(zhì)濃差電池原理的氧氣濃度測量儀器。它主要用于測量燃燒過程中煙氣的含氧濃度，同樣也適用于非燃燒氣體氧濃度測量。自1989年能斯特發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定氧化鋯在高溫下呈現(xiàn)的離子導(dǎo)電現(xiàn)象以來，氧化鋯固體電解質(zhì)在高溫氧濃度測量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用與研究。在所有固體電解質(zhì)中，氧化鋯是研究和開發(fā)應(yīng)用較為普遍的一種，它已在高溫技術(shù)，特別是高溫測試技術(shù)上得到廣泛應(yīng)用。

 

與磁氧分析器、電化學(xué)式氧量計、氣象色譜儀等傳統(tǒng)測氧儀表相比，氧化鋯分析儀具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時間短（可達0.1至0.2秒）、測量范圍寬（從ppm到百分含量）、使用溫度高（600℃至1200℃）、運行可靠、安裝方便、維護量小等特點。本文將從工作原理、探頭結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用場景及選型維護等方面，對氧化鋯分析儀進行系統(tǒng)性的技術(shù)闡述。

 

二、工作原理

 

氧化鋯分析儀的核心工作原理基于固體電解質(zhì)濃差電池效應(yīng)。氧化鋯（ZrO?）是一種在高溫下具有氧離子導(dǎo)電特性的陶瓷材料。在氧化鋯中摻入一定量的氧化釔（Y?O?）或氧化鈣（CaO）并經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，其立方晶格中會形成氧離子空穴，使其在高溫條件下成為良好的氧離子導(dǎo)體。

 

在氧化鋯元件的內(nèi)外兩側(cè)涂覆多孔鉑電極，就構(gòu)成了一個氧濃差電池。當(dāng)傳感器兩側(cè)的氧氣分壓不同時，高濃度側(cè)的氧分子在鉑電極上獲得電子，被還原為氧離子；氧離子通過氧化鋯晶格中的空穴遷移至低濃度側(cè)，在低濃度側(cè)放出電子重新形成氧分子。從能斯特方程可以看出，在溫度恒定的條件下，輸出電勢E與參比氣體氧分壓和被測氣體氧分壓的對數(shù)比值呈線性關(guān)系。測出E值后，即可計算出被測氣體的氧含量。氧化鋯元件的工作溫度需要維持在600℃以上才能獲得良好的氧離子導(dǎo)電性能，通常設(shè)定在700℃至750℃。

 

在實際應(yīng)用中，氧化鋯管還受到溫差電勢、接觸電勢、參比電勢和極化電勢等多種因素的影響，存在所謂的“本底電勢”（或稱零位電勢）。本底電勢的大小在不同溫度下呈現(xiàn)不同的值，并且隨著氧化鋯管使用時間的延長而發(fā)生變化。如不對本底電勢進行校正處理，將直接影響整套測氧儀的準(zhǔn)確性和探頭壽命。部分氧化鋯分析儀采用了“雙參數(shù)校正法”對探頭本底電勢進行處理，以彌補鋯管的離散性缺陷，延長探頭的使用壽命。

 

由能斯特方程可知，在一定溫度下，一定的煙氣氧含量對應(yīng)一個電勢輸出。當(dāng)被測煙氣與參比氣濃度相同時，輸出電勢的理論值為0mV。但實際應(yīng)用中，鋯管并非理想狀態(tài)，需要通過本底修正來消除誤差。

 

三、探頭結(jié)構(gòu)類型

 

按檢測方式的不同，氧化鋯氧探頭分為兩大類：采樣檢測式氧探頭和直插檢測式氧探頭。

 

采樣檢測式氧探頭是通過導(dǎo)引管將被測氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測室，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結(jié)構(gòu)，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(dǎo)流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量，這種靈活性被運用在許多工業(yè)在線檢測上。其缺點包括：反應(yīng)時間較慢；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易影響檢測精度；在被檢測氣體雜質(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、砷等成分的腐蝕以及細小粉塵的堵塞而失效；加熱器一般用電爐絲加熱，壽命相對有限。在被檢測氣體溫度較低（0℃至650℃）或被測氣體較為清潔時，適宜選用采樣式檢測方式，如制氮機測氧、實驗室測氧等。

 

直插檢測式氧探頭是將氧化鋯直接插入高溫被測氣體中，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℃至1150℃之間的場景（特殊結(jié)構(gòu)還可用于高達1400℃的高溫），利用被測氣體的高溫使氧化鋯達到工作溫度，無需另外使用加熱器。直插式檢測有較為明顯的優(yōu)勢：氧化鋯直接接觸氣體，檢測精度較高，響應(yīng)速度快，維護量較小。直插式氧探頭的技術(shù)難點在于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，有效長度通常在500mm至1000mm左右，特殊環(huán)境長度可達1500mm。因此，直插式氧探頭多采用氧化鋯和氧化鋁管連接的結(jié)構(gòu)，其密封性能是此類探頭的最關(guān)鍵技術(shù)之一。

 

氧化鋯探頭的關(guān)鍵部件是氧化鋯管。氧化鋯管是由氧化鋯材料摻以一定量的氧化釔或氧化鈣經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后形成的穩(wěn)定氧化鋯陶瓷燒結(jié)體。檢測器內(nèi)的氧化鋯管屬陶瓷易碎品，在運輸、安裝和使用過程中應(yīng)避免劇烈震動以免損壞。為了保持氧化鋯在額定的工作溫度，傳感器中設(shè)置了加熱器，溫度控制器控制氧化鋯溫度恒定在設(shè)定的工作點。

 

四、技術(shù)參數(shù)

 

氧化鋯分析儀的技術(shù)參數(shù)涵蓋了測量性能、電氣特性、工作條件等多個方面。

 

測量范圍通常為0%至20.6%或0%至25%的氧氣體積濃度。部分型號可在0%至25%范圍內(nèi)自由設(shè)定量程，可設(shè)定至0%至5%。溫度顯示范圍為0℃至1300℃。

 

精度指標(biāo)方面，儀表精度通常優(yōu)于0.5%FS（滿量程百分比），探頭的基本誤差不超過±2%FS，重復(fù)性誤差在滿量程的±0.3%至±0.5%以內(nèi)。在氧化性氣氛中長期使用條件下，鋯管典型壽命約為兩年。采樣檢測式氧探頭受限于加熱器壽命和電極腐蝕等因素，壽命相對較短。

 

響應(yīng)時間是氧化鋯分析儀的一個重要性能指標(biāo)。直插式氧化鋯探頭具有響應(yīng)快的優(yōu)勢，響應(yīng)時間可達3秒以內(nèi)（90%響應(yīng)）。采樣檢測式氧探頭由于需要經(jīng)過采樣管路，響應(yīng)時間會相對延長。

 

溫度參數(shù)是影響氧化鋯分析儀工作的重要條件。檢測器加熱爐升溫時間約為20分鐘，加熱溫度采用PID自整定控制，恒溫精度可控制在±1℃以內(nèi)。根據(jù)不同應(yīng)用煙氣溫度，氧化鋯探頭分為三種規(guī)格：低溫型適用于0℃至600℃煙氣環(huán)境，需配置加熱器維持鋯管工作溫度；中溫型適用于600℃至800℃；高溫型適用于800℃至1300℃，可無需加熱器而直接利用煙氣溫度。

 

輸出信號方面，氧化鋯分析儀提供0-10mA或4-20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號輸出，以及RS232或RS485數(shù)字通訊接口，可與各類電動單元儀表、常規(guī)顯示記錄儀及DCS集散控制系統(tǒng)配合使用。

 

環(huán)境條件與電源方面，轉(zhuǎn)換器的工作環(huán)境溫度為0℃至50℃，相對濕度＜90%；檢測器可在-10℃至80℃環(huán)境溫度下工作。電源為220VAC 50Hz，功耗約為150W。

 

五、應(yīng)用場景

 

氧化鋯分析儀的應(yīng)用范圍較廣，涵蓋了燃燒過程控制和氣體純度檢測等多個領(lǐng)域。

 

鍋爐燃燒監(jiān)測與控制是氧化鋯分析儀的主要應(yīng)用場景之一。對于燃煤、燃氣或燃油鍋爐而言，煙氣中的氧含量是反映空氣過剩系數(shù)和燃燒效率的重要指標(biāo)。通過在線監(jiān)測煙氣含氧量并調(diào)節(jié)送風(fēng)量，可實現(xiàn)低氧燃燒控制，達到節(jié)能和減少環(huán)境污染的目的。將氧化鋯分析儀應(yīng)用于燃燒監(jiān)視與控制，有助于充分燃燒，減少CO、SOx及NOx的排放。對于中、小型鍋爐，建議將氧化鋯探頭安裝在省煤器前、過熱器后的煙道位置，此處煙氣溫度適中，利于延長探頭使用壽命。

 

工業(yè)窯爐和加熱爐同樣需要使用氧化鋯分析儀。水泥窯、玻璃熔窯、陶瓷燒成窯、冶金加熱爐等設(shè)備的燃燒過程控制均以煙氣氧含量為依據(jù)。氧化鋯氧量分析儀可對窯爐加熱爐等燃燒設(shè)備在燃燒過程中所產(chǎn)生的煙氣含氧量進行快速在線顯示、檢測和分析。

 

制氧與氣體分離行業(yè)中，氧化鋯分析儀用于監(jiān)測制氧過程中的產(chǎn)品純度和副產(chǎn)品氣體中的殘留氧含量。在石化行業(yè)，可應(yīng)用于裂解爐煙氣氧含量的檢測，以及其他工藝加熱爐的燃燒控制。

 

環(huán)保監(jiān)測領(lǐng)域，氧化鋯氧量分析儀是煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）的重要組成設(shè)備之一。在冶金、電子、石化、化纖、玻璃、建材、磁性材料等行業(yè)中，氧化鋯分析儀同樣廣泛應(yīng)用于工藝過程控制和產(chǎn)品檢測。

 

六、選型要點與使用注意事項

 

選擇氧化鋯分析儀時，建議從以下幾個方面進行綜合考量。

 

探頭類型的選型應(yīng)根據(jù)煙氣的實際溫度和成分確定。對于煙氣溫度在700℃至1150℃之間且煙氣成分相對清潔的高溫工況，直插式氧化鋯探頭是合適的方案，無需額外的加熱器，響應(yīng)速度快，維護量較小。對于煙氣溫度低于700℃的低溫?zé)煔鈭鼍?，?yīng)選用帶有加熱器的氧化鋯探頭或采樣檢測式氧探頭。在被檢測氣體雜質(zhì)較多時，采樣管容易堵塞，鉑電極容易受到硫、砷等成分的腐蝕以及細小粉塵的堵塞而失效，需根據(jù)煙氣潔凈度綜合考慮探頭類型的選擇。

 

測量范圍的選擇應(yīng)根據(jù)實際工況中的煙氣含氧量范圍確定。對于常規(guī)燃燒監(jiān)測，0%至25%的量程范圍已可覆蓋大多數(shù)應(yīng)用場景。如需要對微量氧進行檢測（例如制氮工藝中的殘留氧測量），應(yīng)選用量程可調(diào)或具備微量氧測量能力的型號。

 

防護與密封要求對于在惡劣環(huán)境下使用的場合尤為重要。檢測器采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，氧化鋯拆卸調(diào)換方便，不必外加氣泵，參比氣可自行對流。對于高粉塵檢測環(huán)境，應(yīng)優(yōu)先選用配備多孔陶瓷過濾器和全封閉型結(jié)構(gòu)的型號，以增加密封性能，提高探頭使用壽命。

 

電氣接口與系統(tǒng)集成方面，具備4-20mA模擬輸出和RS485通訊接口的型號便于接入現(xiàn)有的DCS或PLC系統(tǒng)。具有本底電勢一鍵校正和標(biāo)準(zhǔn)氣在線校準(zhǔn)功能的型號能夠簡化調(diào)試流程，降低后期維護難度。

 

安裝位置選擇需注意：氧化鋯探頭必須安裝在煙氣流場均勻、溫度穩(wěn)定的區(qū)域，避免安裝在煙氣不流動的死角或流速過快的位置。對于中小型鍋爐，建議將探頭安裝點選擇在省煤器前、過熱器后，避免溫度過高或過低對探頭造成損傷。

 

定期校準(zhǔn)與維護是保證氧化鋯分析儀長期可靠運行的關(guān)鍵措施。鋯管在長期使用后，由于鉑電極燒結(jié)、鋯管微裂紋等原因，本底電勢會發(fā)生漂移，需要定期使用標(biāo)準(zhǔn)氣體進行在線校準(zhǔn)和響應(yīng)校驗。建議每6至12個月進行一次校準(zhǔn)。鋯管的典型壽命為兩年，在氧化性氣氛中長期使用條件下可維持較長時間，應(yīng)及時監(jiān)測探頭輸出信號的變化趨勢，在出現(xiàn)明顯性能下降時予以更換。在含硫或含還原性成分較高的氣氛中使用時，鋯管壽命會受到一定影響。氧化鋯管屬陶瓷部件，在現(xiàn)場操作中應(yīng)避免機械沖擊和劇烈震動。