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主要原理
氧化鋯探頭是利用氧化鋯濃差電勢(shì)來測(cè)定氧含量的傳感器，其核心的氧化鋯管安置在一微型電爐內(nèi)，位于整個(gè)探頭的頂端。
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)定的氧化鋯陶瓷燒結(jié)體。由于它的立方晶格中含有氧離子空穴，因此在高溫下它是良好的氧離子導(dǎo)體。因其這一特性，在一定高溫下，當(dāng)鋯管兩邊的氧含量不同時(shí)，它便是一個(gè)典型的氧濃差電池，在此電池中，空氣是參比氣，它與煙氣分別位于內(nèi)外電極。在實(shí)際的氧探頭中，空氣流經(jīng)外電極，煙氣流經(jīng)內(nèi)電極，當(dāng)煙氣氧含量P小于空氣氧含量P0(20.6%O2)時(shí)，空氣中的氧分子從外電極上奪取4個(gè)電子形成2個(gè)氧離子，發(fā)生如下電極反應(yīng)：
O(P0)+4e-→2O-2
氧離子在氧化鋯管中迅速遷移到煙氣邊，在內(nèi)電極上發(fā)生相反的電極反應(yīng)：
2O-2→O(P0)+4e-
由于氧濃差導(dǎo)致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊，因而產(chǎn)生的電勢(shì)又導(dǎo)致氧離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊，當(dāng)這兩種遷移達(dá)到平衡后，便在兩電極間產(chǎn)生一個(gè)與氧濃差有關(guān)的電勢(shì)信號(hào)E,該電勢(shì)信號(hào)符合"能斯特"方程：
E=(RT/4F)Ln(P0/P)(1)
式中R、F分別是氣體常數(shù)和法拉第常數(shù)，T是鋯管溫度(K),P0是空氣氧含量(20.6%O2),P是煙氣含量。由(1)式可見，在一定的高溫條件下(一般)600℃)，一定的煙氣氧含量便會(huì)有一對(duì)應(yīng)的電勢(shì)輸出，在理想狀態(tài)下，其電勢(shì)值在高溫區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)氧含量。在理想狀態(tài)下，當(dāng)被測(cè)煙氣與參比氣濃度一樣時(shí)，其輸出電勢(shì)E值為0mV,但在實(shí)際應(yīng)用中，鋯管實(shí)際條件和現(xiàn)場情況均不是理想狀態(tài)。故事實(shí)上的鋯管是偏離此值的。實(shí)際上，一定氧含量鋯管輸出的電勢(shì)為理論值和本底電勢(shì)的和，我們稱為無濃差條件下鋯管輸出的電勢(shì)值為本底電勢(shì)或稱為零位電勢(shì)，此值的大小又在不同溫度下呈不同的值，并且隨鋯管使用期延長而變化。因此，如不對(duì)此情況處理，會(huì)嚴(yán)重影響整套測(cè)氧儀的準(zhǔn)確和探頭壽命。
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