氧化鋯氧傳感器如何測量混合氣體中的氧分壓及如何計算氧分壓?

發(fā)布時(shí)間:2023-10-10 14:10    發(fā)布者:知夏微涼
氧化鋯氧傳感器是利用穩定的二氧化鋯陶瓷在650℃以上的環(huán)境中產(chǎn)生的氧離子導電特性而設計的。在一定的溫度條件下,如果在二氧化鋯塊狀陶瓷兩側的氣體中分別存在著(zhù)不同的氧分壓(即氧濃度)時(shí),二氧化鋯陶瓷內部將產(chǎn)生一系列的反應,和氧離子的遷移。這時(shí)通過(guò)二氧化鋯兩側的引出電極,可測到穩定的毫伏級信號,我們稱(chēng)之為氧電勢。

它服從能斯特(Nernst)方程:式中E為氧傳感器輸出的氧電勢(mv),Tk為爐內的絕對溫度(K),P1和P2分別為二氧化鋯兩側氣體的氧分壓。實(shí)際應用時(shí),將二氧化鋯的一側通入已知氧濃度的氣本(通常為空氣),我們稱(chēng)之為參比氣。另一側則是被測氣體,就是我們要檢測的爐內的氣氛。氧傳感器輸出的信號就是氧電勢信號,通過(guò)能斯特方程我們就可以得到被測爐氣氛中的氧分壓和氧電勢的關(guān)系。參比氣為空氣時(shí),可表示為:式中E為氧傳感器輸出氧電勢;Tk為爐內的絕對溫度;P02為爐內的氧分壓。
工采網(wǎng)代理的SST氧傳感器產(chǎn)品帶有自加熱裝置,一般溫度保證在700℃,這樣TK數值基本是恒定的,從而通過(guò)上式可以直接測量出爐內氧分壓濃度。工程應用中采用標準氣體來(lái)標定氧傳感器輸出氧電勢E和氧分壓濃度PO2的對應關(guān)系,這種方法也是目前公認的最準確、最直接的標定方法。英國SST 氧化鋯氧氣傳感器系統 - O2S-FR-T2-18BM-C同時(shí)采用了這兩種原理。不用參比氣體就可測量氧氣濃度,氧化鋯核心元件由兩個(gè)相同的氧化鋯方片和三個(gè)鉑金環(huán)組成的夾心三明治形狀,由此形成一個(gè)密封的小空間。其中一個(gè)氧化鋯片兩邊是相反的電極,用作電化學(xué)的氧氣泵。另外一個(gè)氧化鋯片兩邊形成能斯特電壓。氧傳感器啟動(dòng)后,小空間氧氣被抽空,此時(shí)壓力P2和其輸送的電流成正比。

在另外一個(gè)氧化鋯片上電壓上升。電壓到設定的參考值后,泵電流會(huì )改變反轉,氧氣會(huì )再被抽入這個(gè)小空間。壓力P2上升到設定的參考值后,泵電流再改變電流方向。這個(gè)過(guò)程會(huì )不斷重復,泵電流反轉周期長(cháng)短和氧氣壓力成正比,此原理可實(shí)現對氧氣分壓的檢測。這消除了對密封參考氣體的需求,使傳感器更加通用,可用于各種不同的氧氣壓力測量,再配合我們的氧氣變送板OXY-LC一起工作,該氧氣傳感器能輸出氧分壓,氧濃度兩個(gè)參數值。

氧化鋯氧傳感器的工作原理是測量混合氣體中的氧分壓。那么分壓的定義、其背后的物理原理、如何計算分壓,以及如何將氧氣分壓轉換為氧氣濃度相關(guān)的體積含量?

分壓: 定義

分壓定義為混合氣體中單個(gè)氣體組分的壓力。它對應于單個(gè)氣體組分單獨占據整個(gè)容積時(shí)所施加的總壓力。

道爾頓定律: 物理學(xué)原理

理想氣體混合物的總壓 (Ptotal) 等于該混合物中各氣體的分壓 (Pi) 之和。


從等式 1 可以得出,單個(gè)氣體組分的顆粒數 (ni) 與氣體混合物的總顆粒數(ntotal) 之比等于單個(gè)氣體組分的分壓 (Pi) 與氣體混合物的總壓 (Ptotal) 之比。




ni        氣體中顆粒數
ntotal        顆?倲
pi        單個(gè)氣體的分壓
Ptotal        總壓
氧氣分壓轉換為氧氣濃度相關(guān)的體積含量(以氣象站記錄為例)
溫度        22°C
濕度        32%
氣壓        986mbar

使用上面的水蒸氣壓查詢(xún)表,WVPmax = 26.43mbar。

氧分壓等于:

氧分壓和總氣壓,我們可以計算出氧的體積含量。


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