Принцип работы циркониевого анализатора кислорода

Твердотельный элемент, состоящий из циркониевой керамики, при высокой температуре становится проницаемым для ионов кислорода. Если такую мембрану поместить между двумя газами с разными концентрациями кислорода, то тогда ионы кислорода начинают перетекать через мембрану из области с высокой концентрацией кислорода в область с низкой концентрацией.

Благодаря тому, что через мембрану могут проникать только ионы кислорода, со стороны высокой концентрации молекулам кислорода приходится расщепляться на ионы, высвобождая положительный заряд. Со стороны же низкой концентрации ионы кислорода, наоборот, соединяются в молекулы, высвобождая теперь уже отрицательный заряд.

Таким образом на обеих поверхностях циркониевой мембраны реализуются следующие реакции:

Сторона высокой концентрации: O2 + 4e -> 2O^2-

Сторона низкой концентрации: 2O^2- -> O2 + 4e

В результате формирования зарядов в мембране возникает ЭДС, которая описывается уравнением Нернста:

E=- RT/nF ln P_x/P_a

Где:
E - электрическое поле, возникающее в мембране,
R - газовая постоянная,
T - абсолютная температура мембраны,
n = 4
F - постоянная Фарадея
P_X - парциальное давление кислорода со стороны измеряемого газа (высокая концентрация)
P_A - парциальное давление кислорода со стороны образцового газа (низкая концентрация)

В циркониевом анализаторе кислорода определение концентрации кислорода осуществляется путем измерения разницы потенциалов между электродами, находящимися в контакте со стороной высокой и со стороны низкой концентрации кислорода.

Как видно из уравнения, чем выше температура, тем выше чувствительность прибора. Поэтому для повышения чувствительности прибора циркониевая ячейка нагревается до достаточно высокой температуры (500-600^оС).