深入淺出氧氣檢測分析之中產(chǎn)金領(lǐng)電化學(xué)法
發(fā)布時間：2019-07-15瀏覽次數(shù)：1641返回列表
氧化鋯氧傳感器作為固態(tài)電化學(xué)氧傳感器的一種，由于使用為廣泛，一般單獨(dú)列為一類，而將原位電池型和電解電池型等液態(tài)電解池氧傳感器統(tǒng)稱為電化學(xué)氧傳感器。
電化學(xué)氧傳感器由于靈敏度高、成本低等，廣泛用于環(huán)境監(jiān)測、過程監(jiān)測等等領(lǐng)域，特別是在微量氧檢測中具有無可替代的地位，是除氧化鋯氧傳感器以外應(yīng)用zui廣泛的氧檢測方法。
一、電化學(xué)氧傳感器基礎(chǔ)原理
原位電池法氧傳感器是一種經(jīng)典氧氣檢測方法，基本原理如圖1所示。氧氣通過透氣孔到達(dá)透氣膜，透氣膜上有毛細(xì)擴(kuò)散孔，氧氣通過毛細(xì)擴(kuò)散孔進(jìn)入傳感器內(nèi)部，在陰電（如銀電）的催化作用下中發(fā)生反應(yīng)：O2+2H2O+4e-—>4OH-。氫氧根離子在電解液中到達(dá)陽電(如鉛電)，在陽電上發(fā)生反應(yīng)：2Pb+ 4OH-—>2Pb(OH)2 + 4e-。兩個接線柱分別接到陰和陽上，產(chǎn)生電流，且電流的大小與氧氣的濃度的成正比。
在電解池中，作為陰的對電本身會發(fā)生化，電勢不穩(wěn)定，為改善電化學(xué)傳感器性能，一般還會因引入?yún)⒖茧姡瑯?gòu)成三電測量體系。
基于電解電池的方法不同于原位電池方法，該方法在陰與陽之間增加了一個電壓，如圖2所示。在該電壓與催化劑作用下，氧氣與電解液接觸結(jié)合形成氫氧根離子，并且每個氧分子釋放出4個電子。到達(dá)正后，接觸正后，在正催化劑的作用下，該離子又還原成水和氧分子，同時每個氧分子吸收 4個電子，形成電流。由于此傳感器不消耗陽，因此只要定期添加蒸餾水，即可保持較長的使用壽命。
二、電化學(xué)氧傳感器
電化學(xué)原理的氧氣檢測儀器的主要表現(xiàn)在靈敏度高、成本低。
（1）靈敏度高
電化學(xué)氧傳感器可以對0~濃度范圍的氧氣進(jìn)行測量，特別是對ppm級氧氣測量方面有無可替代的，可以測量ppm甚至ppb級的氧氣。目前低于10ppm的氧氣監(jiān)測，除了電化學(xué)方法外，還沒有可行的技術(shù)手段。
（2）成本低
相對順磁、激光光譜等基于物理的方法，電化學(xué)方法有著較為明顯的成本，一般在數(shù)百至數(shù)千元之間，即使實(shí)現(xiàn)ppm級的微量氧傳感器也只不過千元左右的價格，這使得電化學(xué)氧傳感器具有較強(qiáng)的成本競爭力。
綜合以上兩點(diǎn)，電化學(xué)氧氣監(jiān)測技術(shù)在現(xiàn)階段以及相當(dāng)長的一段時間內(nèi)仍會具有相當(dāng)強(qiáng)的競爭力。
三、電化學(xué)氧傳感器不足
電化學(xué)氧傳感器不足主要表現(xiàn)在壽命較短、受環(huán)境影響大、零點(diǎn)漂移大幾個方面。
（1）壽命較短
從電化學(xué)氧傳感器基本原理可以知道，原位電池式工作過程中陽的鉛會被消耗，因此該類傳感器的壽命較短，特別是氧氣傳感器保存不當(dāng)時，暴露在空氣中，會形成自然消耗。
此外，當(dāng)隔離膜材料選擇、密封等存在問題時，內(nèi)部電解液會因泄漏和蒸發(fā)等原因流失，造成傳感器壽命短。當(dāng)用于工業(yè)過程監(jiān)測時，由于背景氣中可能含有酸性或者堿性氣體，會影響整個電化學(xué)過程，也會降低使用壽命。因此原位電池氧傳感器的研制改進(jìn)主要在隔離膜材料、電材料、密封性、電解液選擇等方面。
（2）受環(huán)境影響大
溫度、濕度和氣壓的波動都會對氧傳感器性能的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響。溫度的變化會對透氧膜的的透氧率產(chǎn)生影響，從而影響擴(kuò)散電流。用熱敏電阻來補(bǔ)償可以抵償一部分溫度波動而產(chǎn)生的偏差，使之變?yōu)樵瓉淼囊?。表面粘附水氣力?qiáng)的透氣膜,其透氧量隨濕度升高而減少，氧傳感器性能降低,所以選擇氧傳感器的透氣膜時,應(yīng)選擇對水氣的粘附力不強(qiáng)，對水氣的粘附性也較穩(wěn)定的透氣膜。大氣壓波動會同步地引起傳感器性能波動。目前許多正在研究消除大氣壓波動對氧傳感器性能影響的方法。其方法之一是利用池壁來安裝壓力緩沖器。這種壓力緩沖器實(shí)質(zhì)上是一張不透氣的膜,利用這張膜的緩沖性來減少大氣壓波動對氧傳感器性能的影響。
（3）零點(diǎn)漂移大
當(dāng)氣樣的含氧量為零時，傳感器的擴(kuò)散電流并不為零，這個電流稱之為殘余電流或漏電流。在傳感器為新的，電解液純潔時很小可以忽略。但隨著使用過程傳感器被雜質(zhì)的污染及酸堿度的變化逐漸變大，這將對儀表的測量精度造成影響。
電化學(xué)氧傳感器由于靈敏度高、成本低等，廣泛用于環(huán)境監(jiān)測、過程監(jiān)測等等領(lǐng)域，特別是在微量氧檢測中具有無可替代的地位，是除氧化鋯氧傳感器以外應(yīng)用zui廣泛的氧檢測方法。
一、電化學(xué)氧傳感器基礎(chǔ)原理
原位電池法氧傳感器是一種經(jīng)典氧氣檢測方法，基本原理如圖1所示。氧氣通過透氣孔到達(dá)透氣膜，透氣膜上有毛細(xì)擴(kuò)散孔，氧氣通過毛細(xì)擴(kuò)散孔進(jìn)入傳感器內(nèi)部，在陰電（如銀電）的催化作用下中發(fā)生反應(yīng)：O2+2H2O+4e-—>4OH-。氫氧根離子在電解液中到達(dá)陽電(如鉛電)，在陽電上發(fā)生反應(yīng)：2Pb+ 4OH-—>2Pb(OH)2 + 4e-。兩個接線柱分別接到陰和陽上，產(chǎn)生電流，且電流的大小與氧氣的濃度的成正比。
在電解池中，作為陰的對電本身會發(fā)生化，電勢不穩(wěn)定，為改善電化學(xué)傳感器性能，一般還會因引入?yún)⒖茧姡瑯?gòu)成三電測量體系。
基于電解電池的方法不同于原位電池方法，該方法在陰與陽之間增加了一個電壓，如圖2所示。在該電壓與催化劑作用下，氧氣與電解液接觸結(jié)合形成氫氧根離子，并且每個氧分子釋放出4個電子。到達(dá)正后，接觸正后，在正催化劑的作用下，該離子又還原成水和氧分子，同時每個氧分子吸收 4個電子，形成電流。由于此傳感器不消耗陽，因此只要定期添加蒸餾水，即可保持較長的使用壽命。
二、電化學(xué)氧傳感器
電化學(xué)原理的氧氣檢測儀器的主要表現(xiàn)在靈敏度高、成本低。
（1）靈敏度高
電化學(xué)氧傳感器可以對0~濃度范圍的氧氣進(jìn)行測量，特別是對ppm級氧氣測量方面有無可替代的，可以測量ppm甚至ppb級的氧氣。目前低于10ppm的氧氣監(jiān)測，除了電化學(xué)方法外，還沒有可行的技術(shù)手段。
（2）成本低
相對順磁、激光光譜等基于物理的方法，電化學(xué)方法有著較為明顯的成本，一般在數(shù)百至數(shù)千元之間，即使實(shí)現(xiàn)ppm級的微量氧傳感器也只不過千元左右的價格，這使得電化學(xué)氧傳感器具有較強(qiáng)的成本競爭力。
綜合以上兩點(diǎn)，電化學(xué)氧氣監(jiān)測技術(shù)在現(xiàn)階段以及相當(dāng)長的一段時間內(nèi)仍會具有相當(dāng)強(qiáng)的競爭力。
三、電化學(xué)氧傳感器不足
電化學(xué)氧傳感器不足主要表現(xiàn)在壽命較短、受環(huán)境影響大、零點(diǎn)漂移大幾個方面。
（1）壽命較短
從電化學(xué)氧傳感器基本原理可以知道，原位電池式工作過程中陽的鉛會被消耗，因此該類傳感器的壽命較短，特別是氧氣傳感器保存不當(dāng)時，暴露在空氣中，會形成自然消耗。
此外，當(dāng)隔離膜材料選擇、密封等存在問題時，內(nèi)部電解液會因泄漏和蒸發(fā)等原因流失，造成傳感器壽命短。當(dāng)用于工業(yè)過程監(jiān)測時，由于背景氣中可能含有酸性或者堿性氣體，會影響整個電化學(xué)過程，也會降低使用壽命。因此原位電池氧傳感器的研制改進(jìn)主要在隔離膜材料、電材料、密封性、電解液選擇等方面。
（2）受環(huán)境影響大
溫度、濕度和氣壓的波動都會對氧傳感器性能的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響。溫度的變化會對透氧膜的的透氧率產(chǎn)生影響，從而影響擴(kuò)散電流。用熱敏電阻來補(bǔ)償可以抵償一部分溫度波動而產(chǎn)生的偏差，使之變?yōu)樵瓉淼囊?。表面粘附水氣力?qiáng)的透氣膜,其透氧量隨濕度升高而減少，氧傳感器性能降低,所以選擇氧傳感器的透氣膜時,應(yīng)選擇對水氣的粘附力不強(qiáng)，對水氣的粘附性也較穩(wěn)定的透氣膜。大氣壓波動會同步地引起傳感器性能波動。目前許多正在研究消除大氣壓波動對氧傳感器性能影響的方法。其方法之一是利用池壁來安裝壓力緩沖器。這種壓力緩沖器實(shí)質(zhì)上是一張不透氣的膜,利用這張膜的緩沖性來減少大氣壓波動對氧傳感器性能的影響。
（3）零點(diǎn)漂移大
當(dāng)氣樣的含氧量為零時，傳感器的擴(kuò)散電流并不為零，這個電流稱之為殘余電流或漏電流。在傳感器為新的，電解液純潔時很小可以忽略。但隨著使用過程傳感器被雜質(zhì)的污染及酸堿度的變化逐漸變大，這將對儀表的測量精度造成影響。
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