使用氧化锆氧的传感器的型态详解与结构解析

随着人们环保和节能意识的逐渐提高，在众多大中型企业如钢铁冶金、石油化工、火力发电厂等，已将提高燃烧效率、降低能源消耗、降低污染物排放、保护环境等作为提高产品质量和增强企业竞争能力的重要途径。诸如钢铁行业的轧钢加热炉、电力行业的锅炉等燃烧装置和热工设备，统统都是实体经济中的能源消耗大户。一般而言，提高燃烧效率直接的方法就是使用烟气分析仪器（如烟气分析仪、燃烧效率测定仪、氧化锆氧含量检测仪）连续监测烟道气体成分，分析烟气中O2含量和CO含量，调节助燃空气和燃料的流量，确定较好的空气消耗系数。

因此，氧传感器作为工业上提高燃烧效率的利器，其响应时间、测量精度成为关键性能指标，当然，作为工业测量仪器，安装与维护也成为各大能源消耗企业的关心之处。而氧化锆氧传感器由于结构简单、响应时间短、测量范围广（从ppm到百分含量）、使用温度高（600℃-1200℃）、维护量小等有点，故而在冶金、化工、电力、汽车等领域得到广泛应用。

图1氧化锆氧传感器一般常被称为氧化锆探头

氧化锆测氧原理

图2氧化锆传感器原理（图片来源：氧化锆测氧原理及维护使用）

图2为氧探头测氧原理示意图，在氧化锆电解质（一般为氧化锆管）的两侧面，分别烧结上多孔铂（Pt）电极。在一定温度下，当电解质两侧氧浓度不同时，高浓度侧（空气）的氧分子被吸附在铂电极上，与电子结合形成氧离子，使该电极带正电。之后，氧离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧的Pt电极上放出电子，转化成氧分子，使该电极带负电。两个电极的反应式分别为

参比侧：

测量侧：

这样在两个电极间便产生了一定的电动势，氧化锆电解质、铂电极及两侧不同氧浓度的气体组成氧探头即所谓氧化锆浓差电池。之后，通过测得气体温度和输出的电动势，便可通过能斯特方程计算得到氧分压（浓度），这就是氧化锆氧传感器的基本检测原理。

常见氧化锆氧传感器的类型

目前，常用的氧化锆氧传感器结构包括检测式探头和直插式氧探头。

检测式探头：

采样检测方式是通过导引管，将被测气体导入氧化锆检测时，再通过加热元件把氧化锆加热到工作温度（750℃以上）。氧化锆一般采用管状，电极采用多孔铂电极。其优点是不受检测气体温度的影响，通过采用不同的导流管可以检测各种温度气体中的氧含量，这种灵活性被应用于许多工业在线检测上。缺点是反应慢；结构复杂，容易影响检测精度；在被测气体杂质较多时，采样管容易堵塞，多孔铂电极容易受到气体中的硫、砷等腐蚀或者细小粉尘的堵塞而失效；加热器一般用电炉丝加热，寿命不长。在被检测气体温度较低（0-650℃），或被测气体清洁时，适宜采用这种检测方式，如制氮机测氧，实验室测氧等。

图3检测式氧化锆探头

直插式探头：

直插式检测是将氧化锆直接插入高温被测气体，直接检测气体中的氧含量，这种检测方式适用于被检测气体温度在700℃～1150℃时（特殊结构还可以用于1400℃的高温），它利用被测气体的高温使氧化锆达到工作温度，不需另外用加热器（如图4）。直插式氧探头的技术关键是陶瓷材料的高温密封和电极问题。由于需要将氧化锆直接插入检测气体中，对氧探头的长度有较高要求，其有效长度在500mm～1000mm左右，特殊的环境长度可达1500mm，且检测精度，工作稳定性和使用寿命都有很高的要求，因此直插式氧探头很难采用传统氧化锆氧探头的整体氧化锆管状结构，而多采取技术要求较高的氧化锆和氧化铝管连接的结构。密封性能是这种氧化锆氧探头的最关键技术之一。目前国际上最先进的连接方式，是将氧化锆与氧化铝管永久的焊接在一起，其密封性能极佳，与采样式检测方式比，直插式检测有显而易见的优点：氧化锆直接接触气体，检测精度高，反应速度快，维护量较小。

图4直插式氧化锆探头

氧传感器产品介绍

以下是市场上可以搜索到的氧化锆探头，我们一起来看看其性能特点。

在淘宝上找到的一款由淄博鑫广恒公司生产的氧化锆氧量分析仪，分析仪的售价在4950元。根据店铺对产品的介绍，可以注意到其测量烟气的温度在650℃以内，并且传感器内置有热电偶对气体检测气体进行加热。此外，其购前须知中特别强调了其质量保证期与燃料的材质有关，煤燃烧时的有害废气浓度高、腐蚀性强，使用寿命短；天然气或油燃烧时的有害气体浓度较低、腐蚀性弱所以使用寿命较长。对于不同的工况，给予的质量保证期分别为六个月和十二个月，使用寿命分别为十二个月和二十四个月。

日本进口的富士ZKM型直插式氧化锆氧分析仪，其参考报价为8000元，是一款无需取样设备的高速响应型氧分析仪，适用于锅炉及各种工业炉的燃烧管理，其反应时间在4-7秒，测量气体温度最高为1500℃。

安徽天分仪表有限公司生产的TFZO-GW/Q高温抽气式氧化锆氧量分析仪，这一产品主要用于强腐蚀性烟气，如垃圾焚烧电厂、工业危废焚烧炉，测量烟气温度范围在750-1400℃。由于这款产品用于工况恶劣的情况，因而配有高温适配器，将高温烟气引入适配器中经扩容、减压、降温后使其实际温度降至600℃以下，从而实现对高温气体的检测，这也是上文中提到的特殊结构探头能够测量1400℃超高温气体的装置。

小结

氧气含量调控是监控燃烧条件、提高燃烧效率的有力手段，而其测量的精度、测量的时间都对传感器提出了一定的要求，氧化锆作为固态电解质，在氧传感器中承担着运送导电离子的作用，目前主要的氧化锆氧传感器有检测式和直插式两种，其中直插式探头由于直接接触被测气体，测量精度高、反应时间快，而应用更为广泛。