幾種常用的氧氣傳感器原理的簡(jiǎn)介

氧氣分析儀使用幾種類(lèi)型的氧氣傳感器中的一種。隨著工業(yè)過(guò)程應(yīng)用要求提高測(cè)量精度和可重復(fù)性，用戶也要求氣體分析儀極少的維護(hù)和校準(zhǔn)。為此，鼓勵(lì)氧氣分析儀的用戶根據(jù)其預(yù)期應(yīng)用來(lái)評(píng)估特定氧氣傳感器類(lèi)型的優(yōu)點(diǎn)。沒(méi)有一種通用的氧氣傳感器類(lèi)型。

下面提供的各種氣相氧傳感器的概要審查應(yīng)與從氧分析儀制造商收集的信息結(jié)合使用。這種組合將有助于確保為所考慮的應(yīng)用選擇正確的傳感器類(lèi)型。

一、環(huán)境溫度電化學(xué)氧傳感器
環(huán)境溫度電化學(xué)傳感器，通常稱為電流傳感器，通常是一個(gè)小的、部分密封的圓柱形裝置（1-1/4” 直徑 x 0.75” 高度），其中包含兩個(gè)浸入水電解質(zhì)（通常為鉀離子）中的不同電極氫氧化物。當(dāng)氧分子通過(guò)安裝在傳感器一側(cè)的半透膜擴(kuò)散時(shí)，氧分子在陰極被還原，形成帶正電荷的氫氧根離子。氫氧根離子遷移到發(fā)生氧化反應(yīng)的傳感器陽(yáng)極。由此產(chǎn)生的還原/氧化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生與樣品氣體中的氧氣濃度成正比的電流。產(chǎn)生的電流通過(guò)外部電子設(shè)備進(jìn)行測(cè)量和調(diào)節(jié)，并以百分比或百萬(wàn)分之幾的濃度顯示在數(shù)字面板儀表上。隨著機(jī)械設(shè)計(jì)的進(jìn)步、電極材料的改進(jìn)和電解質(zhì)配方的改進(jìn)，原電池式氧傳感器的使用壽命比早期版本更長(zhǎng)，并因其在百分比和痕量氧范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性而受到認(rèn)可。響應(yīng)時(shí)間也得到了改善。環(huán)境溫度電化學(xué)傳感器的一個(gè)主要限制是它們?cè)谂c含有酸性氣體種類(lèi)（如硫化氫、氯化氫、二氧化硫等）的樣品一起使用時(shí)容易損壞。除非在分析前對(duì)有害氣體成分進(jìn)行洗滌，否則它們的存在將縮短傳感器的壽命。電流傳感器也容易受到過(guò)壓的影響。對(duì)于樣品壓力 > 5 psig 的應(yīng)用，通常建議使用壓力調(diào)節(jié)器或控制閥。

二、光學(xué)氧氣傳感器
光學(xué)氧傳感器基于氧的熒光猝滅原理。它們依靠使用光源、光檢測(cè)器和對(duì)光起反應(yīng)的發(fā)光材料。在許多領(lǐng)域，基于發(fā)光的氧氣傳感器正在取代電化學(xué)氧氣傳感器。
分子氧熒光猝滅的原理早已為人所知。一些分子或化合物在暴露于光時(shí)會(huì)發(fā)出熒光（即發(fā)射光能）。然而，如果存在氧分子，光能會(huì)轉(zhuǎn)移到氧分子，從而產(chǎn)生較少的熒光。通過(guò)使用已知光源，檢測(cè)到的光能量與樣品中氧分子的數(shù)量成反比。因此，檢測(cè)到的熒光越少，樣氣中必須存在越多的氧分子。
在某些傳感器中，熒光在已知的時(shí)間間隔內(nèi)檢測(cè)兩次。不是測(cè)量總熒光，而是測(cè)量熒光隨時(shí)間的下降（即熒光猝滅）。這種基于衰減的時(shí)間方法允許更簡(jiǎn)單的傳感器設(shè)計(jì)。
管道式熒光氧傳感器LOX-02-F是一種利用氧的熒光猝滅來(lái)測(cè)量環(huán)境氧氣水平的傳感器。雖然它與傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器具有相同的柱狀結(jié)構(gòu)、4系大小，但它不吸收氧氣，并且具有壽命更長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)（5年）。這使得它對(duì)于諸如房間氧氣耗盡安全警報(bào)之類(lèi)的設(shè)備非常有用，這些設(shè)備可以監(jiān)控室內(nèi)空氣中儲(chǔ)存的壓縮氣體中氧氣含量的突然下降。

三、氧化鋯氧氣傳感器
氧化鋯氧氣傳感器是一種類(lèi)似電化學(xué)方式的氧傳感器。二氧化鋯涂有一層薄薄的鉑金電極，在高溫（＞650?C），穩(wěn)定的氧化鋯（ZrO2?）表現(xiàn)出兩種機(jī)制：
1、ZrO2 部分離解，產(chǎn)生移動(dòng)的氧離子，因而形成一種氧氣的固態(tài)電解質(zhì)。氧化鋯盤(pán)覆有與恒定DC電流相連的通透電極，使環(huán)境中的氧離子能夠穿過(guò)這種材料，進(jìn)而在陽(yáng)極釋放一定量的且與輸送電荷（電化學(xué)泵吸）成正比的氧氣。
2、電解質(zhì)兩端的兩種不同離子濃度將產(chǎn)生一種電位，又稱為能斯特電壓。電壓大小與兩種不同離子濃度比例的自然對(duì)數(shù)成正比。

SST利用這兩個(gè)特性，制作了雙氧化鋯原理的氧化鋯氧氣傳感器，螺紋型氧化鋯氧氣傳感器O2S-FR-T2-18BM-C測(cè)量0.2-300Kpa的氧氣分壓，也就能測(cè)量0-100%Vol氧濃度（在一個(gè)大氣壓下）、準(zhǔn)確和可靠性高?？梢蕴峁└鞣N屬性：結(jié)構(gòu)小,測(cè)量范圍寬且精度高,線性輸出信號(hào),堅(jiān)固的不銹鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部,可以直接使用在高溫和高壓環(huán)境中,高耐腐蝕性使的傳感器可以用于惡劣的環(huán)境和燃燒煙道或堆肥的應(yīng)用程序氣流中，不需要參考?xì)怏w創(chuàng)建的能力來(lái)衡量一個(gè)寬氧范圍與所有版本的產(chǎn)品，非常簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)，壽命長(zhǎng)達(dá)10年，可以提高效率和減少排放燃燒應(yīng)用。
四、順磁氧傳感器
在這一類(lèi)別中，磁動(dòng)力或“啞鈴”類(lèi)型的設(shè)計(jì)是主要的傳感器類(lèi)型。與其他氣體（例如氮?dú)?、氦氣、氬氣等）相比，氧氣具有相?duì)較高的磁化率，并表現(xiàn)出順磁行為。順磁氧傳感器由一個(gè)圓柱形容器組成，容器內(nèi)裝有一個(gè)小玻璃啞鈴。啞鈴內(nèi)充滿惰性氣體（如氮?dú)猓┎腋≡诶o的鉑絲上，置于非均勻磁場(chǎng)中。啞鈴被設(shè)計(jì)成可以自由移動(dòng)，因?yàn)樗鼞覓煸阡摻z上。當(dāng)含有氧氣的樣氣通過(guò)傳感器進(jìn)行處理時(shí)，氧分子會(huì)被兩個(gè)磁場(chǎng)中的強(qiáng)者吸引。這會(huì)導(dǎo)致啞鈴的位移，從而導(dǎo)致啞鈴旋轉(zhuǎn)。由光源、光電二極管和放大電路組成的精密光學(xué)系統(tǒng)用于測(cè)量啞鈴的旋轉(zhuǎn)角度。在一些順磁氧傳感器設(shè)計(jì)中，施加相反的電流以將啞鈴恢復(fù)到其正常位置。將啞鈴維持在正常狀態(tài)所需的電流與氧氣分壓成正比，并以氧氣百分比表示。存在與磁動(dòng)力順磁氧傳感器的各個(gè)制造商相關(guān)的設(shè)計(jì)變化。此外，還開(kāi)發(fā)了其他類(lèi)型的傳感器，它們利用氧氣對(duì)磁場(chǎng)的敏感性，包括熱磁或“磁風(fēng)”類(lèi)型和磁氣動(dòng)傳感器。磁動(dòng)力傳感器非常精密并且對(duì)振動(dòng)和/或位置敏感。由于測(cè)量靈敏度的損失，通常不建議將順磁氧傳感器用于痕量氧測(cè)量。

五、極譜氧傳感器
極譜氧傳感器通常被稱為克拉克電池 [JL Clark (1822-1898)]。在這種類(lèi)型的傳感器中，陽(yáng)極（通常是銀）和陰極（通常是金）都浸入氯化鉀的水性電解質(zhì)中。電極通過(guò)半透膜與樣品隔開(kāi)，該膜提供了將氧氣擴(kuò)散到傳感器中的機(jī)制。銀陽(yáng)極相對(duì)于金陰極通常保持在 0.8V（極化電壓）的電位。根據(jù)法拉第定律，分子氧以電化學(xué)方式消耗，伴隨著與氧濃度成正比的電流。傳感器產(chǎn)生的電流輸出被測(cè)量并以電子方式放大，以提供氧氣百分比測(cè)量值。極譜氧傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是在不工作時(shí)，不會(huì)消耗電極（陽(yáng)極）。存儲(chǔ)時(shí)間幾乎是無(wú)限的。與電流氧傳感器類(lèi)似，它們對(duì)位置不敏感。由于極譜氧傳感器的獨(dú)特設(shè)計(jì)，它是液體溶解氧測(cè)量的傳感器。對(duì)于氣相氧測(cè)量，極譜氧傳感器適用于百分比水平氧測(cè)量。相對(duì)較高的傳感器更換頻率是另一個(gè)潛在的缺點(diǎn)，維護(hù)傳感器膜和電解質(zhì)的問(wèn)題也是如此。由于極譜氧傳感器的獨(dú)特設(shè)計(jì)，它是液體溶解氧測(cè)量的傳感器。對(duì)于氣相氧測(cè)量，極譜氧傳感器適用于百分比水平氧測(cè)量。

審核編輯：符乾江