几种常用的氧气传感器原理的简介

上海高传电子科技有限公司 2022-01-10 2986

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氧气分析仪使用几种类型的氧气传感器中的一种。随着工业过程应用要求提高测量精度和可重复性，用户也要求气体分析仪极少的维护和校准。为此，鼓励氧气分析仪的用户根据其预期应用来评估特定氧气传感器类型的优点。没有一种通用的氧气传感器类型。

下面提供的各种气相氧传感器的概要审查应与从氧分析仪制造商收集的信息结合使用。这种组合将有助于确保为所考虑的应用选择正确的传感器类型。

一、环境温度电化学氧传感器
环境温度电化学传感器，通常称为电流传感器，通常是一个小的、部分密封的圆柱形装置（1-1/4” 直径 x 0.75” 高度），其中包含两个浸入水电解质（通常为钾离子）中的不同电极氢氧化物。当氧分子通过安装在传感器一侧的半透膜扩散时，氧分子在阴极被还原，形成带正电荷的氢氧根离子。氢氧根离子迁移到发生氧化反应的传感器阳极。由此产生的还原/氧化反应会产生与样品气体中的氧气浓度成正比的电流。产生的电流通过外部电子设备进行测量和调节，并以百分比或百万分之几的浓度显示在数字面板仪表上。随着机械设计的进步、电极材料的改进和电解质配方的改进，原电池式氧传感器的使用寿命比早期版本更长，并因其在百分比和痕量氧范围内的准确性而受到认可。响应时间也得到了改善。环境温度电化学传感器的一个主要限制是它们在与含有酸性气体种类（如硫化氢、氯化氢、二氧化硫等）的样品一起使用时容易损坏。除非在分析前对有害气体成分进行洗涤，否则它们的存在将缩短传感器的寿命。电流传感器也容易受到过压的影响。对于样品压力 > 5 psig 的应用，通常建议使用压力调节器或控制阀。

二、光学氧气传感器
光学氧传感器基于氧的荧光猝灭原理。它们依靠使用光源、光检测器和对光起反应的发光材料。在许多领域，基于发光的氧气传感器正在取代电化学氧气传感器。
分子氧荧光猝灭的原理早已为人所知。一些分子或化合物在暴露于光时会发出荧光（即发射光能）。然而，如果存在氧分子，光能会转移到氧分子，从而产生较少的荧光。通过使用已知光源，检测到的光能量与样品中氧分子的数量成反比。因此，检测到的荧光越少，样气中必须存在越多的氧分子。
在某些传感器中，荧光在已知的时间间隔内检测两次。不是测量总荧光，而是测量荧光随时间的下降（即荧光猝灭）。这种基于衰减的时间方法允许更简单的传感器设计。
管道式荧光氧传感器LOX-02-F是一种利用氧的荧光猝灭来测量环境氧气水平的传感器。虽然它与传统的电化学传感器具有相同的柱状结构、4系大小，但它不吸收氧气，并且具有寿命更长的优势（5年）。这使得它对于诸如房间氧气耗尽安全警报之类的设备非常有用，这些设备可以监控室内空气中储存的压缩气体中氧气含量的突然下降。

三、氧化锆氧气传感器
氧化锆氧气传感器是一种类似电化学方式的氧传感器。二氧化锆涂有一层薄薄的铂金电极，在高温（＞650⁰C），稳定的氧化锆（ZrO2₂）表现出两种机制：
1、ZrO2 部分离解，产生移动的氧离子，因而形成一种氧气的固态电解质。氧化锆盘覆有与恒定DC电流相连的通透电极，使环境中的氧离子能够穿过这种材料，进而在阳极释放一定量的且与输送电荷（电化学泵吸）成正比的氧气。
2、电解质两端的两种不同离子浓度将产生一种电位，又称为能斯特电压。电压大小与两种不同离子浓度比例的自然对数成正比。

SST利用这两个特性，制作了双氧化锆原理的氧化锆氧气传感器，螺纹型氧化锆氧气传感器O2S-FR-T2-18BM-C测量0.2-300Kpa的氧气分压，也就能测量0-100%Vol氧浓度（在一个大气压下）、准确和可靠性高。可以提供各种属性：结构小,测量范围宽且精度高,线性输出信号,坚固的不锈钢结构内部和外部,可以直接使用在高温和高压环境中,高耐腐蚀性使的传感器可以用于恶劣的环境和燃烧烟道或堆肥的应用程序气流中，不需要参考气体创建的能力来衡量一个宽氧范围与所有版本的产品，非常简单的校准，寿命长达10年，可以提高效率和减少排放燃烧应用。
四、顺磁氧传感器
在这一类别中，磁动力或“哑铃”类型的设计是主要的传感器类型。与其他气体（例如氮气、氦气、氩气等）相比，氧气具有相对较高的磁化率，并表现出顺磁行为。顺磁氧传感器由一个圆柱形容器组成，容器内装有一个小玻璃哑铃。哑铃内充满惰性气体（如氮气）并悬浮在拉紧的铂丝上，置于非均匀磁场中。哑铃被设计成可以自由移动，因为它悬挂在钢丝上。当含有氧气的样气通过传感器进行处理时，氧分子会被两个磁场中的强者吸引。这会导致哑铃的位移，从而导致哑铃旋转。由光源、光电二极管和放大电路组成的精密光学系统用于测量哑铃的旋转角度。在一些顺磁氧传感器设计中，施加相反的电流以将哑铃恢复到其正常位置。将哑铃维持在正常状态所需的电流与氧气分压成正比，并以氧气百分比表示。存在与磁动力顺磁氧传感器的各个制造商相关的设计变化。此外，还开发了其他类型的传感器，它们利用氧气对磁场的敏感性，包括热磁或“磁风”类型和磁气动传感器。磁动力传感器非常精密并且对振动和/或位置敏感。由于测量灵敏度的损失，通常不建议将顺磁氧传感器用于痕量氧测量。

五、极谱氧传感器
极谱氧传感器通常被称为克拉克电池 [JL Clark (1822-1898)]。在这种类型的传感器中，阳极（通常是银）和阴极（通常是金）都浸入氯化钾的水性电解质中。电极通过半透膜与样品隔开，该膜提供了将氧气扩散到传感器中的机制。银阳极相对于金阴极通常保持在 0.8V（极化电压）的电位。根据法拉第定律，分子氧以电化学方式消耗，伴随着与氧浓度成正比的电流。传感器产生的电流输出被测量并以电子方式放大，以提供氧气百分比测量值。极谱氧传感器的优点之一是在不工作时，不会消耗电极（阳极）。存储时间几乎是无限的。与电流氧传感器类似，它们对位置不敏感。由于极谱氧传感器的独特设计，它是液体溶解氧测量的传感器。对于气相氧测量，极谱氧传感器适用于百分比水平氧测量。相对较高的传感器更换频率是另一个潜在的缺点，维护传感器膜和电解质的问题也是如此。由于极谱氧传感器的独特设计，它是液体溶解氧测量的传感器。对于气相氧测量，极谱氧传感器适用于百分比水平氧测量。

审核编辑：符乾江

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