重庆科技学院：《油气在线分析理论与方法》课程教学课件（PPT）第07章 电化学式氧分析器原理

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第七章 电化学式氧分析器原理

重科技院 CHONGQING UNIE RSTY OF SCIENCE A TEOINOI OGY 氧化锆氧分析器的测量原理 直插式氧化锆氧分析器 目录 (三 、燃料电池式氧分析器 四、微量氧分析器的安装配管、样品处理和校准

2 二、直插式氧化锆氧分析器 第 2 页 三、燃料电池式氧分析器 目 录 一、氧化锆氧分析器的测量原理 四、微量氧分析器的安装配管、样品处理和校准

重科技院 CHONGQING UNIE RSTY OF SCIENCE A TEOINOI OGY 7.1氧化锆氧分析器的测量原理 7.1.1氧化错的导电机理 电解质溶液靠离子导电,具有离子导电性质的固体物质称为固体电解质。固体电 解质是离子晶体结构,靠空穴使离子运动而导电,与P型半导体靠空穴导电的机理相 纯氧化锆(zrO2)不导电,掺杂一定比例的低价金属物作为稳定剂,如氧化钙(CaO 氧化镁(MgO)、氧化钇(Y2O3),就具有高温导电性,成为氧化锆固体电解质

7.1 氧化锆氧分析器的测量原理 7.1.1 氧化锆的导电机理 电解质溶液靠离子导电，具有离子导电性质的固体物质称为固体电解质。固体电 解质是离子晶体结构，靠空穴使离子运动而导电，与P型半导体靠空穴导电的机理相 似。 纯氧化锆(ZrO2 )不导电，掺杂一定比例的低价金属物作为稳定剂，如氧化钙(CaO)、 氧化镁(MgO)、氧化钇(Y2O3 )，就具有高温导电性，成为氧化锆固体电解质

重科技院 CHONGQING UNIE RSTY OF SCIENCE A TEOINOI OGY 氧离子空穴 zr4+0202Z* 0202 Zr402o 0- Cat Zr 02- ZrO 2- Zr*0202Ca O Z Zr+O 2- O Ca O2|Z1 O O 02- Zr4*02-02 zr4+02-02- zr4+02 图7-1氧离子空穴形成示意图

图7-1 氧离子空穴形成示意图

重科技院 CHONGQING UNIE RSTY OF SCIENCE A TEOINOI OGY 71.2氧化锆氧分析器的测量原理 在一片高致密的氧化锆固体电解质的两侧,用烧结的方法制成几微米到几十微 米厚的多孔铂层作为电极,再在电极上焊上铂丝作为引线,就构成了氧浓差电池, 如图7-2所示 如果电池左侧通入参比气体空气),其氧分压为po;电池右侧通入被测气体, 其氧分压为p1(未知)

7.1.2 氧化锆氧分析器的测量原理 在一片高致密的氧化锆固体电解质的两侧，用烧结的方法制成几微米到几十微 米厚的多孔铂层作为电极，再在电极上焊上铂丝作为引线，就构成了氧浓差电池， 如图7-2所示。 如果电池左侧通入参比气体(空气)，其氧分压为p0；电池右侧通入被测气体， 其氧分压为p1(未知)

重科技院 CHONGQING UNIE RSITY OF SCIENCE A TEOINOI OG Pt Zro Cao 参比侧 目测量侧 图7-2氧浓差电池原理图

图7-2 氧浓差电池原理图

重科技院 CHONGQING UNIE RSTY OF SCIENCE A TEOINOI OGY 7.1.3氧化锆探头的理论电势输出值 E=1000 rT Po nF E—氧浓差电动势,mV; R——气体常数,8.3144J/molK; T——氧化锆探头的工作温度,K(K=273.15+t℃) n参加反应的电子数,(对氧而言,n=4) F—法拉第常数,96500C/mol; P参比气体的氧分压; p被测气体的氧分压

E——氧浓差电动势，mV； R——气体常数，8.3144 J/mol·K； T——氧化锆探头的工作温度，K（K = 273.15+ t℃）； n——参加反应的电子数，（对氧而言，n=4）； F——法拉第常数，96500C/mol； p0——参比气体的氧分压； p1——被测气体的氧分压。 (7-1) 7.1.3 氧化锆探头的理论电势输出值 1 0 1000 ln p p nF RT E =

重科技院 CHONGQING UNIE RSTY OF SCIENCE A TEOINOI OGY 如被测气体的总压力与参比气体的总压力相同,则上 式可改写为 RT Co E=1000—ln (7-2) 4F CI C。参比气体中氧的体积百分含量, 被测气体中氧的体积百分含量,O2%

如被测气体的总压力与参比气体的总压力相同，则上 式可改写为 c0——参比气体中氧的体积百分含量， c1——被测气体中氧的体积百分含量，O2%。 (7-2) 1 0 ln 4 1000 c c F RT E =

重科技院 CHONGQING UNIE RSTY OF SCIENCE A TEOINOI OGY 表7-1氧化错探头理论电势输出值 氧浓差电势/mv 百分浓度 650℃ 700℃ 750℃ 800℃ 56.89 60.15 63.41 6667 6992 49,27 52.09 63.37 53.90 3966 3623 3831 46.61 33.33 35.24 3715 39.06 40.97 30.82 32.59 3965 28.61 30.24 31.88 3352 28.15 32.7 27.68 30.52 2718 28.51 2169 700 22.62 26.11 19.00 24.44 17.79 1982 20.84 21.86 16.65 18.55 21,41 18.25 14.56 15.39 16.22 1695 17,95 18.72 16.70

表7-1 氧化锆探头理论电势输出值

重科技院 CHONGQING UNIE RSTY OF SCIENCE A TEOINOI OGY 71.4氧化锆探头的实际电势输出值 实际使用的氧化锆测氧电池(简称实际电池)并不能完全满足以上条件 使其实际电势输出值偏离理论电势输出值,给测量结果带来误差。 各种氧化锆探头具有不同的本底电势,并规定了其允许变化范围,在 该范围内可以用标气调校的方法加以修正,从而消除其影响

7.1.4 氧化锆探头的实际电势输出值 实际使用的氧化锆测氧电池(简称实际电池)并不能完全满足以上条件， 使其实际电势输出值偏离理论电势输出值，给测量结果带来误差。 各种氧化锆探头具有不同的本底电势，并规定了其允许变化范围，在 该范围内可以用标气调校的方法加以修正，从而消除其影响