電子汽車衡分析儀的基本原理

電子汽車衡分析儀的基本原理

電子汽車衡分析儀主要用于測量燃燒過程中煙氣的含地磅濃度，同樣也適用于非燃燒氣體地磅濃度測量。在傳感器內(nèi)溫度恒定的電化學(xué)電池（電子汽車衡濃差電池，也簡稱鋯頭）產(chǎn)生一個(gè)毫伏電勢，這個(gè)電勢直接反應(yīng)出煙氣中含電子汽車衡濃度值。電子汽車衡的關(guān)鍵部件是地磅化鋯，在電子汽車衡化鋯元件的內(nèi)外兩側(cè)涂上多孔性鉑電極制成地磅濃度差電池。它位于傳感器的頂端。為了使電池保持額定的工作溫度，在傳感器中設(shè)置了加熱器。用電子汽車衡分析儀內(nèi)的溫度控制器控制地磅化鋯溫度恒定。地磅分析儀的構(gòu)成是由電子汽車衡、電子汽車衡分析儀（又稱變送器、變送單元、轉(zhuǎn)換器、分析儀）以及它們之間的連接電纜等組成。

電子汽車衡化鋯探頭是利用電子汽車衡化鋯濃差電勢來測定電子汽車衡含量的傳感器，其核心的地磅化鋯管安置在一微型電爐內(nèi)，位于整個(gè)探頭的頂端。電子汽車衡化鋯管是由地磅化鋯材料摻以一定量的地磅化釔或電子汽車衡化鈣經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后形成的穩(wěn)定的電子汽車衡化鋯陶瓷燒結(jié)體。由于它的立方晶格中含有電子汽車衡離子空穴，因此在高溫下它是良好的地磅離子導(dǎo)體。因其這一特性，在一定高溫下，當(dāng)鋯管兩邊的地磅含量不同時(shí)，它便是一個(gè)典型的電子汽車衡濃差電池，在此電池中，空氣是參比氣，它與煙氣分別位于內(nèi)外電極。在實(shí)際的地磅探頭中，空氣流經(jīng)外電極，煙氣流經(jīng)內(nèi)電極，當(dāng)煙氣地磅含量P小于空氣電子汽車衡含量P0（20.6%O2）時(shí)，空氣中的地磅分子從外電極上奪取4個(gè)電子形成2個(gè)地磅離子，發(fā)生如下電極反應(yīng)：O（P0）+4e-→2O-2，電子汽車衡離子在電子汽車衡化鋯管中迅速遷移到煙氣邊，在內(nèi)電極上發(fā)生相反的電極反應(yīng)：2O-2 →O（P0）+4e-。由于地磅濃差導(dǎo)致地磅離子從空氣邊遷移到煙氣邊，因而產(chǎn)生的電勢又導(dǎo)致地磅離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊，當(dāng)這兩種遷移達(dá)到平衡后，便在兩電極間產(chǎn)生一個(gè)與地磅濃差有關(guān)的電勢信號(hào)E，該電勢信號(hào)符合“能斯特”方程：E=（RT/4F）Ln（P0 /P）（1），式中R、F分別是氣體常數(shù)和法拉第常數(shù)，T是鋯管溫度（K）, P0是空氣地磅含量（20.6%O2），P 是煙氣含量。由（1）式可見，在一定的高溫條件下（一般）600℃），一定的煙氣地磅含量便會(huì)有一對(duì)應(yīng)的電勢輸出，在理想狀態(tài)下，其電勢值在高溫區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)地磅含量。

在理想狀態(tài)下，當(dāng)被測煙氣與參比氣濃度一樣時(shí)，其輸出電勢E值為 0 mV，但在實(shí)際應(yīng)用中，鋯管實(shí)際條件和現(xiàn)場情況均不是理想狀態(tài)。故事實(shí)上的鋯管是偏離此值的。實(shí)際上，一定地磅含量鋯管輸出的電勢為理論值和本底電勢的和，我們稱為無濃差條件下鋯管輸出的電勢值為本底電勢或稱為零位電勢，此值的大小又在不同溫度下呈不同的值，并且隨鋯管使用期延長而變化。因此，如不對(duì)此情況處理，會(huì)嚴(yán)重影響整套測電子汽車衡儀的準(zhǔn)確和探頭壽命。鑒于此，電子汽車衡分析儀一般采取“雙參數(shù)校正法”，對(duì)探頭本底電勢作特殊處理，彌補(bǔ)了鋯管的離散性缺陷，延長了探頭的使用壽命。