標題氧化鋯氧量傳感器過程應用最新進展

　　1. 前言

　　電化學傳感器氣體分析技術在控制能源和原料消耗、改善工業過程生產率以及控制污染物排放等工業領域，正在發揮日益重要的作用。事實上，汽車工業早已開發出各種固態傳感器，用于汽車發電機燃燒效率控制。目前，首創于汽車工業的這項檢測技術已將應用領域拓展至工業窯爐、鍋爐和汽輪機等。

　　如今，氧化鋯氧量傳感器廣泛應用于各種工業領域和運輸工具。Peters和M?bius [3] 以及 Weissbart 和Ruka （美國西屋電氣公司） [4] 于1961年開發出著名的λ傳感器。上世紀70年代初期，在鋼鐵生產控制中首次采用了一次性氧化鋯氧量傳感器，分析鐵水中的氧含量 [5]。上世紀60年代，為了開發固態氧燃料電池（SOFC），研制出堅固耐用的鉑電極和固態氧化鋯電解質（氧化鋯結晶體）。其后，美國西屋電氣公司在此基礎上，開發出第一臺用于過程氣體分析的工業用氧化鋯氧量傳感器。時至今日，氧化鋯氧量傳感器的主要應用仍然集中在控制汽車發動機的空氣/燃油比 [6-8]。

　　在空氣與燃油混合點火時，要求空氣要達到一定的比例，以期使燃燒過程完全充分。燃燒后廢氣中的氧含量可以直接反映燃料混合物中空氣

量的相對富�；蛳鄬Σ蛔�。自上世紀70年代起，氧化鋯氧量傳感器，或稱為λ傳感器，一直用于監視汽車廢氣中的氧含量。

　　1976年，受普通火花賽設計的影響，德國BOSCH（博世）公司首次在其不加熱的錐管型λ傳感器（LS）中，裝入了氧化鋯傳感器本體，用于汽車發動機的反饋燃油控制。不加熱的氧化鋯氧量傳感器僅僅依靠廢氣的熱量，使工作溫度達到600-900℃。

　　1982年，BOSCH研制了第二代加熱的錐管型λ傳感器（LSH），目的是減少冷啟動時的廢氣排放。

　　1997年，BOSCH又開發了加熱的平面型λ傳感器（LSF）。LSF傳感器由鉑電極、固態氧化鋯電解質（氧化鋯結晶）、絕緣材料和加熱器組成，采用分層結構，疊壓在薄形基片上。

　　最新型的氧化鋯傳感器技術是基于平面型λ傳感器設計，具有直接測量空氣/燃油比的功能。以往所有的λ氧傳感器均采用傳統的來回切換式設計。最新的寬帶式λ傳感器（WB）則完全摒棄了這種設計理念，可以產生與空氣/燃油比成正比的信號。

　　寬帶式氧化鋯傳感器與錐管型或平面型傳感器的相同之處在于：當空氣/燃料比中的空氣量相對不足時，產生一個低電壓信號；當空氣量相對富裕時，產生一個高電壓信號。不同之處在于：寬帶式氧化鋯傳感器沒有快速的切換動作，而是根據空氣/燃料比中空氣量的相對富�；蛳鄬Σ蛔�，緩慢地增加或減少電壓。在最佳空氣/燃料控制比14.7:1位置，寬帶式氧化鋯傳感器會產生穩定的450mV電壓信號。若空氣量出現微小的相對富�；蛳鄬Σ蛔銜r，傳感器的輸出電壓也相應地產生微小變化，而不是劇烈地增加或減少。寬帶式氧化鋯傳感器的另一個不同之處在于加熱器電路。與平面型傳感器一樣，寬帶氧化鋯傳感器的加熱器電路也是印制在陶瓷片上，但是采用脈沖持續時間模塊化設計，使工作溫度穩定在700-800℃范圍內。BOSCH的寬帶式λ傳感器，即LSU 4.9，對空氣/燃油混合物變化的響應時間小于0.1秒，其內部加熱器可以使傳感器的工作溫度在20秒內達到800℃。

　　氧氣泵是寬帶式氧化鋯傳感器的組成部分。為了精確測量，氧氣泵抽取被測排放氣體，注入到電化學電池組（稱為能斯特電池）之間的“擴散”間隙。能斯特電池用導線與氧氣泵連接，根據“擴散”間隙中的氧含量，能斯特電池分流一部分電流。當電流值達到動態平衡時，其與被測排放氣體中的氧含量成正比，該信號可以為發動機的計算裝置，提供精確的空氣/燃油比，從而滿足國際最新的汽車排放標準。

　　氧化鋯傳感器開發的另一個重要里程碑，是引入了焙燒鉑金屬陶瓷電極技術和釉底料技術。所謂的釉底料技術是將多孔保護膜與等離子噴涂晶體層技術相結合，形成雙保護層系統 [9]。盡管用于汽車工業排放控制的λ傳感器非常先進、可靠，但還是很難適應在線工業過程的應用要求，問題的主要癥結在于嚴酷的工作環境和傳感器的封裝材料。

　　2. 理論基礎

　　所有工業用氧化鋯傳感器均基于以下原理：電池由固態氧化鋯電解質（絕大部分為穩定的氧化釔?氧化鋯，簡稱YSZ）和兩個鉑電極所組成。鉑電極焙燒在氧化鋯陶瓷片的兩側，暴露在被測過程氣和參比氣中：

　　O2（參比側氧分壓）,鉑電極 │ 氧化鋯 │鉑電極，O2（測量側氧分壓）

　　使用高溫密封材料和氧化鋯陶瓷片，使測量側與參比側徹底分離。由于氧化鋯傳感器兩側的氧濃度不同，形成濃差電勢E，該電勢大小符合能斯特方程：

　　式中，

　　C為常數，與氧化鋯鋯頭的熱接點、參比側與測量側的溫度和壓差有關；R為通用氣體常數；T為被測過程氣的溫度，單位K；F為法拉第常數。