仪表与检测课件—固态电解质气敏元件及氧化锆氧检测仪

1、3.7.5 3.7.5 固态电解质气敏元件及氧化锆氧检测仪固态电解质气敏元件及氧化锆氧检测仪固态电解质气敏元件及氧化锆氧检测仪固态电解质气敏元件及氧化锆氧检测仪1 1）固态电解质）固态电解质）固态电解质）固态电解质 由于结构的特殊性，部分离子可以相对自由地在晶格结构内由于结构的特殊性，部分离子可以相对自由地在晶格结构内由于结构的特殊性，部分离子可以相对自由地在晶格结构内由于结构的特殊性，部分离子可以相对自由地在晶格结构内移动，表现出一定的导电性能的固态无机材料移动，表现出一定的导电性能的固态无机材料移动，表现出一定的导电性能的固态无机材料移动，表现出一定的导电性能的固态无机材料 。n n通用固态电解质：通用固态电解质：通用固态电解质：通用固态电解质：不受被测气体性质所限制，可制成多种气敏传感器的固态电不受被测气体性质所限制，可制成多种气敏传感器的固态电不受被测气体性质所限制，可制成多种气敏传感器的固态电不受被测气体性质所限制，可制成多种气敏传感器的固态电解质。解质。解质。解质。注意：注意：注意：注意：通用固态电解质通用固态电解质通用固态电解质通用固态电解质本身不具备气敏功能本身不具备气

2、敏功能本身不具备气敏功能本身不具备气敏功能，必须与气敏膜联合使，必须与气敏膜联合使，必须与气敏膜联合使，必须与气敏膜联合使用而构成加膜型气敏传感器。用而构成加膜型气敏传感器。用而构成加膜型气敏传感器。用而构成加膜型气敏传感器。通用固态电解质的材料主要有各种通用固态电解质的材料主要有各种通用固态电解质的材料主要有各种通用固态电解质的材料主要有各种-氧化铝、钠离子超离子氧化铝、钠离子超离子氧化铝、钠离子超离子氧化铝、钠离子超离子导体导体导体导体(Nasicon)(Nasicon)和沸石等和沸石等和沸石等和沸石等 分类：分类：通用固态电解质通用固态电解质气敏固态电解质气敏固态电解质n n气敏固态电解质：气敏固态电解质：气敏固态电解质：气敏固态电解质：本身具有气敏功能，而且只对某一气体组分具有气敏作本身具有气敏功能，而且只对某一气体组分具有气敏作本身具有气敏功能，而且只对某一气体组分具有气敏作本身具有气敏功能，而且只对某一气体组分具有气敏作用的固态电解质材料。用的固态电解质材料。用的固态电解质材料。用的固态电解质材料。应用：应用：应用：应用：可制成氧气、氢气、卤素气体及各种无机氧化物气可制成氧

3、气、氢气、卤素气体及各种无机氧化物气可制成氧气、氢气、卤素气体及各种无机氧化物气可制成氧气、氢气、卤素气体及各种无机氧化物气体的检测元件。体的检测元件。体的检测元件。体的检测元件。氧离子固态电解质、氧离子固态电解质、质子固态电解质、质子固态电解质、卤素离子固态电解质卤素离子固态电解质各类无机含氧盐电解质。各类无机含氧盐电解质。种类种类n n 固态电解质气敏元件特点及输出形式固态电解质气敏元件特点及输出形式固态电解质气敏元件特点及输出形式固态电解质气敏元件特点及输出形式 特点特点特点特点 固态电解质气敏元件一般体积都比较小，可以直固态电解质气敏元件一般体积都比较小，可以直固态电解质气敏元件一般体积都比较小，可以直固态电解质气敏元件一般体积都比较小，可以直接与被测对象接触，通常不需专用的取样系统，接与被测对象接触，通常不需专用的取样系统，接与被测对象接触，通常不需专用的取样系统，接与被测对象接触，通常不需专用的取样系统，使用和安装方便。使用和安装方便。使用和安装方便。使用和安装方便。具有对气体的选择性好，反应速度快等特点。具有对气体的选择性好，反应速度快等特点。具有对气体的选择性好，反应速

4、度快等特点。具有对气体的选择性好，反应速度快等特点。固态电解质气敏元件输出形式固态电解质气敏元件输出形式固态电解质气敏元件输出形式固态电解质气敏元件输出形式 电位式气敏元件电位式气敏元件电位式气敏元件电位式气敏元件 气敏元件的输出电位差与被测气体中某一组分的气敏元件的输出电位差与被测气体中某一组分的气敏元件的输出电位差与被测气体中某一组分的气敏元件的输出电位差与被测气体中某一组分的 含量有关；含量有关；含量有关；含量有关；安培式气敏元件安培式气敏元件安培式气敏元件安培式气敏元件 气敏元件的输出电流与被测气体中某一组分的含气敏元件的输出电流与被测气体中某一组分的含气敏元件的输出电流与被测气体中某一组分的含气敏元件的输出电流与被测气体中某一组分的含 量有关。量有关。量有关。量有关。2 2）氧化锆氧含量检测原理）氧化锆氧含量检测原理）氧化锆氧含量检测原理）氧化锆氧含量检测原理 氧化锆是一种氧离子固态电解质（具有选择性）。氧化锆是一种氧离子固态电解质（具有选择性）。氧化锆是一种氧离子固态电解质（具有选择性）。氧化锆是一种氧离子固态电解质（具有选择性）。特性：特性：特性：特性：纯纯纯纯ZrOZr

5、O2 2晶体在高温时以正方的氟化物结构存在，具有很晶体在高温时以正方的氟化物结构存在，具有很晶体在高温时以正方的氟化物结构存在，具有很晶体在高温时以正方的氟化物结构存在，具有很高的离子电导率；当温度降至高的离子电导率；当温度降至高的离子电导率；当温度降至高的离子电导率；当温度降至10001000以下时转化为单斜以下时转化为单斜以下时转化为单斜以下时转化为单斜晶结构，其离子电导率很低。晶结构，其离子电导率很低。晶结构，其离子电导率很低。晶结构，其离子电导率很低。氧化锆敏感元件氧化锆敏感元件氧化锆敏感元件氧化锆敏感元件 氧化锆敏感元件是在纯氧化锆中渗入一定量氧化锆敏感元件是在纯氧化锆中渗入一定量氧化锆敏感元件是在纯氧化锆中渗入一定量氧化锆敏感元件是在纯氧化锆中渗入一定量(通常为通常为通常为通常为1515)的化学纯氧化钙的化学纯氧化钙的化学纯氧化钙的化学纯氧化钙CaO(CaO(也可以是氧化钇也可以是氧化钇也可以是氧化钇也可以是氧化钇Y Y2 20 03 3)而构成。而构成。而构成。而构成。特点：特点：特点：特点：氧化钙固溶在氧化锆中，其中氧化钙固溶在氧化锆中，其中氧化钙固溶在氧化锆中，其中氧

6、化钙固溶在氧化锆中，其中CaCa+2+2置换了置换了置换了置换了ZrZr+4+4的位置，的位置，的位置，的位置，而在晶体中留下了氧离子空穴。而在晶体中留下了氧离子空穴。而在晶体中留下了氧离子空穴。而在晶体中留下了氧离子空穴。在数百摄氏度的高温在数百摄氏度的高温在数百摄氏度的高温在数百摄氏度的高温(470(470550550)下，掺有下，掺有下，掺有下，掺有CaOCaO的的的的ZrOZrO2 2固态电解质便是一种良好的氧离子导体。固态电解质便是一种良好的氧离子导体。固态电解质便是一种良好的氧离子导体。固态电解质便是一种良好的氧离子导体。测量原理测量原理测量原理测量原理 将待测气体相对于某一已知氧含量气体的氧浓度差转换将待测气体相对于某一已知氧含量气体的氧浓度差转换将待测气体相对于某一已知氧含量气体的氧浓度差转换将待测气体相对于某一已知氧含量气体的氧浓度差转换成相应的浓差电势，利用浓差电势描述气体中的氧含量。成相应的浓差电势，利用浓差电势描述气体中的氧含量。成相应的浓差电势，利用浓差电势描述气体中的氧含量。成相应的浓差电势，利用浓差电势描述气体中的氧含量。浓差电势原理图：浓差电势原理图：浓

7、差电势原理图：浓差电势原理图：敏感元件构成：敏感元件构成：敏感元件构成：敏感元件构成：ZrOZrO2 2电解质的两侧分别附电解质的两侧分别附电解质的两侧分别附电解质的两侧分别附上一个多孔铂电极；上一个多孔铂电极；上一个多孔铂电极；上一个多孔铂电极；浓差电势：浓差电势：浓差电势：浓差电势：由于两侧气体的含氧量不由于两侧气体的含氧量不由于两侧气体的含氧量不由于两侧气体的含氧量不同在两电极间产生的电势同在两电极间产生的电势同在两电极间产生的电势同在两电极间产生的电势称为浓差电势。称为浓差电势。称为浓差电势。称为浓差电势。浓差电势的产生浓差电势的产生浓差电势的产生浓差电势的产生 基本原理描述：基本原理描述：基本原理描述：基本原理描述：设两电极分别置于氧分压为设两电极分别置于氧分压为设两电极分别置于氧分压为设两电极分别置于氧分压为p pR R和和和和p px x的气体中的气体中的气体中的气体中(p(pR Rppx x)。则。则。则。则:高氧高氧高氧高氧p pR R侧，吸附在电极上的氧分子离解得到侧，吸附在电极上的氧分子离解得到侧，吸附在电极上的氧分子离解得到侧，吸附在电极上的氧分子离解得到4 4

8、个电子，形成个电子，形成个电子，形成个电子，形成两个氧离子两个氧离子两个氧离子两个氧离子OO2-2-：生成的氧离子进入固态电解质，通过氧离子空穴迁移到低生成的氧离子进入固态电解质，通过氧离子空穴迁移到低生成的氧离子进入固态电解质，通过氧离子空穴迁移到低生成的氧离子进入固态电解质，通过氧离子空穴迁移到低氧侧固态电解质的表面。氧侧固态电解质的表面。氧侧固态电解质的表面。氧侧固态电解质的表面。低氧低氧低氧低氧p px x侧，氧离子在电极上给出电子变成氧分子：侧，氧离子在电极上给出电子变成氧分子：侧，氧离子在电极上给出电子变成氧分子：侧，氧离子在电极上给出电子变成氧分子：氧离子转意图氧离子转意图氧离子转意图氧离子转意图 浓差电势描述式：浓差电势描述式：浓差电势描述式：浓差电势描述式：E：浓差电势；：浓差电势；R：理想气体常数：理想气体常数(R=8.3145)T：氧化锆固态电解质浓差电池温度；：氧化锆固态电解质浓差电池温度；n：迁移一个氧分子的电子数：迁移一个氧分子的电子数(n=4)；F：法拉第常数：法拉第常数(F=96500C)。若被测气体与参比气体的气压相等（均为若被测气体与参比气体的气压相

9、等（均为若被测气体与参比气体的气压相等（均为若被测气体与参比气体的气压相等（均为P P），则有：），则有：），则有：），则有：例：例：例：例：以空气为参比气体，以空气为参比气体，以空气为参比气体，以空气为参比气体，x x=20.6%=20.6%，恒温恒温恒温恒温T T=850=850，被测，被测，被测，被测气体浓度为气体浓度为气体浓度为气体浓度为10%10%时，可得浓差电势为时，可得浓差电势为时，可得浓差电势为时，可得浓差电势为3 3）氧化锆探头）氧化锆探头）氧化锆探头）氧化锆探头 氧化锆探头是利用氧化锆温差电势测量氧含量的一次敏感元氧化锆探头是利用氧化锆温差电势测量氧含量的一次敏感元氧化锆探头是利用氧化锆温差电势测量氧含量的一次敏感元氧化锆探头是利用氧化锆温差电势测量氧含量的一次敏感元件。件。件。件。n n探头结构：探头结构：探头结构：探头结构：氧化锆管氧化锆管空气通道空气通道烟气入口烟气入口铂电极铂电极热电偶热电偶电极引线电极引线电加热丝电加热丝n n应用特点：应用特点：应用特点：应用特点：被测气体经陶瓷过滤器后流过氧化锆管的外部，空气被测气体经陶瓷过滤器后流过氧化锆管的外部，空气

10、被测气体经陶瓷过滤器后流过氧化锆管的外部，空气被测气体经陶瓷过滤器后流过氧化锆管的外部，空气从另一边进入一头封闭的氧化锆管的内部作为参比气从另一边进入一头封闭的氧化锆管的内部作为参比气从另一边进入一头封闭的氧化锆管的内部作为参比气从另一边进入一头封闭的氧化锆管的内部作为参比气体。被测与参比气体的氧含量差越大灵敏度越高。体。被测与参比气体的氧含量差越大灵敏度越高。体。被测与参比气体的氧含量差越大灵敏度越高。体。被测与参比气体的氧含量差越大灵敏度越高。注意：注意：注意：注意：空气以及烟气应该有一定的流速，用以保持参比空气以及烟气应该有一定的流速，用以保持参比空气以及烟气应该有一定的流速，用以保持参比空气以及烟气应该有一定的流速，用以保持参比气体氧含量的稳定性及带走由高氧侧渗透过来的氧分气体氧含量的稳定性及带走由高氧侧渗透过来的氧分气体氧含量的稳定性及带走由高氧侧渗透过来的氧分气体氧含量的稳定性及带走由高氧侧渗透过来的氧分子。子。子。子。增加温度有利于提高灵敏度，可以提高响应速度，降增加温度有利于提高灵敏度，可以提高响应速度，降增加温度有利于提高灵敏度，可以提高响应速度，降增加温度有利于提高

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