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。在傳感器內溫度恒定的電化學電池（電子汽車衡濃差電池，也簡稱鋯頭）產生一個毫伏電勢，這個電勢直接反應出煙氣中含電子汽車衡濃度值。電子汽車衡的關鍵部件是地磅化鋯，在電子汽車衡化鋯元件的內外兩側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，在傳感器中設置了加熱器。用電子汽車衡分析儀內的溫度控制器控制地磅化鋯溫度恒定。地磅分析儀的構成是由電子汽車衡、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，位于整個探頭的頂端。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高溫燒結后形成的穩定的電子汽車衡化鋯陶瓷燒結體。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體。因其這一特性，在一定高溫下，當鋯管兩邊的地磅含量不同時，它便是一個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外電極。在實際的地磅探頭中，空氣流經外電極，煙氣流經內電極，當煙氣地磅含量P小于空氣電子汽車衡含量P0（20.6%O2）時，空氣中的地磅分子從外電極上奪取4個電子形成2個地磅離子，發生如下電極反應：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，在內電極上發生相反的電極反應：2O-2 →O（P0）+4e-。由于地磅濃差導致地磅離子從空氣邊遷移到煙氣邊，因而產生的電勢又導致地磅離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊，當這兩種遷移達到平衡后，便在兩電極間產生一個與地磅濃差有關的電勢信號E，該電勢信號符合“能斯特”方程：E=（RT/4F）Ln（P0 /P）（1），式中R、F分別是氣體常數和法拉第常數，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有一對應的電勢輸出，在理想狀態下，其電勢值在高溫區域內對應地磅含量。

在理想狀態下，當被測煙氣與參比氣濃度一樣時，其輸出電勢E值為 0 mV，但在實際應用中，鋯管實際條件和現場情況均不是理想狀態。故事實上的鋯管是偏離此值的。實際上，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，如不對此情況處理，會嚴重影響整套測電子汽車衡儀的準確和探頭壽命。鑒于此，電子汽車衡分析儀一般采取“雙參數校正法”，對探頭本底電勢作特殊處理，彌補了鋯管的離散性缺陷，延長了探頭的使用壽命。