什么是氧气计？氧气仪的使用及类型

什么是氧气计？

图1. 氧气计概述

氧气计是测量空气中氧气浓度的仪器。

也称为氧传感器或氧监测仪。氧气是人类生命必需的物质，因此监测环境中的氧气浓度极为重要。

此外，在许多情况下，各个科学和工业领域都需要精确的氧气浓度管理，并且设备是根据每种应用而制造的。

氧气仪的使用

氧气表的用途大致可分为以下两种。

• 监测（检测/监测）氧气浓度，防止缺氧

• 工业过程中的氧气浓度管理等

缺氧预防涉及监测氧气浓度，以维持隧道等封闭空间中的生命。这是因为，当氧气浓度低于15%时，人类会呼吸困难；低于7%时，大脑功能会受损；低于4%时，就会发生死亡。设备有两种类型：便携式和壁挂式。

此外，在一些工业热处理过程中，例如化学工业、陶瓷和金属的热处理过程中，有必要保持较低的氧浓度。工业炉中的燃烧过程还需要监测和控制氧气浓度，以优化燃烧效率和氧化还原过程。这些工业氧气计需要能够耐受高温化学反应场等恶劣环境。

氧气仪原理

氧气表主要有两种工作原理：原电池型和氧化锆固体电解质型。其他方法包括“磁性类型"和“可调谐波长半导体激光光谱类型"。

1.原电池类型

图 2.原电池氧气计示意图

它由允许外界氧气通过的树脂隔膜、金 (Au) 和铅 (Pb) 电极以及电解质（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：O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- → 4H ₂ O

阳极释放的电子到达阴极，从空气中获取的氧气捕获阳极释放的电子。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。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。

氧化锆在固态时具有传导负氧离子（O ^₂ - ）的特性，允许离子从高氧浓度的气体（大气中）传导到低氧浓度的气氛（例如工业炉内） 。

通过该离子的传导而产生电位差，在高O ₂浓度侧和低O ₂浓度侧设置电极，产生电动势。这种关系就像电池的正极和负极一样。

• O ₂高浓度侧：O ₂ + 4e ^- → 2O ₂ ^-

• O ₂低浓度侧：2O ₂ ^- → O ₂ + 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(大气中)、PB：低浓度侧氧分压)

温度通过连接到氧化锆的热电偶测量。

另外，在约400℃以下的气氛下，通过取样管将目标气体导入装置内，使用铂加热器等将氧化锆池加热至规定温度（取样法）。这是因为氧化锆需要 500°C 或更高的温度才能发挥固体电解质的作用。

如何选择氧气仪

旨在防止缺氧的氧气计和旨在维持工业过程中低氧气浓度的氧气计必须使用不同的产品。

旨在防止缺氧的便携式和固定式氧气系统使用原电池，并且这种类型不需要电源来驱动传感器。传感器的使用寿命约为 2 至 3 年。但使用环境仅限于接近一般环境的大气，精度约为±0.5%O2。有些产品是防爆的。

另一方面，氧化锆产品用于测量高温工业过程中的氧气浓度，例如工业炉中。在700℃以上的气氛下，采用将传感器部分直接插入大气中的直接插入法，在400℃以下的温度下，采用将炉内气氛气体吸入的取样法。与取样管和氧化锆池分开加热的产品是合适的。