氧探头测量碳势原理
一氧化碳传感器 原理
一氧化碳传感器原理
一氧化碳传感器原理。
一氧化碳传感器是一种用于检测环境中一氧化碳浓度的设备，它在工业、家庭和汽车等领域都有着重要的应用。
其原理是基于一氧化碳与氧气的化学反应，通过测量反应产物的电学特性来实现对一氧化碳浓度的监测。
一氧化碳传感器的工作原理可以简单地分为两个步骤，一是一氧化碳与氧气的化学反应，二是测量反应产物的电学特性。
首先，一氧化碳传感器内部通常包含着一种特殊的氧化物（通常是金属氧化物），当环境中存在一氧化碳时，一氧化碳会与氧气在氧化物表面发生化学反应，生成二氧化碳和释放出电子。
这些释放的电子会导致氧化物的电阻发生变化，而这种电阻的变化就是一氧化碳传感器用来检测一氧化碳浓度的基础。
在传感器的另一端，我们通常会设置一个电极，用来测量氧化物电阻发生变化时释放出的电子。
通过测量电极上的电压或电流变化，我们就可以得知环境中一氧化碳的浓度。
这种电学特性的变化通常会被转换成数字信号，通过显示屏或其他设备来显示一氧化碳浓度的数值。
在实际应用中，一氧化碳传感器通常需要与其他控制设备配合使用，比如与报警器结合，当环境中一氧化碳浓度超过安全范围时，传感器会发出警报信号，以便及时采取措施保护人们的生命安全。
总的来说，一氧化碳传感器是一种基于化学反应和电学特性的设备，通过测量一氧化碳与氧气的反应产物的电学特性来实现对一氧化碳浓度的监测。
它在环境监测和安全防护中发挥着重要的作用，为人们的生活和生产提供了可靠的保障。
温度碳势控制系统常见问题及工艺调试
碳势--温度控制系统常见问题及解决办法一．氧探头原理：氧化鋯在高温环境下，处于两种含氧量不同的气氛中时会产生电势差即氧势，利用氧化鋯这种特性，可将此电信号引致仪表，进行计算，所以氧探头分气路与电路两大部分。
气路部分：请首先确认参比气是否正常，参比气调至100ml/min，将参比气管子放入清水中，应有气泡冒出。
1 .气路不畅：氧势长时间在1000mv以下，甚至只有一、二百毫伏。
用嘴吹一下参比气嘴子，应有一定阻力。
但应比较通畅，吹时不费很大力。
如吹不动，可用细铁丝疏通参比气嘴或重装探头。
2 . 漏气（1）微漏：氧势比较稳定，但比正常值低，调节参比气时有较大波动。
关断参比气时下降较快。
重新装配氧探头，使瓷管与锆球良好密封。
（2）大漏：氧势只有一、二百毫伏，而且参比气嘴子有炉气冒出，用明火能够点着。
如摇晃探头有哗啦声时，瓷管已断裂。
同时再检查基座内部密封胶圈是否完好。
更换已损坏部件。
电路部分：氧化锆球产生电势差后，由氧探头的正负极连接，经插头连接电线传至仪表。
用碳控仪自带的内阻测量功能，对氧探头及连线和氧化锆球的使用情况进行测量。
如果内阻在短期内大幅线性上升，则氧化锆球使用寿命将尽。
如果内阻大于4k Ω，则氧探头及连线有问题。
二、氧探头常见故障1、氧势上不去(或是上的比较慢，需一、两个小时)：由于排气不够充分，造成里面气氛不好。
解决办法：充分排气，打开排气孔，等氧势有上升趋势后再关孔。
2、氧势显示为零：内外电极装反了。
解决办法：在端子排上将Y+、Y-换位接好，再看是否有显示。
3、氧势不稳定来回跳动：看看机座内电极连线是否松动，或是有干扰（一般来自于风机漏电）。
解决办法：把氧探头的黄色机座拧下，把内电极连线的螺丝拧紧，再拧上黄色机座；若是来自于风机漏电的干扰，可在风机外壳上接一地线。
4、氧势在800mv以下：有可能是氧探头轻微漏气，解决办法：先判断是否轻微漏气，可把参比气从200ml调到50ml,看氧势是否降落很多，大约100mv/min以内说明不漏气，若大于100mv/min说明漏气了，可与厂家联系，不宜再用。
氧传感器工作原理
氧探头工作原理氧探头又称氧化锆浓差电池，它的工作原理(见示意图)是：以高温氧化锆作固体电解质，在高温下若电解质两侧氧浓度不同时，便形成氧浓差电池。
浓差电池产生的电势与两侧氧浓度有关，如一侧氧浓度固定，即可通过测量浓差电势来测量另一侧的氧含量。
氧化锆固体电解质是在氧化锆（ZrO2）中掺入一定数量的氧化钙（CaO）,经高温焙烧而成。
在氧化锆电介质的内外壁上用高温烧结(或压紧)的方法附上不易氧化的多孔性（网状）白金电极和电极（丝）引线。
经过上述掺杂和焙烧而成的氧化锆，其晶型为稳定的立方晶体，晶体中部分四价锆离子被二价钙离子所取代而形成氧离子空穴。
由于氧离子空穴的存在，在600-1200℃高温下，这种氧化锆材料就成为对氧离子有良好的传导性的固体电解质。
在氧化锆两侧氧浓度不等时，浓度大的一侧的氧原子在该侧的表面电极上结合两个电子形成氧离子（1/2 O2+2e- - O-）,然后通过氧化锆材料晶格中的氧离子空穴向氧浓度低的一侧运动，当到达低浓度一侧时，便在该侧电极上释放两个电子并结合成氧分子放出（O- -1/2 O2+2e-）,于是在高氧侧和低氧侧电极上分别造成正负电荷积累，产生电势，此电势阻碍这种迁移的进一步进行，直至达到平衡为止，从而形成氧浓差电池。
氧探头在可空气氛加热炉中使用的药店及常见故障1.在可控气氛加热炉中氧探头的使用要点（1）氧探头属于一种高精度、高灵敏的传感器，其核心元件氧化锆头是球状或管状结构陶瓷件，很容易受冲击破碎。
在新的氧探头使用前，应仔细检查氧探头是否受过碰撞，氧探头是否有弯曲，氧探头外管有无裂纹，探头部位氧化锆是否有裂纹或破裂、或有陶瓷装碎片；轻轻摇动氧探头，听听氧探头内部是否有响声。
如有响声，可能是氧探头的氧化锆已经破裂。
（2）氧探头在安装时要注意安装位置插入炉膛50-100mm，安装在炉气较稳定的区域内。
不要靠近各种渗剂的滴注口、分扇附近；不要安装在炉内口、角落、震动大的部位。
采用O2探头和Lambda探头进行碳势控制的原理和各自优势之比较
采用O2探头和Lambda探头进行碳势控制的原理和各自优势之比较点击次数：302 发布时间：2011-2-16采用O2探头和Lambda探头进行碳势控制的原理和各自优势之比较前言气体渗碳在热处理中仍然起着重要作用。
气氛的温度和碳势(C-Potential)是工艺控制的最重要的参数。
时至今日仍然没有直接测量碳势的方法能够用于在线工艺控制。
炉内气氛的氧分压测量是碳势控制最常用的间接方法。
氧探头有不同的类型。
在这篇文章中我们将着重讨论氧探头构造上的区别以及各自的优点和缺点。
目前，渗碳工艺已为人熟知。
除温度以外最重要的参数就是碳势。
炉内气氛的碳势即非合金奥氏体的碳含量(以重量百分比表示)，该碳含量与相应气氛保持均衡。
比如气氛碳势为0.7%，那么奥氏体的碳含量即为0.7%。
如果奥氏体碳含量高于0.7%，那么就应该进行脱碳直至其碳含量降为0.7%，反之，如果奥氏体碳含量低于0.7%，则应该进行渗碳直至其碳含量达到0.7%。
另外，温度也是决定特定气氛碳势的重要因素。
为了得到工件表面的准确渗碳深度，在热处理工艺中必须对炉内气氛碳势进行测量和控制。
(注：此文由德国MESA ELECTRONIC GMBH发表，由深圳市倍拓科技有限公司翻译整理。
如需引用，请注明出处。
)碳势间接测量一般来说，碳势可以直接测量也可以间接测量。
但是直接测量方法不适用于碳势连续测量及控制。
不过，在必要的时候，可以使用直接测量对间接测量结果进行检测和修正。
下述公式就是碳势间接测量的原理：这些化学反应既可在炉内气氛中发生，也可在工件表面发生。
化学反应之后，CO释放出C，而O2, CO2和 H2O吸收C。
如果气氛碳势高于工件表面碳含量，CO将C转移到工件表面，而O2, CO2和 H2O吸收气氛中的C。
如果气氛碳势低于工件表面碳含量，CO将C转移到气氛中，而O2, CO2和 H2O吸收工件中的C。
在这两种情况下，这些化学反应都会导致工件表面碳含量和气氛碳势之间的均衡。
烧结过程中控制氧势和碳势
都知道在烧结过程中，
必须控制氧势和碳势，
可怎么控制？
热处理涉及到部件的加热和冷却。
不过它也是一个金属或合金在高温下同炉内气氛中的成分发生反应和相互作用的化学过程。
同其他热处理工艺相比烧结工艺的环境温度较高，而且每个阶段气氛都很复杂。
从一个使用氧化性气氛的预热区开始，粉末、润滑剂在这里被氧化、挥发的润滑剂容易被正常流动的气体从该区的气氛中带走，然后，不含润滑剂的坯件进入一个还原性气氛，开始烧结步骤。
武汉华敏开发的碳势控制系统中的，氧探头直接在炉膛中连续在线检测氧含量，能够对烧结炉内的碳进行精确的控制。
这种先进的系统还能优化碳向炉内输入，从而避免产生烟灰和过多的碳沉积。
通过调节天然气或丙烷流量而优化碳的控制，有助于减轻传送带渗碳的程度。
渗碳会导致金属尘化，如果不采取措施，会出现断裂情况。
不过，这些问题都能够通过恰当的热处理工艺控制而得以解决。
氧探头作为可控气氛在线碳势控制的主
要手段，是通过测量炉内的氧分压高低，
间接反映碳势的高低，CO↔［C］
+1/2O2。
在气氛中的CO值恒定的前提
下，若测出炉气中的可变氧量，可测定出炉气碳势，然后通过加入丙烷或空气的追加，达到控制碳势的目的。
武汉华敏测控开发的HM系列气氛残氧检测、加热炉膛气氛检测、热处理渗碳、碳氮共渗、正火退火、烧结炉窑、冶金炼铁等系列气氛检测自动控制系统供市场选择。
系统由检测元件HMA、ST系列氧传感器、进口欧陆2400碳控仪、控制执行机构电磁阀和氧传感器维护仪组成。
氧探头在碳势控制中的应用和控制精度的研讨
氧探头在碳势控制中的应用和控制精度的研讨…奢【艟卅交采和旅礼熟及7～f_!|氧探头在碳势控制中的应用和控制精度的研讨顾礼昌编译【■■J碳势控制的历史经历了许多重要的里程碑,诸如采用气体渗碳和吸热式气体发生器.F..I/ands方程的发展,以及由手动或自动调节炉子气氛的露点和红外仪器的工业应用等等.最近时期的主要进步是世界范围内普及采用氧探头"乜称作氧传感器或碳传感器).来监控和控制吸热式气氛它能提供可靠曲电势输出指明热处理气氛的工况.本文引证法国J.DULCY和M.GANTOI8所作的分别以氧探头和O0红外仪测定碳势的对比研究结果,说明用氧探头控制碳势所引起的误差,显然比用CO.分析仪所造成的误差小.一碳势控制回路碳势控制回路包含五个主要部件:即炉子,氧探头,传感器接口,控制器及其输出功能.每个部件可以用功能块表示(图1).块与块之间会产生影响,并对该控制系统的复杂性,灵活性及其费用有决定性的作用.～『～_]}…一r10l_…厂…图1碳势控制回路方块图对碳势控制回路的五个功能块的特性必须有所了解,便于选用适当的元部件传感器必须按照工艺的条件来选择以获得最长曲寿命.控制器有四种,根据炉子技术要求的复杂性可选用从毫伏控制器一直到数显可编程序控制器.输出功能块必须按现有的设备和将来的可变通性来选择.监督计算机对炉子控制回路的运行可能会有所增强,但是,对整机运行的方便性必须加以注意为简便起见,可认为炉子仅仅作为吸热式气氛容器并插入一个氧探头的加热室.实际上,该炉子可以是一台简单的井式炉,一台密封的淬火炉,一台多区连续淬火炉,甚或是一台吸热式发生器.二,氧探头一般的氧化锆氧探头的横截面如图2所示该传感器电池主要由两个金属电极及其问的局部稳定的氧化锆陶瓷夹层组成.当电池内外倒之间构氧分压不相等,温度在650eC 以上时,氧化锆具有独特的能力,通过它的陶瓷结晶组织传递氧离子.这些电极对游离电霉羹薹田一L—重要要互7图2氧探头的截面图1一接至探头的引线;2一井电报(一):3一在ZrO晶格内的氧空位一4一基准空气20,05和O¨_5一郭稳足的zrO2电解质;6一内电授(+)+4e一2O;7—2o呻十4e护气一循氧一7一子提供了一个源和接收器.当氧分子(0.)电离时,穿过传感器壁经氧化锆陶瓷晶格中的空位迁移,并在传感器壁氧分压低的-一侧重新形成分子.电子的运行产生了有效的控制电压,并导出气氛热处理工艺中的Nornsf方程:=0.0215××In(O.2095/p)(1)式中:——探头的电动势,毫伏;L一温度,K.晕删删寐蛳——炉气氛内的氧分压;0.2095=参比空气中的氧分压.实际上,该Nernst方程指出的是在一个已知温度下象征某一气体自由氧含量的一个探头电压特性.从而,有可能在吸热式气体中以讯号输出来测定其低氧的浓度.碳势对探头电压的关系是利用在低碳钢箔片进行渗碳中,精确地控制温度和气体成分之下建立起来的(图3)..40l氧探头鼍扶{卣出JL.舱Iil『1.3Cii1.25一一一一—L.20一…～一——r¨1.15L155lllI.101i11471152111.05』JII1144l】48111.0c)i——I]--I~y141Ⅱl订).951I——Ⅱ西ITi1]面丽豇I111"781199nnI1l751108ilo711172i190i11641168西丽I丽丽[1531丽Ⅱ酣09Lll'~L122851114111880l1l191114751I蕊60—10—91;1—09—5551n85丽50而话丽1100110411107111—109—3而讨丽豇1121121ll119911197II11911162;116~1158Y~62n丽119[1181152佣114711【111三;～11:捶薰图10641068藤i1071窿1074【1078圄1081需1084麓霞匪l.!-4~J-,1l-4l-30l 弼西lf蕊l茄靠『而【蕊l丽l丽0丽f而匣而行j面丽向丽I【翻IjJlL25丽而丽廊廊l蕊I而而耵}酶i喃I丽II/IllliI20一f一而I厨丽l丽l丽丽面廊i旧}丽l1052f1tMJ_士—L___L坚二二二二.至里I堑互型巫耍!堡I"{:*, 81583084586087088990091592.5940055970980炉温.C莓3用天然气制备的投热式气氰(2o~co)残氨基气氛(40嘶/4o~~H./2o~co)在寸: r司炉温下,氧探头输出与碳势间之关系.数据是由美国科尼英玻璃广测定的. 三,氧探头和红外线测定碳势误差的对比分析为了探索这两种测量方式的对比,实际上就是对比用C—aO—O.和0一aO—aO的化学平衡方程来测定的两种方式,首先应研究下列各参量的影响:(1)用氧探头测量∞:0.(),CO(%co)和()的绝对误差.一8一(2)用红外仪测量pco,:CO.(%eO.),Co(A~co)和T(AT)的绝对误差.其次要考虑到不同参量的相互影响.因此必须研究这两种系统的热力学状态和动力学特性.本文不准备讨论动力学方面的问题,而只满足于分析其精度,并以此精度作进一步了解气氛的热力学状态,以确定习惯上所称的气氛碳势"的量值.气氛碳势定义为一种钢类与这种气氛处需需8;一●n—n—n—n07—3—0坐Ⅲ而再丽丽一nⅡ一u—n 恶需需霖丽予热力学平衡下的碳浓度.因此,可以说:(])这项量值既是气氛韵特性,血是钢利啪特性;(2)这项量值只有在系统处于热力学平衡下才具有意义.当后一个假定完全实现的条件下,人们可以从以下任何一个化学反应来确定一种气氛的碳势;co[a]+寺o(2)2co=2[a]+co2(3)co+H2[oj+Hao(4)从反应(2)来解释,[G]是溶解于奥氏体钢中的碳.在平衡条件下:fT):cppCOAG.(T)=一RTlogK(T)式中:——溶解于固相中的碳活度,它与浓度相关,其关系式为:口c=7o——溶解的碳浓度,如果达到了热力学平衡的话,它就是碳势;7——钢的碳活度系数,取决于碳与钢中不同组分内部反应的性质.如果已知7和AG.(T)(热力学量值);如果铡得了温度T和分压Poo在o,;在均匀奥氏体上应用上述关系式就可知碳势是可以测定韵.气氛碳势测量误差有两个根源:其一与热力学数据的不精确度有关曰此应该在可自由处理的数据中选择那些观察到的最接近实际的数据.选定后,做一个标记3.1节将对此选择加以讨论;其二与温度测量和分压测定的误差有关(本文的3.2节和3.3节将加以叙述).问题关系到估算这些误差和确定其对碳势产生的误差.后_荇取决于确定碳势所选择的F衔方程.我们将按此观点来比较对应于反应(2) 和(3)的平衡方程.'8.1热力学数据的选择对于反应的自由蛤变化,对于在奥氏体中碳活度规律静表达,文献中早已提供了许多热力学的数据.仪以(2)反应的情况作为例子,并计及以下的数值:.(T)(卡/摩尔)a)--21.16T--26537(Janaf文_猷2之1)b,一20.95T--26700(Kubashewski和EV ANS文献j之2)活崖规律:a)log23000.920+.c+log0(J.Chipman文献2之3)式中:嘶C为碳的重量,化学分析法测定,以% 计;T=温度,以开氏温度K计.b07eze4丁798.6.]=o0二繇%a(T.ELLIS文献2之4)注:这些数值对应于钢中无其他台金元素情况下的碳.碳的基准状态相应于石墨状态.袭1指出了热力学量值的选择对碳势值的影响选择一种数值或另一种数值并无客观准则.因此,该项选择是任意的,如果以碳势作为一个标记,它产生的l系统误差并无妨害.例如,如果选用JANAFEAG.(T)](文献2之1)和ELLIS(活度规律,文献2之4)所提出的热力学量值,则可以计算出对应于平衡方程(2)和(3)的分压,如表2所示.——0一囊1几件女■曲一●计■扯备注,表达式(A)可写南: E(mV)J.EK.BJ.0hi硅太相误差——87011200.7840.8090.814490011451.0201.0521.038392011601.1671.2031.179395011801.3561.3911.3623注:JE——平衡常数根据JANAF文献2之1;皤度规律根据ELLIS文献2之4.Ⅺ——平衡常数根据Kubaschewski.文献2之2活度规律根据ELLIS.文献2之4.J.ch卜-一平街常数根据JANAF文献2之1{谱度规律根据Ohii~manJ.文献2之8.]mV)——眦毫伏计量的氧探头发出的信号. T——以摄氏度计的温虞裹2不同蕞井不凡沮鏖和CO含量为2O% 时的c02和含量的计算值810C(1)1.88887Oa{.30'a一;87—4437(1)0.I【1)0.注:(1)表示C02古量(嘶COD(衷示含量(和03.2利用C—CO—C0和C—CLk一02化学平衡方程获得的碳势相对误差的表达式8.2.1G—Co—aO2系化学反应关于平衡方程(3)2CO=[C]+CO碳活度的相对误差可写为:=+poo,+/4.㈧Ⅱcpoo0Ⅳ3(rr):—2—1689—.2—7—21.1047(3C献2之1)另外,碳的活度口可以按上述的活度规律之一与碳势(嘧a)结合起来已经知道表达式(b):ELLIS(文献2之4),并计及这些——10——西c』嘉+1丽19.6G'=++.15890.6(B)PcopcoI因此,表达式(B)可以按CO,CO.气体分压测量误差和温度测量误差来计算碳势的相对误差或绝对误差.通常.和pco,是用红外分析仪来测定的,而温度则用热电偶来确定的.要注意到温度误差可能来自热电偶的测量误差,但是,同样会来自炉内温度的不均匀性.8.2.2c—c—Oz系的化学反应对于化学平衡方程(2),同样可以计算出碳势的相对误差:设:C+JL0=主CO(2)平衡常数为:.(T)=黟(c)表达式(c)指出,在已知物理参量温度,CO分压和Oz分压下,可以计算其本身与碳势相关的碳活度.假设温度和CO分压用热电偶红外分析仪测定,而0=分压的测定是利用氧探头来实现的.考虑到这些参数,并结台表达式(a)和(1)和活度规律(ELLIS,文献2之4J,碳势相对误差的计算可得如下的方程式:嘧aJ+lf1∞l=+等I18152.64Pco2A'.2''I'一鲁』(D)2dI要注意到对该计算的平衡常数K.(T)为:K2(T)=EXP(]O.65十,1下335404)(文献2之1)麦i=!i式(D)包含以下一些参数:——由氧探头发出信号的绝对误差,以毫伏}I';——氧探头发出的信号值,以毫伏计;co分压的相对误差j～温度的绝对误差j!L一温度,以开氏温度K计j～数字常数='一(D)基于热力学建立起来的表达式(B)和(D),按照计算碳势所选的化学平衡方程a—CO--CO2或(,_一Go一型式,将会得到碳势绝对误差或相对误差的对比.四,计算情况的分析对比4.1氧探头电动势的绝对误差和OO.分眶的绝对误差对碳势钓影响圈4和图5分别代表碳势绝对谈差随CO.含量(以%表示)和随氧探头发出的电动势(以毫伏计值)而变化的曲线这些曲线是按三种温度875,900.种925.a和CO含量为20咖而点绘出来的,同时,在这些曲线上标出0.7师和1.2师两种硪势值.圈4碳势绝对误差随L含量变化而穸化的曲线c—OO一法图5碳势绝对误差随氧探头电动势变化而变化的曲线(一co._滏闰4和图5指出:(1)在某一给定温度下,碳势愈高,碳势的绝对误差愈大.例如:在图4的925.a曲线上:%a=0.7%a=O.033呖a一1.2%a=0.098(2)在给定的温度和碳势一F,在测定cO.的情况下,碳势的绝对误差较大.例如:温度在925.a,碳势为1.2%时:用002分析法:呖a=1.2--+0.098(图4]用分析法:%a=12±0.o18(图5)54:3:零2】O图6碳势绝对误差与温度变化的关系曲线盅5G.嘧a~CO=00_I乃一C02法一11—7碱势绝对误差与温度变化的关系曲线AT=5oCAE=AWCO=0C—0一O242温度的绝对误差对碳势的影响(AT击0,%aO2ACOCO=0)图6和图7分别代表在测量CO分压删在利用氧探头测量氧分压的情况下,碳势的绝对误差随温度改变而演变的曲线.这些曲线是在CO含量以2O%和0.7CO霸I12% 两种碳势下点绘出来的.(1)图6和图7指出5oC的温度差对碳势测量的影响,例如:在测量氧分压的情况下(图7),在925.C,碳势为1.2时,其碳势的绝对误差为0.o2s%.引人注意的是该值比相应于探头信号1毫伏的绝对误差大1.5倍(参见图5). (2)图6和图7又指出:在分析a的测量情况下,不管何种碳势剥不管何种温度, 它比用氧探头所测得的碳势绝对误差更大. 例如:在温度为880~C和碳势为0.7CO时,所得:用测定法:COC0.72=0.018(图7)甩溯定p∞法:%C=07±0.036(图6)(8)图6和图7指出:在测量CO.的情况下,随温度改变而碳势绝对误差的变化更为巨大.例如:在温度为800~C至930.c之问,碳一12一势为0.7嘶用测定法:0.017≤ACOc≤0.019(图7)用洲定Pco,法:0.033≤A和C≤0.042(幽6)当碳势愈高刚,该项变化愈大.4.3CO变化对碳势绝对误差的影响(%CO年0,AE=AT=嘶C(=O)图8指出CO含量的测量误差对碳势绝对误差的影响.必须注意到在利用分析COz 来测定碳势的情况下,CO含量测量误差的影响要大2倍多图8的曲线是在CO含矗为2O%承I绝对误差为0.5W的情况下点绘出来的.2¨S碳势绝对误差随碳势变化而变化的曲发①0_-cO一∞A~CO=0.5.埘一%∞T;n@C—G0一O?啼CO=20例如:在碳势为1.")O7o时,可得:用测定0.汝:%a=1.2±0023(图8)用测定蛳..法:%C=I.2圭O.046(图8)4.4各种参量对碳势精确度的相互影昨(AE4"0,嘶CO0,4%COO,"AT专0)图9和图1O分别代表两种测定方法中碳势绝对误差随碳势值改变而变化的曲线图9采用测量aO—aO!法,而图1O采用测量aO—法.这些曲线是在875~C,900.C和925~C三种温度和CO含量为2O%下点绘的.这些曲线是在计及以上所讨论到的和分别遇到的各种误差的情况下得出的.因此取用氧探头信号的绝对误差为=1毫伏,CO含量的绝对误差为%C=0.01,CO含量的绝对误差%CO=O.5,以及温度的绝对误差=5.C.宝n堇辆图9碳势绝对误差随碳势值变化的曲线(c—GG.)轴COs墨0.01.d再CO=0.5T蕾a.哺00=20l一图l0聩势绝对误差随碳势值变化的曲线(c._c0一O)d日一1r.』CO=O.5AT=C.嘶CO=2O(1)囤9和图10指出:在用测量c含量来确定碳势的情况下,不管温度多少,也不管碳势高低,碳势的绝对误差玻为严重的. 例如:在温度为928和碳势值为1.2嘶所得:用测定p0.法:%c=1.2+0.OG9(15110).用测定蛳法:%c=1.2i0.195(罔9).亦即用测量C0--C02法中,其绝对误差要大2.8倍在温度为875.c和碳势值为0.7%所得:用测定po法:%G=0.7土O.045(图10).用测定pco,法:%c=0.7iO.085(图9).亦即用测量c0—0法中,其绝对误差要大1.9倍.(2)另外,图9和图10指出:在利用分析氧分压来测定碳势的情况下(图lo),温度的影响并不那么大,按温度为875.c,900~C 和925.a点绘的曲线,图10上的比图9上的都比较集结.4.6总的意见:从分别用化学平衡方程a—c一02(氧探头法)和c—co—c(红外仪法)对碳势的相对误差或绝对误差进行计算的结果对比,可作出如下的几点意见:(1)碳势冽量的精度取决于温度,氧含量,CO含量,o含量等物理参量的测量误差.这些参量的误差,根据所选定的工作点(温度,碳势),具有或大或小的重要性但是,在以上所研究过的各种情况下,它们的影响是大的.如果希望自动调节或控制一台渗碳炉或碳氮共渗炉,则应特别着重对碳势的理解,即关于温度,一氧化碳的浓度,二氧化碳的浓度或氧探头的电动势对碳势的影响.正如所述,碳势要测量得仅差10%左右,州必须严格注意对上述各项量值的测量.一13—(2)这些计算值指出,不论其工作点如何(温度,碳势),碳势的误差,或者由于氧探头发出的信号不准确,或者由于0分析的不准确,或者由于温度的不准确,或者由于CO分析的不准确(所得的误差或者是单一的或者是累积的),在利用氧探头的测量中, 其误差是最小的.但是对该项测定方法,必须予以特别注意五,氧探头发出电动势的绝对误差对碳势测量误差的影响为了阐明由氧探头发出电动势的绝对误差对碳势测量误差的影响,按以下二种条件进行了计算.第一种条件:温度为920.0和CO含量为20%时,假设CO含量的绝对误差和温度的绝对误差均等于0,改变AE值:设为1,2,4,或10毫伏.第二种条件:已经积累了0O分析的误差和温度误差(%CO=0.5和A7=5.0);而AE,CO和温度等参量与上述数据相同.图11和图12就代表在这两种条件下,点绘出都随碳势而演变的碳势相对误差的曲线.s广～～—二"—～.卜—～皇二～～L～=..!.—百—育—一志一.圄11随碳势而.寅变的碳势相对误羞雌线((L0)d日辛O.d嘶CO写T篮0嘶Co=2o.T~925d 一14一害Jl基图12随碳势而演变的碳势相对误差曲线(C—CO—O:)d0师CO=0.5.aT=5oc.CO一20,T925.0图11指明,当%C=1.2,%0O=0和AT=O时,碳势的相对误差处于1.5%(当AE=】毫伏)和15%(当=10毫伏)之间.例如;如要求碳势的相对误差小于或等于10%,则必须使氧探头发出的电动势值的绝对误差小于或等于7毫伏.图12是在考虑到CO分析的相对误差和温度的测量误差(%CO=0.5和AT=5~O)的情况下点绘出来的.在这些条件下,碳势的相对误差包括在6%(当AE=I毫伏)和19%(当AE=10毫伏)之间.因此,要求碳势的精度为10%级,则必须使探头电动势的绝对误差为4毫伏级.虽然利用氧探头的测量比利用0分析仪的测量为优越,但必须要使,%CO和AT等项最大限度地降低,以使碳势的测定能代表炉子气氛的实际热力学状态.表3和表4总结了以上所讨论的主要结果:.1)表3给出了在温度为925.0,CO含量为20%,以及碳势为].2%时的碳势相对误差值.表4是与图11和图12相结合的0O一测量值)囊s以嘶裹选埘相对误差('=925.c}@CO=20}和c_1.2)(0O一0.调节涪) .埘mV1l2:4810I!''.....——1''.....——''....——一一—嘶CO=0.'一01.5136]215I'…1～…一一1晌CO-05.T军56I7101619I1寰4在帕C=I.2;T=925oC和嘶C=0.7T=875.G(嘶C0=20)两个工作点上碳势的绝对误差925.G875.C(2)0一O0—O嘶co.=0.01(1)0.O980.O19佃(mV=10.012c20.015(1)o.o51o.036gT=5.e(20.0280.虹8(1)O.0460.O3O(2)0.0230.015晒(nlv)=1E1)0.1950.085d啼COa=0.01』=5oG畴CO=O.5(2)0.0690.0452)表4总结了利用化学平衡方程c—c0-C0和C—Co一0.关于两个工作点(呖a=1.2,T=925.C和呖C=O.7,T----875.C)的测量对比研究.表4中每一情况下的数值相应于碳势的绝对误差.(至于所观察到的四种情况,上行代表CO--CO.测量法,下行代表co一02测量法).六,结论基于热力学上考虑的C—Co—C0.和参考文簟[1]Heat~tmentofMetals1骼7.1P15—18[2]Traitecneat啦∞jqⅡ.2帕—86p352G—C0—0化学平衡方程对气氛碳势测定的研究指出:碳势测定的精度取决于各物理参量的测量精度,如温度,CO分析,CO.分析(对于a—a0一C0.红外仪涣I定方法)和如温度,0分析,CO分析(对于C—ao—O氧探头铡定方法).关于这些不同参量澳l定精度的对比研究结果表明:氧探头控制碳势所弓l起的误差,显然比用a分析仪所造成的误差为低.然而,一个用氧探头确定碳势的良好方法,牵涉到要遵循如下的条件:(1)温度的测量应采用最高精度的方法对于某一工作点(T=925~C和%c=1.2),其温度上的5师的绝对误差会导致碳势上的0.o3呖绝对误差,即1.】7≤呖C≤1.23.(2)CO分析仪应该是精密的所柞的CO分析,如有2.5呖的相对误差,就会在碳势上导致O.02呖的绝对误差'即1.18≤呖a≤1.22.(3)氧分压的测量应以最谨慎的态度来进行;要求所用的氧探头在涣I量中稳定,经过很好的校准过,使其绝对误差尽可能的小.对于工作点(925.C%和0=12),1毫伏的误差会对碳势带来0.02呖的绝对误差,即1.18≤嘶0≤1.22因此,诸如这些误差(4E=Imv,师CO:O.5和aT=5oC)对处于925~C的1.2呖碳势会带来O.昕呖的绝对误差,即1.13≤师c ≤1.27碳势仍然是一个严格的热力学概念,它的测定是精巧的,因为它会累积热力学量值的,分压测量和温度涣I量的各项误差,因此对此概念,在实用中应非常的慎重.一一。
氧探头的工作原理
氧探头的工作原理氧探头是一种用于测量气体中氧气浓度的传感器。
它广泛应用于工业生产、环境监测、医疗设备等领域，具有重要的应用价值。
下面将详细介绍氧探头的工作原理。
一、传感原理氧探头的传感原理基于电化学反应。
传感器内部通常包含一个氧气透过膜（O2 permeable membrane）和一个电解质。
氧气透过膜是一种特殊材料，能够让氧气分子通过，但阻挡其他气体的进入。
电解质通常是一种能够导电的溶液或固体材料。
二、工作过程当氧探头暴露在气体环境中时，氧气分子会通过氧气透过膜进入传感器内部。
在传感器内部，氧气分子与电解质发生反应，产生电流。
这个电流的大小与氧气浓度成正比。
三、测量原理为了测量氧气浓度，氧探头通常与一个电流测量电路连接。
电流测量电路会测量传感器产生的电流，并将其转换为氧气浓度值。
这个转换过程通常通过校准和标定来完成，以确保测量结果的准确性。
四、影响因素氧探头的测量结果可能会受到一些因素的影响，如温度、湿度、压力等。
因此，在实际应用中，需要对氧探头进行校准和补偿，以提高测量的准确性和稳定性。
五、应用领域氧探头的应用非常广泛。
在工业生产中，氧探头常用于监测和控制工艺气体中的氧气浓度，以确保生产过程的安全和稳定。
在环境监测中，氧探头可以用于测量大气中的氧气浓度，帮助了解空气质量和环境污染情况。
在医疗设备中，氧探头常用于监测患者的血氧水平，以帮助医生判断患者的健康状况。
六、发展趋势随着科技的进步，氧探头的性能不断提高。
新型的氧探头材料和设计正在不断涌现，以提高传感器的灵敏度、响应速度和稳定性。
此外，无线传输技术的应用也为氧探头的远程监测和控制提供了新的可能性。
总结：氧探头是一种用于测量气体中氧气浓度的传感器，其工作原理基于电化学反应。
通过氧气透过膜和电解质的作用，氧探头能够将氧气浓度转化为电流信号，并通过电流测量电路转换为测量结果。
氧探头的应用领域广泛，包括工业生产、环境监测和医疗设备等。
随着技术的不断进步，氧探头的性能将进一步提高，为各个领域的应用带来更多可能性。
SLCS系列氧探头
SLCS系列氧探头SLCS-系列氧探头是本公司在引进国外最新技术的基础上开发成功的一种美式探头。
其特点是：（1）氧化锆头直接焊接在高铝管上形成一个整体，与片状、球状锆头不同的是不可拆卸，所以具有更好的密封性和机械性能。
（2）其内外电极采用特种贵金属合金，使探头性能更优良。
这种结构与美国的BARBER-COLMAN，MARATHON(马拉松)，澳大利亚及日本产的探头是类似的。
本探头与上述探头输出毫伏值及内阻相近，可以相互兼容，直接替代。
至目前为止（2004年12月）已有一百几十台套美国ABAR—IPSEN、SURFACE、德国易普森、爱协林炉、日本中外炉等引进炉在使用SLCS-系列氧探头进行生产，用户反映良好（其中包括渗碳、碳氮共渗、超级渗碳等工艺）。
由于以上结构特点，本产品具有以下几大优点；1.能在渗碳、碳氮共渗、超级渗碳、氮基气氛渗碳、保护气氛等各种工艺中长期使用。
2.具有良好的热振性及抗机械振动性能，可以装在井式炉、网带炉、多用箱式炉和连续炉等各种炉型中使用。
3.密封性好、灵敏度高、响应时间快，特别适用于碳势控制精度要求高的场合。
4.结构简单、维修保养方便。
5.外壳采用镍铬耐热合金，可以防止意外撞击造成的断裂。
一．工作原理与结构图1氧探头的结构如图1所示。
低温时氧化锆内阻可以认为是无穷大，探头开路，仪表上显示的数据无意义。
当温度超过650°C时，氧化锆成为固体电介质电池，由于锆头内外侧氧分压不同，在内外电极上产生浓差电势E。
E的大小符合Nernst方程：E=0.215*T*Ln(P01/P02)=0.25*T*Ln(0.2095/P02)————（1）其中： E为浓差电势（mv）； T为氧化锆温度（K°）；P01为参比气（空气）中的氧分压（0.2095）；P02为炉内气氛中的氧分压； 0.215为热力学常数（mv/K°）根据炉气中的CO平衡方程式：CO←—→（1/2）02+[C]————————————————（2）当炉气中的CO分压不变时，炉内氧含量越低，高活性碳原子含量越高，即碳势越高。
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氧势法控制碳势原理
氧势法是利用ZrO2固体电解质，铂金丝氧电极组成的氧浓差电池（即氧探头），在高温下输出电压与炉气氧分压有一定的函数关系，间接控制炉气的碳势，氮势的方法。
1。
氧势法控制碳势的原理：
在可控渗碳气氛中，微量氧有以下的平衡关系：
[]21
2CO C O =+ （1-1）
[]221
2CO C O =+ （1-2）
2221
2
H O H O =+ （1-3）
平衡时， 式（1-1）的平衡常数表达式： 2
12(11)o c CO
p
K a P -=
（1-3）
所以：2
(11)
12CO c o P a K p
-= （1-4）
式中 (11)K -——（1-1）式的平衡常数，是温度的函数
CO P ，2O P ——炉气中的CO,O2的分压
c a ——碳在奥氏体钢中的活度，其数值可近似用/c p sat a C C =来表示。
sat C ——奥氏体钢中饱和碳浓度 p C ——炉气碳势 T ——绝对温度K 式（1-3），（1-4）有以下关系：
2
(11)1/2
CO
P sat
O P C K C P -= （1-5） (11)5870
lg 4.539K T
--=
- （1-6） 由上式公式可知，在一定温度下，碳势p C 可用21/2
/CO O P P 比值求得，这就是通过测试和控制21/2/CO O P P 的比值来控制碳势的理论基础。
当炉气中CO P
变化不大时，可认为是一种常量时，碳势就可以通过测量炉气中的氧分压来控制碳势，这就是氧势法理论基础。
当式（1-2），（1-3）反应达到平衡时，则： 2
2
1
2(12)CO o CO p p K P -=
（1-7）
22
212(13)H o H O
p p K P -=
（1-8）
所以： 22
1/2
(12)CO O CO
P P K P -= (1-9)
22
2
1/2(13)H O O H P P K P -= (1-10)
(12)14740
lg 4.521K T --=
+ (1-11) (13)12914
lg 2.871K T
--=+ (1-12)
将（1-9），（1-10）两边取对数的下式：
2229480
lg 2lg
9.042CO O CO P P P T =--+ （1-13） 22225828
lg 2lg
5.742H O H O
P P P T
=--
+ (1-14) 由式（1-13），（1-14）可见，当温度一定时，2O P 与2/CO CO P P 或22/H H O P P 有一定的函数关系。
因此，用氧势法控制碳势有可能比红外线CO2法或露点法（2H O P ）更为合理，更为准确。
根据氧势定义，氧势与氧分压得关系由下式表示： 22ln O O RT P μ= （1-15） 即： 222.303lg O O RT P μ= （1-16） 式中： R ——气体常数， 8.314J/(mol*K) 2O μ——氧势
当氧势单位为KJ/mol 时，其表达式为：
220.019159lg O O T P μ= （KJ/mol ） （1-17）
由式（1-17）可以看到，在一定温度下，通过测量氧势，可以得到氧分压（2O P ）。
将式（1-17）分别代入式（1-13），式（1-14）则有下列表达式：
2
2
0.173564.50.0383lg
CO
O CO P T T P μ=-- （KJ/mol ） （1-18） 22
20.110494.60.0383lg
H O H O
P T T P μ=-- （KJ/mol ） （1-19）
2。
氧探头测量氧势基本原理
氧探头是一种高温化学电池，或称之为氧电池。
主要结构是由固体电解质与两只贵金属——氧电极组成的化学电池。
固体电解质使用氧化锆为基本材料，加入少量的氧化钍，氧化钙等稳定剂，成形后在高温烧结而成。
固体电解质要求不漏气，而具有氧离子导电的性能，也就是只允许氧离子通过，不许氧分子通过。
贵金属——氧电极的金属要求化学稳定，近期导电作用，通常采用铂金或铂铑合金，用耐热粘结剂进金属机械的固定在电解质上，保证有良好的接触。
氧探头的寿命主要取决于电极的寿命。
由于固体电解质很容易受到机械或热的损伤，所以氧探头的外面需用金属或碳化硅外套加以保护。
为使被测气体与电极金属接触，在保护套上还要家通气孔。
氧探头的内电极充以参考气，空气是常用的参考气。
其优点是，当氧探头放在空气中就可以进行校准。
另外，空气中的氧分压约为0.21比被测气体的氧分压高得多，可以保证输出的电势值较高，容易保证测量的准确度。
当氧探头插入高温炉内，两个铂金电极上由于氧的浓度不同而产生了电动势，在氧分压高的一侧（空气），氧原子将得到电子形式形成氧离子，通过电解质进入另一电极。
氧气分子的一侧（被测气），氧离子放出电子变成分子态的氧。
氧探头结构示意图：
阴极（内电极）：221
22O e O -+→
阳极（外电极）：222O e O --→
氧化学电池的电动势，由Nernst 方程得出，如下式：
2
ln
O ref
P RT E nF P =
（1-20） 2
2.303lg
4O ref P RT E F P = （1-21） 式中：n ——1mol 氧气参加反应得电子数目（n=4） R ——气体常数8.314J/( mol* K) T ——绝对温度K
F ——发拉第常数49.6510/J V ⨯ 2O P ——被测气体的氧分压
ref P ——参考气（空气）的氧分压（约为0.21） 将以上参数值代入式（6-24），得下式： 22
4.9610lg
()O ref
P E T mv P -=⨯ （1-22）
由式（6-22）可知，在一定温度下，通过测量氧探头的输出电势E ，就可以知道炉气中的氧分压2O P ，由式（1-22）可得下式：
222
2222224.9610lg 4.9610lg P 4.9610lg 4.9610lg 0.213.3610 4.9610lg O ref
O O E T P T T P T T T P ------=⨯-⨯=⨯-⨯=⨯+⨯
将式（1-17）代入上式
222.589 3.3610()O E T mV μ-=+⨯ （1-23）。