什么是氧氣計？氧氣儀的使用及類型

什么是氧氣計？

圖1. 氧氣計概述

氧氣計是測量空氣中氧氣濃度的儀器。

也稱為氧傳感器或氧監測儀。氧氣是人類生命必需的物質，因此監測環境中的氧氣濃度極為重要。

此外，在許多情況下，各個科學和工業領域都需要精確的氧氣濃度管理，并且設備是根據每種應用而制造的。

氧氣儀的使用

氧氣表的用途大致可分為以下兩種。

• 監測（檢測/監測）氧氣濃度，防止缺氧

• 工業過程中的氧氣濃度管理等

缺氧預防涉及監測氧氣濃度，以維持隧道等封閉空間中的生命。這是因為，當氧氣濃度低于15%時，人類會呼吸困難；低于7%時，大腦功能會受損；低于4%時，就會發生死亡。設備有兩種類型：便攜式和壁掛式。

此外，在一些工業熱處理過程中，例如化學工業、陶瓷和金屬的熱處理過程中，有必要保持較低的氧濃度。工業爐中的燃燒過程還需要監測和控制氧氣濃度，以優化燃燒效率和氧化還原過程。這些工業氧氣計需要能夠耐受高溫化學反應場等惡劣環境。

氧氣儀原理

氧氣表主要有兩種工作原理：原電池型和氧化鋯固體電解質型。其他方法包括“磁性類型"和“可調諧波長半導體激光光譜類型"。

1.原電池類型

圖 2.原電池氧氣計示意圖

它由允許外界氧氣通過的樹脂隔膜、金 (Au) 和鉛 (Pb) 電極以及電解質（氫氧化鉀水溶液）組成。每個電極上都會發生以下反應。

• 陽極：Pb + 2OH ^- → Pb ²⁺ +H2O + 2e ^-

• 陰極：O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- → 4H ₂ O

陽極釋放的電子到達陰極，從空氣中獲取的氧氣捕獲陽極釋放的電子。這種電子流（電流）與氧氣濃度成正比，因此可以通過測量電流來測量氧氣濃度。該反應是自發發生的，因此不需要電源來驅動傳感器。

2.氧化鋯固體電解質法

圖3 氧化鋯固體電解質氧計示意圖

該方法使用氧化鋯電池，利用氧化鋯在500°C或更高的高溫下表現出固體電解質特性的事實。

氧化鋯在固態時具有傳導負氧離子（O ^₂ - ）的特性，允許離子從高氧濃度的氣體（大氣中）傳導到低氧濃度的氣氛（例如工業爐內） 。

通過該離子的傳導而產生電位差，在高O ₂濃度側和低O ₂濃度側設置電極，產生電動勢。這種關系就像電池的正極和負極一樣。

• O ₂高濃度側：O ₂ + 4e ^- → 2O ₂ ^-

• O ₂低濃度側：2O ₂ ^- → O ₂ + 4e ^-

由于電極之間產生的電動勢遵循能斯特方程（見下文），因此可以確定每個電極處的氧分壓。

• E=(RT/4F)·ln(PA/PB)

• (R：氣體常數、T：溫度、F：法拉第常數、PA：高濃度側氧分壓(大氣中)、PB：低濃度側氧分壓)

溫度通過連接到氧化鋯的熱電偶測量。

另外，在約400℃以下的氣氛下，通過取樣管將目標氣體導入裝置內，使用鉑加熱器等將氧化鋯池加熱至規定溫度（取樣法）。這是因為氧化鋯需要 500°C 或更高的溫度才能發揮固體電解質的作用。

如何選擇氧氣儀

旨在防止缺氧的氧氣計和旨在維持工業過程中低氧氣濃度的氧氣計必須使用不同的產品。

旨在防止缺氧的便攜式和固定式氧氣系統使用原電池，并且這種類型不需要電源來驅動傳感器。傳感器的使用壽命約為 2 至 3 年。但使用環境僅限于接近一般環境的大氣，精度約為±0.5%O2。有些產品是防爆的。

另一方面，氧化鋯產品用于測量高溫工業過程中的氧氣濃度，例如工業爐中。在700℃以上的氣氛下，采用將傳感器部分直接插入大氣中的直接插入法，在400℃以下的溫度下，采用將爐內氣氛氣體吸入的取樣法。與取樣管和氧化鋯池分開加熱的產品是合適的。