氧化锆测氧分析仪原理与安装维护
氧化锆测氧分析仪原理与安装维护
氧化锆氧量计是利用氧化锆固体电解质原理工作，由氧化锆固体电解质做成氧化锆探测器（探头），直接安装在烟道中，具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应快等特点，测量时仅受温度影响，容易克服，而且输出电信号，便于信号传输与处理，精度比较高，广泛用于燃烧过程热效率控制系统。
一、氧化锆固体电解质导电机理
电解质溶液导电是靠离子导电，某些固体也具有离子导电的性质，具有某种离子导电性质的固体物质称为固体电解质。凡是传导氧离子的固体电解质称为氧离子固体电解质。
氧化锆也称二氧化锆（ZrO 2 ），分子是由一个锆原子和两个氧原子结合而成。纯净的氧化锆基本上是不导电的，是不能进行氧量测量的，真正用于测量氧量的是在氧化锆中加入氧化钙（CaO）后，就具有高温导电性，这样就可以进行氧量测量。
如在氧化锆(ZrO2)中加入一定数量的氧化钙（CaO），+ 2价的钙离子（Ca2+）在进入ZrO2晶体后会置换出+4价的锆离子（Zr4+ ），由于钙离子和锆离子的离子价不同，因此在晶体中形成许多氧空穴。再高温（750℃以上）下，如有外加电场， 就会形成氧离子占据空穴的定向运动而导电。带负电荷的氧离子占据空穴的运动，也就相当于带正电荷的空穴做反向运动，因此，也可以说固体电解质是靠空穴导电的，这和P型半导体靠空穴导电机理相似。固体电解质的导电性能与温度有关，温度越高，导电性能越强。
二、 氧化锆探头
氧化锆测量含氧量的基本原理是利用所谓的“氧浓差电势”，即在一块氧化锆两侧分别附以多孔的铂电极(又称“铂黑”)，并使其处于高温下。如果两侧气体中的含氧量不同，那么在两电极间就会出现电动势。此电动势是由于固体电解质两侧气体的含氧浓度不同而产生的，故叫氧浓差电势， 这样的装置叫做氧浓差电池。
氧浓差电池原理
氧浓差电池两侧分别为含氧浓度不同的两种气体。氧分子首先扩散到铂电极表面吸附层内，高温下在多孔铂电极中变成原子氧，然后扩散到固体电解质和电极界面上。由于固体电解质内有氧离子空穴，扩散来的氧原子便从周围捕获两个电子变成氧离子进入氧离子空穴，同时产生两个电子空穴。铂电极中自由电子浓度高且逸出功小，所以产生的两个电子空穴立即从铂电极上夺取两个电子而达中和。当氧离子空穴被氧离子填充后，形成一个完整的晶格结构。由于在电极上和固体电解质界面上氧离子空穴中氧离子浓度较高，在扩散作用下，进入氧离子空穴的氧离子还会跑出来，去填补靠近的氧离子空穴，空出来的位置又由新进入的氧离子所填补。这样直到氧离子到达另一电极，释放出两个电子成为氧原子，并与其它氧原子结合成为氧分子。应当指出，氧离子的这种扩散迁移是双向的，但由于氧浓差电池的两侧气体的含氧浓度不同，氧分压不同，所以总的趋势是氧离子从含氧浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散， 即氧从电极1 上得到电子， 通过氧离子空穴迁移到电极2后释放出电子，变为氧气。这时在电极1 上（阴极——进行还原反应的电极）产生下列反应：
这样在电极上产生了电荷的积累，从而在两极板间建立了电场，此电场将阻止这种迁移的进一步进行，直至达到动态平衡状态，此时在两极板间形成电势。
氧浓差电势的大小可由能斯特（Nerenst）公式计算得出：
如果被分析气体和参比气体的总压力均为， 则可写成：
由于在混合气体中， 某气体组分的分压力与总压力之比等于该组分的体积浓度， 即
则：
由上式可知，当氧浓差电池工作温度T一定，以及参比气体的氧浓度一定时，电池产生的氧浓差电势与被测气体的含氧浓度(即含氧量)成
由上式可知，当氧浓差电池工作温度T一定，以及参比气体的氧浓度一定时，电池产生的氧浓差电势与被测气体的含氧浓度(即含氧量)成单值函数关系。通过测量氧浓差电势E就可以得到被测气体的含氧量。
由于空气的含氧量为20.8%，且成本低廉， 所以在分析炉烟中的含氧量时，一般常用空气作为参比气体。下图是以空气作为参比气体的情况下， 不同温度下，氧浓差电势与被测气体的含氧量之间的关系。
例：已知氧化锆测得烟温800℃时的氧浓差电势为16.04mv，试求该温度时的烟气含氧量？
设参比气气体含氧量φ 2 =20.8％
解：T=800+273.15=1073.15K
有计算公式
φ =10. 4％
三、 氧化锆传感器结构
氧化锆传感器也称氧化锆探头，带恒温装置的氧化锆传感器结构示意图。
一般使用时，氧化锆管内部通入参比气体--空气，外部则流过被经陶瓷过滤器过滤过的被测气体--烟气。陶瓷过滤器主要用来滤除烟气中的杂质颗粒(如烟尘、炭粉等)并可对信号起阻尼作用，防止指针抖动。
选择和使用氧化锆的注意事项:
(1)氧化锆浓差电势与氧化锆探头的工作温度成正比。所以氧化锆探头应处于恒定温度下工作或采取温度补偿措施。
(2)为了保证测量的灵敏度，探测器工作温度还应选择其合适的工作温度,工作温度选择较低其灵敏度下降，工作温度过低时，氧化锆内阻愈高，正确测量电势较困难。工作温度选择较高时，因烟气中的的可燃性物质就会与氧迅速化合而形成燃料电池，使其输出增大。
3)在使用过程中，应保证待测气体压力与参比气体压力相等，只有这样待测气体和参比气体氧的分压之比才能代表上述两种气体的含量之比。
(4)氧化锆管内外两侧气体要不断流动更新，否则含氧量会逐渐平衡，输出下降。