SANKO山高研究所 氧气监测原理

氧气监测仪的两大主要工作原理是“电化学电池型”和“氧化锆固体电解质型”。其他类型包括“磁性型”和“可调谐半导体激光光谱型”。

1. 原电池类型

它由允许外部氧气通过的树脂隔膜、金（Au）电极、铅（Pb）电极和电解质（氢氧化钾水溶液）组成。以下反应发生在每个电极上。

阳极：Pb + 2OH⁻ → Pb²⁺ + H₂O + 2e⁻

阴极：O 2 + 2H 2 O + 4e - → 4H 2 O

阳极发射的电子到达阴极，阴极吸收空气中的氧气，氧气吸收阳极发射的电子。由于这种电子流（电流）与氧气浓度成正比，因此可以通过测量电流来测量氧气浓度。由于该反应自发进行，因此无需电源驱动传感器。

2. 氧化锆固体电解质体系

该方法利用氧化锆在500℃以上高温下表现出固体电解质特性，并采用氧化锆电池。氧化锆具有在固态下导电负氧离子（O²⁻）的特性，使得离子能够从高氧浓度气体（空气）传导到低氧浓度环境（例如工业炉内）。

这种离子传导会产生电位差，由于电极分别放置在氧气系统的高浓度侧和低浓度侧，因此会产生电动势。这就像电池的正负极一样。

O₂高浓度侧：O₂ + 4e⁻ → 2O₂⁻

低氧浓度侧：2O₂⁻ → O₂ + 4e⁻

由于电极间产生的电动势符合能斯特方程（见下文），因此可以确定每个电极上的氧分压。

E = (RT/4F) · ln (PA/PB)

（R：气体常数，T：温度，F：法拉第常数，PA：高浓度氧气分压（大气中），PB：低浓度氧气分压）

温度由连接在氧化锆上的热电偶测量。在低于约 400°C 的环境中，目标气体通过取样管引入装置，并使用铂加热器或类似装置将氧化锆池加热至预定温度（取样法）。这是因为氧化锆需要 500°C 或更高的温度才能作为固体电解质发挥作用。

氧气监测仪的类型

工业过程中，为了防止氧气不足和维持低氧气浓度，需要使用不同的氧气测量仪。

1. 氧气监测仪，用于预防缺氧

用于预防缺氧的便携式和固定式氧气系统均采用基于原电池的系统。这种类型的系统无需为传感器单独供电。

该传感器的使用寿命约为2-3年。然而，其适用环境仅限于与一般环境条件类似的条件，且其精度约为±0.5% O2。该设备有便携式和壁挂式两种形式，部分产品还具备防爆功能。

2. 工业用氧气监测器

氧化锆类产品适用于测量高温工业过程中的氧气浓度，例如工业炉。在温度高于 700°C 的环境中，通常使用直接插入式传感器，即将传感器直接插入大气中。

另一方面，对于低于400°C的温度，采用通过取样管吸入炉内气氛气体并单独加热氧化锆样品池的取样方法更为合适。必须根据具体应用进行正确选择。