什么是氧氣計(jì)？

圖1. 氧氣計(jì)概述

氧氣計(jì)是測(cè)量空氣中氧氣濃度的儀器。

也稱為氧傳感器或氧監(jiān)測(cè)儀。氧氣是人類生命必需的物質(zhì)，因此監(jiān)測(cè)環(huán)境中的氧氣濃度極為重要。

此外，在許多情況下，各個(gè)科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域都需要精確的氧氣濃度管理，并且設(shè)備是根據(jù)每種應(yīng)用而制造的。

氧氣儀的使用

氧氣表的用途大致可分為以下兩種。

• 監(jiān)測(cè)（檢測(cè)/監(jiān)測(cè)）氧氣濃度，防止缺氧

• 工業(yè)過(guò)程中的氧氣濃度管理等

缺氧預(yù)防涉及監(jiān)測(cè)氧氣濃度，以維持隧道等封閉空間中的生命。這是因?yàn)椋?dāng)氧氣濃度低于15%時(shí)，人類會(huì)呼吸困難；低于7%時(shí)，大腦功能會(huì)受損；低于4%時(shí)，就會(huì)發(fā)生死亡。設(shè)備有兩種類型：便攜式和壁掛式。

此外，在一些工業(yè)熱處理過(guò)程中，例如化學(xué)工業(yè)、陶瓷和金屬的熱處理過(guò)程中，有必要保持較低的氧濃度。工業(yè)爐中的燃燒過(guò)程還需要監(jiān)測(cè)和控制氧氣濃度，以優(yōu)化燃燒效率和氧化還原過(guò)程。這些工業(yè)氧氣計(jì)需要能夠耐受高溫化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)等惡劣環(huán)境。

氧氣儀原理

氧氣表主要有兩種工作原理：原電池型和氧化鋯固體電解質(zhì)型。其他方法包括“磁性類型"和“可調(diào)諧波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光光譜類型"。

1.原電池類型

圖 2.原電池氧氣計(jì)示意圖

它由允許外界氧氣通過(guò)的樹脂隔膜、金 (Au) 和鉛 (Pb) 電極以及電解質(zhì)（氫氧化鉀水溶液）組成。每個(gè)電極上都會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)。

• 陽(yáng)極：Pb + 2OH ^- → Pb ²⁺ +H2O + 2e ^-

• 陰極：O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- → 4H ₂ O

陽(yáng)極釋放的電子到達(dá)陰極，從空氣中獲取的氧氣捕獲陽(yáng)極釋放的電子。這種電子流（電流）與氧氣濃度成正比，因此可以通過(guò)測(cè)量電流來(lái)測(cè)量氧氣濃度。該反應(yīng)是自發(fā)發(fā)生的，因此不需要電源來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器。

2.氧化鋯固體電解質(zhì)法

圖3 氧化鋯固體電解質(zhì)氧計(jì)示意圖

該方法使用氧化鋯電池，利用氧化鋯在500°C或更高的高溫下表現(xiàn)出固體電解質(zhì)特性的事實(shí)。

氧化鋯在固態(tài)時(shí)具有傳導(dǎo)負(fù)氧離子（O ^₂ - ）的特性，允許離子從高氧濃度的氣體（大氣中）傳導(dǎo)到低氧濃度的氣氛（例如工業(yè)爐內(nèi)） 。

通過(guò)該離子的傳導(dǎo)而產(chǎn)生電位差，在高O ₂濃度側(cè)和低O ₂濃度側(cè)設(shè)置電極，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這種關(guān)系就像電池的正極和負(fù)極一樣。

• O ₂高濃度側(cè)：O ₂ + 4e ^- → 2O ₂ ^-

• O ₂低濃度側(cè)：2O ₂ ^- → O ₂ + 4e ^-

由于電極之間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)遵循能斯特方程（見(jiàn)下文），因此可以確定每個(gè)電極處的氧分壓。

• E=(RT/4F)·ln(PA/PB)

• (R：氣體常數(shù)、T：溫度、F：法拉第常數(shù)、PA：高濃度側(cè)氧分壓(大氣中)、PB：低濃度側(cè)氧分壓)

溫度通過(guò)連接到氧化鋯的熱電偶測(cè)量。

另外，在約400℃以下的氣氛下，通過(guò)取樣管將目標(biāo)氣體導(dǎo)入裝置內(nèi)，使用鉑加熱器等將氧化鋯池加熱至規(guī)定溫度（取樣法）。這是因?yàn)檠趸喰枰?500°C 或更高的溫度才能發(fā)揮固體電解質(zhì)的作用。

如何選擇氧氣儀

旨在防止缺氧的氧氣計(jì)和旨在維持工業(yè)過(guò)程中低氧氣濃度的氧氣計(jì)必須使用不同的產(chǎn)品。

旨在防止缺氧的便攜式和固定式氧氣系統(tǒng)使用原電池，并且這種類型不需要電源來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器。傳感器的使用壽命約為 2 至 3 年。但使用環(huán)境僅限于接近一般環(huán)境的大氣，精度約為±0.5%O2。有些產(chǎn)品是防爆的。

另一方面，氧化鋯產(chǎn)品用于測(cè)量高溫工業(yè)過(guò)程中的氧氣濃度，例如工業(yè)爐中。在700℃以上的氣氛下，采用將傳感器部分直接插入大氣中的直接插入法，在400℃以下的溫度下，采用將爐內(nèi)氣氛氣體吸入的取樣法。與取樣管和氧化鋯池分開加熱的產(chǎn)品是合適的。