深入淺出氧氣檢測分析之中產金領電化學法
發布時間：2019-07-15瀏覽次數：1704返回列表
氧化鋯氧傳感器作為固態電化學氧傳感器的一種，由于使用為廣泛，一般單獨列為一類，而將原位電池型和電解電池型等液態電解池氧傳感器統稱為電化學氧傳感器。
電化學氧傳感器由于靈敏度高、成本低等，廣泛用于環境監測、過程監測等等領域，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用zui廣泛的氧檢測方法。
一、電化學氧傳感器基礎原理
原位電池法氧傳感器是一種經典氧氣檢測方法，基本原理如圖1所示。氧氣通過透氣孔到達透氣膜，透氣膜上有毛細擴散孔，氧氣通過毛細擴散孔進入傳感器內部，在陰電（如銀電）的催化作用下中發生反應：O2+2H2O+4e-—>4OH-。氫氧根離子在電解液中到達陽電(如鉛電)，在陽電上發生反應：2Pb+ 4OH-—>2Pb(OH)2 + 4e-。兩個接線柱分別接到陰和陽上，產生電流，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生化，電勢不穩定，為改善電化學傳感器性能，一般還會因引入參考電，構成三電測量體系。
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合形成氫氧根離子，并且每個氧分子釋放出4個電子。到達正后，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、電化學氧傳感器
電化學原理的氧氣檢測儀器的主要表現在靈敏度高、成本低。
（1）靈敏度高
電化學氧傳感器可以對0~濃度范圍的氧氣進行測量，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的氧氣監測，除了電化學方法外，還沒有可行的技術手段。
（2）成本低
相對順磁、激光光譜等基于物理的方法，電化學方法有著較為明顯的成本，一般在數百至數千元之間，即使實現ppm級的微量氧傳感器也只不過千元左右的價格，這使得電化學氧傳感器具有較強的成本競爭力。
綜合以上兩點，電化學氧氣監測技術在現階段以及相當長的一段時間內仍會具有相當強的競爭力。
三、電化學氧傳感器不足
電化學氧傳感器不足主要表現在壽命較短、受環境影響大、零點漂移大幾個方面。
（1）壽命較短
從電化學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時，暴露在空氣中，會形成自然消耗。
此外，當隔離膜材料選擇、密封等存在問題時，內部電解液會因泄漏和蒸發等原因流失，造成傳感器壽命短。當用于工業過程監測時，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定性產生不同程度的影響。溫度的變化會對透氧膜的的透氧率產生影響，從而影響擴散電流。用熱敏電阻來補償可以抵償一部分溫度波動而產生的偏差，使之變為原來的一。表面粘附水氣力強的透氣膜,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,應選擇對水氣的粘附力不強，對水氣的粘附性也較穩定的透氣膜。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。這種壓力緩沖器實質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）零點漂移大
當氣樣的含氧量為零時，傳感器的擴散電流并不為零，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。
電化學氧傳感器由于靈敏度高、成本低等，廣泛用于環境監測、過程監測等等領域，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用zui廣泛的氧檢測方法。
一、電化學氧傳感器基礎原理
原位電池法氧傳感器是一種經典氧氣檢測方法，基本原理如圖1所示。氧氣通過透氣孔到達透氣膜，透氣膜上有毛細擴散孔，氧氣通過毛細擴散孔進入傳感器內部，在陰電（如銀電）的催化作用下中發生反應：O2+2H2O+4e-—>4OH-。氫氧根離子在電解液中到達陽電(如鉛電)，在陽電上發生反應：2Pb+ 4OH-—>2Pb(OH)2 + 4e-。兩個接線柱分別接到陰和陽上，產生電流，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生化，電勢不穩定，為改善電化學傳感器性能，一般還會因引入參考電，構成三電測量體系。
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合形成氫氧根離子，并且每個氧分子釋放出4個電子。到達正后，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、電化學氧傳感器
電化學原理的氧氣檢測儀器的主要表現在靈敏度高、成本低。
（1）靈敏度高
電化學氧傳感器可以對0~濃度范圍的氧氣進行測量，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的氧氣監測，除了電化學方法外，還沒有可行的技術手段。
（2）成本低
相對順磁、激光光譜等基于物理的方法，電化學方法有著較為明顯的成本，一般在數百至數千元之間，即使實現ppm級的微量氧傳感器也只不過千元左右的價格，這使得電化學氧傳感器具有較強的成本競爭力。
綜合以上兩點，電化學氧氣監測技術在現階段以及相當長的一段時間內仍會具有相當強的競爭力。
三、電化學氧傳感器不足
電化學氧傳感器不足主要表現在壽命較短、受環境影響大、零點漂移大幾個方面。
（1）壽命較短
從電化學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時，暴露在空氣中，會形成自然消耗。
此外，當隔離膜材料選擇、密封等存在問題時，內部電解液會因泄漏和蒸發等原因流失，造成傳感器壽命短。當用于工業過程監測時，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定性產生不同程度的影響。溫度的變化會對透氧膜的的透氧率產生影響，從而影響擴散電流。用熱敏電阻來補償可以抵償一部分溫度波動而產生的偏差，使之變為原來的一。表面粘附水氣力強的透氣膜,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,應選擇對水氣的粘附力不強，對水氣的粘附性也較穩定的透氣膜。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。這種壓力緩沖器實質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）零點漂移大
當氣樣的含氧量為零時，傳感器的擴散電流并不為零，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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