深入淺出氧氣檢測(cè)分析之中產(chǎn)金領(lǐng)電化學(xué)法
發(fā)布時(shí)間：2019-07-15瀏覽次數(shù)：1616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(cè)、過(guò)程監(jiān)測(cè)等等領(lǐng)域，特別是在微量氧檢測(cè)中具有無(wú)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(cè)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(cè)方法，基本原理如圖1所示。氧氣通過(guò)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(guò)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(yáng)電(如鉛電)，在陽(yáng)電上發(fā)生反應(yīng)：2Pb+ 4OH-—>2Pb(OH)2 + 4e-。兩個(gè)接線柱分別接到陰和陽(yáng)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(duì)電本身會(huì)發(fā)生化，電勢(shì)不穩(wěn)定，為改善電化學(xué)傳感器性能，一般還會(huì)因引入?yún)⒖茧?，?gòu)成三電測(cè)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(yáng)之間增加了一個(gè)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(gè)氧分子釋放出4個(gè)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(shí)每個(gè)氧分子吸收 4個(gè)電子，形成電流。由于此傳感器不消耗陽(yáng)，因此只要定期添加蒸餾水，即可保持較長(zhǎng)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(cè)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(duì)0~濃度范圍的氧氣進(jìn)行測(cè)量，特別是對(duì)ppm級(jí)氧氣測(cè)量方面有無(wú)可替代的，可以測(cè)量ppm甚至ppb級(jí)的氧氣。目前低于10ppm的氧氣監(jiān)測(cè)，除了電化學(xué)方法外，還沒(méi)有可行的技術(shù)手段。
（2）成本低
相對(duì)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(jí)的微量氧傳感器也只不過(guò)千元左右的價(jià)格，這使得電化學(xué)氧傳感器具有較強(qiáng)的成本競(jìng)爭(zhēng)力。
綜合以上兩點(diǎn)，電化學(xué)氧氣監(jiān)測(cè)技術(shù)在現(xiàn)階段以及相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍會(huì)具有相當(dāng)強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)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(gè)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(guò)程中陽(yáng)的鉛會(huì)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(shí)，暴露在空氣中，會(huì)形成自然消耗。
此外，當(dāng)隔離膜材料選擇、密封等存在問(wèn)題時(shí)，內(nèi)部電解液會(huì)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(guò)程監(jiān)測(cè)時(shí)，由于背景氣中可能含有酸性或者堿性氣體，會(huì)影響整個(gè)電化學(xué)過(guò)程，也會(huì)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(dòng)都會(huì)對(duì)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(huì)對(duì)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(lái)補(bǔ)償可以抵償一部分溫度波動(dòng)而產(chǎn)生的偏差，使之變?yōu)樵瓉?lái)的一。表面粘附水氣力強(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(shí),應(yīng)選擇對(duì)水氣的粘附力不強(qiáng)，對(duì)水氣的粘附性也較穩(wěn)定的透氣膜。大氣壓波動(dòng)會(huì)同步地引起傳感器性能波動(dòng)。目前許多正在研究消除大氣壓波動(dòng)對(duì)氧傳感器性能影響的方法。其方法之一是利用池壁來(lái)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(lái)減少大氣壓波動(dòng)對(duì)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(shí)，傳感器的擴(kuò)散電流并不為零，這個(gè)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(shí)很小可以忽略。但隨著使用過(guò)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(duì)儀表的測(cè)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(cè)、過(guò)程監(jiān)測(cè)等等領(lǐng)域，特別是在微量氧檢測(cè)中具有無(wú)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(cè)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(cè)方法，基本原理如圖1所示。氧氣通過(guò)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(guò)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(yáng)電(如鉛電)，在陽(yáng)電上發(fā)生反應(yīng)：2Pb+ 4OH-—>2Pb(OH)2 + 4e-。兩個(gè)接線柱分別接到陰和陽(yáng)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(duì)電本身會(huì)發(fā)生化，電勢(shì)不穩(wěn)定，為改善電化學(xué)傳感器性能，一般還會(huì)因引入?yún)⒖茧?，?gòu)成三電測(cè)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(yáng)之間增加了一個(gè)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(gè)氧分子釋放出4個(gè)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(shí)每個(gè)氧分子吸收 4個(gè)電子，形成電流。由于此傳感器不消耗陽(yáng)，因此只要定期添加蒸餾水，即可保持較長(zhǎng)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(cè)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(duì)0~濃度范圍的氧氣進(jìn)行測(cè)量，特別是對(duì)ppm級(jí)氧氣測(cè)量方面有無(wú)可替代的，可以測(cè)量ppm甚至ppb級(jí)的氧氣。目前低于10ppm的氧氣監(jiān)測(cè)，除了電化學(xué)方法外，還沒(méi)有可行的技術(shù)手段。
（2）成本低
相對(duì)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(jí)的微量氧傳感器也只不過(guò)千元左右的價(jià)格，這使得電化學(xué)氧傳感器具有較強(qiáng)的成本競(jìng)爭(zhēng)力。
綜合以上兩點(diǎn)，電化學(xué)氧氣監(jiān)測(cè)技術(shù)在現(xiàn)階段以及相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍會(huì)具有相當(dāng)強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)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(gè)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(guò)程中陽(yáng)的鉛會(huì)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(shí)，暴露在空氣中，會(huì)形成自然消耗。
此外，當(dāng)隔離膜材料選擇、密封等存在問(wèn)題時(shí)，內(nèi)部電解液會(huì)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(guò)程監(jiān)測(cè)時(shí)，由于背景氣中可能含有酸性或者堿性氣體，會(huì)影響整個(gè)電化學(xué)過(guò)程，也會(huì)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(dòng)都會(huì)對(duì)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(huì)對(duì)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(lái)補(bǔ)償可以抵償一部分溫度波動(dòng)而產(chǎn)生的偏差，使之變?yōu)樵瓉?lái)的一。表面粘附水氣力強(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(shí),應(yīng)選擇對(duì)水氣的粘附力不強(qiáng)，對(duì)水氣的粘附性也較穩(wěn)定的透氣膜。大氣壓波動(dòng)會(huì)同步地引起傳感器性能波動(dòng)。目前許多正在研究消除大氣壓波動(dòng)對(duì)氧傳感器性能影響的方法。其方法之一是利用池壁來(lái)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(lái)減少大氣壓波動(dòng)對(duì)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(shí)，傳感器的擴(kuò)散電流并不為零，這個(gè)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(shí)很小可以忽略。但隨著使用過(guò)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(duì)儀表的測(cè)量精度造成影響。
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