氧气计原理

氧气计原理

氧气计的两个主要工作原理是“原电池系统”和“氧化锆固体电解质系统”。此外，还有“磁性型”和“波长可调谐半导体激光分光型”。

1. 原电池类型

图 2.原电池氧气计示意图

它由树脂隔膜、金（Au）电极、铅（Pb）电极和允许外部氧气通过的电解液（氢氧化钾水溶液）组成。每个电极上都会发生以下反应。

• 阳极：Pb + 2OH - → Pb 2+ +H2O + 2e -
• 阴极：O2 + 2H2O + 4e - → 4H2O

阳极发射的电子到达阴极，从空气中获取的氧气吸收阳极发射的电子。由于该电子流（电流）与氧浓度成正比，因此可以通过测量电流来测量氧浓度。由于该反应是自发发生的，因此不需要电源来驱动传感器。

2.氧化锆固体电解质法

图3 氧化锆固体电解质氧计示意图

该方法使用氧化锆电池，利用氧化锆在500°C或更高的高温下表现出固体电解质特性的事实。

氧化锆具有能够传导固体中的负氧离子（O 2 - ）的性质，将离子从高氧浓度的气体（空气中）传导到低氧浓度的气氛（工业炉中、 ETC。）。

通过该离子传导产生电位差，在O 2高浓度侧和O 2低浓度侧分别设置电极，从而产生电动势。它们就像电池的正极和负极。

• O 2高浓度侧：O 2 + 4e - → 2O 2 -
• O2低浓度侧：2O2- → O2 + 4e-

由于电极之间产生的电动势遵循能斯特方程（见下文），因此可以确定每个电极处的氧分压。

• E=(RT/4F) ln(PA/PB)
• （R：气体常数、T：温度、F：法拉第常数、PA：高浓度侧氧分压（大气）、PB：低浓度侧氧分压）

温度通过连接到氧化锆的热电偶测量。

在大约 400°C 或更低的气氛中，通过采样管将目标气体引入装置中，并用铂加热器将氧化锆池加热到指定温度（采样法）。这是因为氧化锆需要500℃或更高的温度才能发挥固体电解质的作用。