SANKO山高研究所 氧气计的原理

氧气计的两大主要工作原理是“电化学电池式”和“氧化锆固体电解质式”。其他类型包括“磁性式”和“可调谐半导体激光光谱式”。

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°C 以上的高温下表现出固体电解质特性这一事实，并采用氧化锆电池。

氧化锆具有在固态下传导负氧离子（ O²⁻）的特性，使得离子能够从氧浓度高的气体（如大气）传导到氧浓度低的气体（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：高浓度侧（大气中）氧气分压，PB：低浓度侧氧气分压）

使用连接在氧化锆上的热电偶测量温度。

在通常低于 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（取样方法）。这是因为氧化锆需要高于 500°C 的温度才能作为固体电解质发挥作用。