氧探头内阻测试方法
【摘要】氧探头内阻是氧探头能否正常工作的关键指标。
氧探头在的渗碳炉控制系统中被广泛应用，新的氧探头内阻不应该大于1kΩ，随着氧探头的使用，内阻值将越来越高。
一旦超过20kΩ，应该加强监测。
本文介绍氧探头内阻测试方法，论述了其定义，提出测量条件，解释了计算公式，阐述了测量的详细过程。
【关键词】氧探头；内阻；测试方法
【Abstract】Oxygen probe resistance is a key indicator of the oxygen sensor to work properly.Oxygen probe in the carburizing furnace control system has been widely used，the new oxygen probe resistance should not be greater than 1kΩ，with the use of the oxygen sensor，the internal resistance will be higher.Once more than 20kΩ，should strengthen monitoring.This article describes the oxygen probe resistance test methods，discusses the definition，proposed measurement conditions，explains the formula，describes detail the process of measurement.
【Key words】Oxygen probe；Resistance；Test method
0.前言
氧探头或称氧传感器、氧电池，是热处理控制气氛常用的传感器，是一种确定含碳气氛中氧分压的测量探头，该方法可间接测量炉内气氛的碳势。
它是利用氧化锆在高温650℃以上时，内外两侧不同的氧浓度所产生的氧电势来测量被测部位的氧含量，换算成碳势。
由于氧探头与以往测氧仪表如磁氧分析器、电化学式氧量计、气象色谱仪等相比，具有结构简单，响应时间短，测量范围宽，使用温度高，运行可靠，安装方便，维护量小等优点，因此在冶金、化工、电力、陶瓷、汽车、环保等工业部门得到广泛的应用。
氧探头是利用氧化锆陶瓷敏感元件来测量各类应用环境下的氧含量的，通过它以求实现工业加热炉燃烧过程自动控制，以及热处理可控气氛炉对零件的质量控制。
1.氧探头内阻的定义和测试条件
氧探头主要由ZrO2组成，为固体电解质是离子导电体，它是通过晶格内的氧离子空位来实现导电的，ZrO2的离子导电就是通过ZrO2内的氧离子的迁移来实现的。
在常温下，氧探头相当于开路状态，其内阻为无穷大，没有意义，因此，一般把氧探头工作状态下的内阻或阻抗定义为氧探头的内阻，也称为氧探头的动态电阻。
动态电阻测量需要仪器测量速度足够快捷，另外需要测量仪器能够保存测量值，否则电阻测量出来也是稍纵即逝，无法读出来。
另外，动态电阻可能与电压电流有关，万用表不可以在线进行测量。
基于上述原因，不能简单地用万用表测量动态电阻。
但可以经过合适的电路设计使用数字万用表和标准电阻，通过测量开路电压和回路电压，计算出氧探头的内阻。
氧探头内阻的测试有两个基本条件，一是温度，炉温低于600℃一般氧探头不工作，通常在800℃以上进行才进行内阻测试；二是气氛，炉内气氛浓度不稳定，变化较快，氧探头的输出电势波动，内阻测不准，因此，内阻测试需要一个稳定的浓度气氛环境。
2.设备选择
（1）选择5位半以上的数字多用表，如HP34401A。
（2）标准电阻、精密电阻或电阻箱，选择电阻值10kΩ。
（3）测试导线四根。
其中两根用于将标准电阻连接到氧探头测试回路中；另外两根用于数字表测试。
选用或制作合适的测试线，以方便连接和测试。
（4）电源。
如果需要长期跟踪氧探头的测试，最好在控制柜中安装一个电源插座，方便每次的测试。
3.能斯特公式
5.测试过程
（1）进入现场时，按要求穿戴劳保用品，防止烫伤、高空坠物。
（2）观察可控气氛炉碳势控制系统的控制仪表，看其工作是否正常。
（3）观察氧探头位置，选择合适的凳子或梯子。
（4）打开氧探头的接线盒，并观察氧探头的接线端子，选择找到氧探头的氧电势接线端子。
（5）选择测试时机，一要待炉内碳势稳定在某一示值20分钟以上，二要注意尽量不要让氧探头参比空气的进气口有强烈的空气扰动。
（6）用数字多用表，如HP34401A，选择其直流电压0～10伏档或自动档，将数字多用表的红黑表笔分别与氧探头的氧电势接线端子连接，待数值稳定后，读取氧探头输出的开路的电压E，测量三次，保留四至五位有效数字。
（7）用数字多用表，如HP34401A，选择其直流电压0～10伏档或自动档，
并在红黑表笔之间并联一个电阻值为10kΩ的标准电阻或精密电阻，再将数字多用表的红黑表笔分别与氧探头的氧电势接线端子连接，待数值稳定后，读取氧探头输出的回路的电压E，测量三次，保留四至五位有效数字。
（8）用E和E的平均值带入公式（3）计算出氧探头的动态内阻，保留四位有效数字。
（9）在测试过程应及时、认真填写好记录。
（10）测试完毕后，将氧探头的接线盒安装回原位，将现场恢复到原貌。
（11）为了提高测试数据的准确性，如果现场设备仪表允许，可在测试前，将氧探头的氧电势接线端子的一端与碳控仪表断开，再进行相应的测试。
测试完成后恢复连接。
6.注意事项
（1）氧探头比较娇贵，在测试过程中一定要轻手轻脚，用力要柔和，不可用力过猛。
（2）由于工作状态下氧探头相当于一个电池，因此严禁用数字多用表的直流电阻档直接测试氧探头的动态内阻，防止损坏仪表。
（3）氧探头接线盒中一般有四个接线端子，两个为热电偶的输出端子，两个为氧电势的输出端子。
热电偶输出为零到几十毫伏，氧电势输出一般能到1伏左右，注意区分。
（4）在测试过程中，一要待炉内碳势稳定在某一示值，二要注意尽量不要让氧探头参比空气的进气口有强烈的空气扰动。
（5）每次测试完毕，要将氧探头的接线盒安装回原位，防止灰尘进入影响氧探头正常工作。
（6）测试时，一定要保证所使用的计量器具，如数字多用表，标准电阻等有证书，可溯源，满足测试需要。
7.结论
本文提出的氧探头内阻测量方法，是在氧探头稳定的工作状态下，用数字多用表先测试出氧探头的开路电压，再在回路中串联一个标准电阻，然后再测试氧探头的回路电压，通过公式计算出氧探头的内阻，即氧探头的动态电阻。
[科]
【参考文献】
[1]熊炳昆，林振汉等.二氧化锆制备工艺与应用[M].冶金工业出版社，2008.
[2]才鸿年，马建平等.现代热处理手册[M].化学工业出版社，2010.
[3]唐殿福，卯石刚等.钢的化学热处理[M].辽宁科学技术出版社，2009.
[4]国防科工局科技与质量司编著，电磁学计量[M].原子能出版社，2009.。