极限电流型氧传感器的工作原理基于稳定ZrO2固体电解质的氧泵作用。在已稳定化ZrO2两侧被覆铂电极,阴极侧用有气体扩散孔的罩接合,形成阴极空腔。在一定的温度下,当ZrO2电极两侧加一定电压时,空腔内的氧分子在阴极处获得电子形成氧离子(O2-),这些氧离子通过ZrO2的氧空位迁移到阳极,放出电子后变成氧分子气体释放出来,这种现象被称为电化学泵。这样,空腔中的氧就被ZrO2电解质源源不断地泵到空腔外,在回路中形成电流。当氧摩尔分数一定时,电压增加,电流强度随之增加,但当电压超过某一值时,电流强度达到饱和,这是由于氧气通过小孔向空腔内扩散受小孔限制的结果,这个饱和电流被称为极限电流。极限电流与氧摩尔分数几乎成线性关系,因此可以通过测量极限电流来确定被测气体中的氧摩尔分数。
汽车燃烧控制:极限电流型氧传感器主要用于贫燃烧发动机的空燃比控制,使空燃比控制在18~22的范围内。在该范围内,燃料能够充分燃烧生成水和二氧化碳,同时减少废气中的NOx排放,提高燃料利用率,满足日益严格的汽车尾气排放标准。
锅炉燃烧控制:在锅炉等工业燃烧设备中,极限电流型氧传感器可用于监测和控制燃烧过程中的氧含量,确保燃烧效率,减少污染物排放。
环境监测:在环境监测领域,极限电流型氧传感器可用于测量大气中的氧含量,为空气质量评估提供数据支持。
医疗设备: 极限电流型氧传感器可以用于监测呼吸机中的氧气浓度,以确保患者获得足够的氧气供应。
其他工业应用:在钢铁、化工等行业中,氧含量是许多工艺过程的重要参数,极限电流型氧传感器可用于这些工业过程中的氧含量监测和控制。
科研与教学:在科研领域,极限电流型氧传感器可用于研究燃烧过程、气体扩散机制等;在教学方面,它可作为传感器原理、电化学原理等课程的实验器材,帮助学生理解相关知识。
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