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氧传感器的工作原理

对于手套箱来说,用于检测其内部的氧气含量的氧气传感器是一个非常关键的部件,在客 户处安装设备的时候,客户也经常问我关于氧传感器的问题,所以我们很有必要了解其工作原理及检测方法。目前市场上主要有两种传感器,即电化学燃料电池和氧 化锆,这两种传感器的工作原理有很大的差别。

     一.     电化学燃料电池

1.  工作原理

    电化学燃料电池是以氧气作为正极,金属铅作为负极,电解质为氢氧化钾。电解质和金属铅被封装在一个小的圆柱形容器内,开口使用聚四氟乙烯膜封上,氧气可以 通过聚四氟乙烯膜扩散进入电池,当氧气在正极上得到电子而金属铅在负极上失去电子从而产生电流,电流值的大小和氧气浓度成正比。当没有氧气时就没有电流。 因此,电化学燃料电池的零点是准确的,校正时只需要单点校正。正是因为电化学燃料电池的零点准确,所以它非常适合用于微量氧气的分析检测。

    虽然电化学燃料电池含有消耗性材料金属铅,但在手套箱上使用时,由于氧气含量很低,所以不会被消耗完。电池失效主要是由于电解质中的水扩散出聚四氟乙烯薄 膜而使电解质失效,通常寿命为两年。当燃料电池失效使得氧气分析仪检测不准时,用户只需要更换分析仪中的燃料电池即可,其更换费用不到整个分析仪价格的三 分子一。

    电化学燃料电池检测氧气是一个常温下的氧化还原化学过程,因此受少量普通有机溶剂的影响小,但如果气体中含有强氧化性或酸性气体如Cl2,HCl和H2S时,不适合使用电化学燃料电池氧分析仪。

2.  优点

a)   零点准确,不易漂移,只需要单点校正

b)   较强的抗有机溶剂影响的能力

c)   更换费用低,只需要更换燃料电池

3.  缺点

a)   燃料电池长时间与高浓度氧气接触会影响其寿命,电池需要保存在惰性气氛中

b)   不能用于检测高温气体

c)   不能用于检测气体中含有酸性气体和强氧化性气体如Cl2,HCl和H2S

     二.     氧化锆传感器

1.工作原理

    氧化锆传感器的结构是氧化锆膜夹在两个Pt电极之间,在高温下(700℃以上)氧化锆中的氧离子可以自由的移动,可以传导氧离子但不导电。当氧化锆膜两边 的氧浓度不同时,两个电极之间会产生一个电压,电压与氧浓度的对数成正比关系,因此,氧化锆传感器检测的是氧化锆膜两边的氧气浓度差。当要检测一未知气体 中的氧浓度时,氧化锆膜的另一边需要是一个已知氧浓度的气体,即参考气体。普通氧化锆传感器的参考气体均为空气。由此可见,氧化锆传感器更适合检测氧浓度 接近空气的气体。当检测1ppm的气体时,其浓度差超过20万倍,精确检测的难度很大,需要经常校正,最好是在每次检测之前使用标准气标定。

    氧化锆传感器的优点是反应时间快,可以在高温、高压、低压下测量氧气浓度,如锅炉尾气等。暴露在空气中或在空气中储存不会影响其性能,因此操作方便。

    氧化锆传感器的缺点是不适合检测气体中含有在高温下分解或与氧气反应的物质,如有机溶剂和氢气,不适合检测ppm级氧气。氧化锆传感器需要在高温下工作, 当检测气体中含有机溶剂时,有机溶剂会在电极上产生化学变化(分解),从而产生一些问题:1)影响电极性能,造成零点漂移;2)影响传感器寿命;3)在高 温下检测气体中的氧气会与有机物反应而被消耗掉,使得氧气检测的值比实际值低。

    氧化锆传感器在检测过程中不消耗传感器上的材料,从理论上讲,氧化锆传感器的寿命比较长,但是由于在高温下金属电极的金属原子会扩散到氧化锆膜中,使得电绝缘性能下降,从而检测值会有偏差以致传感器失效,一旦失效只能更换整个探头,费用很高。

2.优点

a)   响应时间快

b)   可用于检测高温气体

c)   可以在空气中储存,使用方便

3.缺点

a)   不适合检测含有机溶剂的气体

b)   零点容易漂移,测量ppm级气体时需要经常用标准气标定

c)   只能更换整个探头,更换费用高