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氧化锆氧分析
使用 Systech 的氧化锆氧气分析仪测量气体
氧化锆氧气分析仪适用于测量气体或气体混合物中的 ppm 到 % 水平的氧气。 氧化锆电池是一种电化学原电池，采用含有稳定氧化锆的高温陶瓷传感器。
在仪器中，氧化锆池安装在温度受控的炉子中，并带有必要的电子设备来处理来自检测池的信号。 通常测量值通过数字显示器直接显示为 0.01ppm 至 100% 范围内的氧气浓度。
Systech 氧化锆氧气分析仪背后的理论
氧化锆电池是一种高温陶瓷传感器。 它是一种电化学原电池，包括两个导电的、化学惰性的电极，连接到固体电解质管的两侧。 这在下面的图 1 中示意性地显示。
该管是完全气密的，由陶瓷（稳定的氧化锆）制成，在工作温度下，它通过氧离子导电。 （注意：在这种类型的传感器中，温度必须高于 450°C 才能成为电解质导体）。 电池上的电位差由 Nernst 方程给出。
在哪里：
E 是电位差（伏特）
R 是气体常数 (8.314 J mol -1 K -1 )
T 是绝对温度 (K)
F 是法拉第常数 (96484 库仑 mol -1 )
P 1 & P 2是氧化锆管两侧的氧气分压
因此，如果其中一个电极的氧分压已知并且传感器的温度受到控制，则两个电极之间的电位差的氧测量能够计算未知的分压。
笔记
气体的分压等于气体混合物中组分的摩尔浓度乘以气体混合物的总压力。
PO 2 = CO 2 P 2
在哪里：
PO 2 = 氧分压
CO 2 = 氧气的摩尔浓度
P 2 = 总压力
例子
对于大气：
CO 2 = 20.9%
P 2 = 1 个大气压
PO 2 = (0.209/100) x 1
PO 2 = 0.209 个大气压
工作原理
Systech 使用的氧化锆电池是由氧化钇稳定的氧化锆制成，作为陶瓷，带有多孔铂电极。 该单元格如图 1 所示。
分子氧在多孔铂电极处离子化。
PtO → Pt + ½ O2
½ O2 + 2 e- → O2 –
电池两侧的铂电极为氧分子 O 2转变为氧离子和氧离子转变为氧分子提供了催化表面。 电池高浓度参比气体侧的氧分子获得电子，变成离子，进入电解液。 同时，在另一个电极上，氧离子失去电子并作为氧分子从电极表面释放出来。
这些气体的氧含量不同，因此氧分压也不同。 因此，氧离子在每个电极处产生并进入氧化锆电解质的速率不同。 由于氧化锆允许氧离子移动，因此在每个方向上穿过电解质的离子数量将取决于氧离子化并在每个电极处进入电解质的速率。 这种离子转移的机制很复杂，但已知通过掺杂氧化钇涉及氧化锆晶格中的空位。
氧离子在电解质中迁移的结果是离子在一个方向上的净流动，这取决于两个电极上的氧分压。 例如在能斯特方程中：
如果 P 1> P 2离子流将从 P 1到 P 2即正 EMF
如果 P 1< P 2离子流将从 P 2流向 P 1即负 EMF
如果 P 1 =P 2将没有净离子流，即零 EMF
氧化锆分析仪使用空气作为参考，氧气浓度恒定为 20.9%，氧化锆电池安装在温度控制在 650°C (923 K) 的炉内。
氧化锆分析仪以电子方式计算氧分压，从而计算氧浓度未知的样气的氧浓度。 这是通过测量跨锆电池电极产生的电势 E 来实现的，在 Nernst 方程中代入 E 并进行抗测井以获得 PO 2 。 细胞电位输出如图 2 所示。
图 2 氧化锆电池的电池电位与氧浓度的关系图。
通过反记录方程，输出信号可以直接在数字读数仪上显示为氧气浓度，以 ppm 或 % 为单位。
校准
由于氧化锆仪器在制造和工厂校准后使用绝对测量原理，因此不需要任何进一步的工厂校准。
工厂校准包括校准电子设备以接受来自检测单元的毫伏输入信号，并检查仪器随后在空气中正确读取 20.9%。 然后进一步检查仪器是否正确读取氮气中的 ppm 氧含量。
氧化锆氧分析仪的应用
氧化锆分析仪可用于测量气体或气体混合物中 0-100% 之间任何水平的氧气。
对仪器使用的唯一限制是待测气体不得含有可燃气体或任何会毒害氧化锆检测池的物质。
进入仪器的样气中的任何可燃气体，如CO、H2、甲烷等碳氢化合物，由于炉内保持高温，会与炉内样气中的任何氧气结合。 这实际上会减少样气中的氧气量并导致仪器给出不正确的低读数。
会毒化检测单元的材料有：
- 卤素，例如氯
- 卤代烃，例如氯甲烷
- 含硫化合物，例如硫化氢
- 含铅化合物，例如硫化铅
含有上述任何一种的气体或气体混合物不适合用氧化锆型氧气分析仪测定氧气。
ZR800 分析仪被工业气体生产商、工业气体用户和食品包装公司使用：
| 应用 | 用途 |
| 天然气生产商 | 通过测量氧杂质或监测氧纯度来确保产品质量。 |
| 燃气用户 | 确保惰性气体保护层的可靠性 以确保用作化学工业生产材料的气体的质量。 |
| 食品包装 | 确保含有改良或受控气氛的包装中存在正确的氧气含量 |