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深入浅出氧气检测分析之中产金领电化学法
发布时间:2019-07-15 阅读:155
    氧化锆氧传感器作为固态电化学氧传感器的一种,由于使用极为广泛,一般单独列为一类,而将原位电池型和电解电池型等液态电解池氧传感器统称为电化学氧传感器。
    电化学氧传感器由于灵敏度高、成本低等优势,广泛用于环境监测、过程监测等等领域,特别是在微量氧检测中具有无可替代的地位,是除氧化锆氧传感器以外应用zui广泛的氧检测方法。
    一、电化学氧传感器基础原理
    原位电池法氧传感器是一种经典氧气检测方法,基本原理如图1所示。氧气通过透气孔到达透气膜,透气膜上有毛细扩散孔,氧气通过毛细扩散孔进入传感器内部,在阴极电极(如银电极)的催化作用下中发生反应:O2+2H2O+4e-—>4OH-。氢氧根离子在电解液中到达阳极电极(如铅电极),在阳电极上发生反应:2Pb+ 4OH-—>2Pb(OH)2 + 4e-。两个接线柱分别接到阴极和阳极上,产生电流,且电流的大小与氧气的浓度的成正比。 
    在电解池中,作为阴极的对电极本身会发生极化,电势不稳定,为改善电化学传感器性能,一般还会因引入参考电极,构成三电极测量体系。
    基于电解电池的方法不同于原位电池方法,该方法在阴极与阳极之间增加了一个电压,如图2所示。在该电压与催化剂作用下,氧气与电解液接触结合形成氢氧根离子,并且每个氧分子释放出4个电子。到达正极后,接触正极后,在正极催化剂的作用下,该离子又还原成水和氧分子,同时每个氧分子吸收 4个电子,形成电流。由于此传感器不消耗阳极,因此只要定期添加蒸馏水,即可保持较长的使用寿命。
    二、电化学氧传感器优势
    电化学原理的氧气检测仪器的优势主要表现在灵敏度高、成本低。
    (1)灵敏度高
    电化学氧传感器可以对0~100%浓度范围的氧气进行测量,特别是对ppm级氧气测量方面有无可替代的优势,可以测量ppm甚至ppb级的氧气。目前低于10ppm的氧气监测,除了电化学方法外,还没有更可行的技术手段。
    (2)成本低
    相对顺磁、激光光谱等基于物理的方法,电化学方法有着较为明显的成本优势,一般在数百至数千元之间,即使实现ppm级的微量氧传感器也只不过千元左右的价格,这使得电化学氧传感器具有较强的成本竞争力。
    综合以上两点,电化学氧气监测技术在现阶段以及相当长的一段时间内仍会具有相当强的竞争力。
    三、电化学氧传感器不足
    电化学氧传感器不足主要表现在寿命较短、受环境影响大、零点漂移大几个方面。
    (1)寿命较短
    从电化学氧传感器基本原理可以知道,原位电池式工作过程中阳极的铅会被消耗,因此该类传感器的寿命较短,特别是氧气传感器保存不当时,暴露在空气中,会形成自然消耗。
    此外,当隔离膜材料选择、密封等存在问题时,内部电解液会因泄漏和蒸发等原因流失,造成传感器寿命短。当用于工业过程监测时,由于背景气中可能含有酸性或者碱性气体,会影响整个电化学过程,也会降低使用寿命。因此原位电池氧传感器的研制改进主要在隔离膜材料、电极材料、密封性、电解液选择等方面。
    (2)受环境影响大
    温度、湿度和气压的波动都会对氧传感器性能的稳定性产生不同程度的影响。温度的变化会对透氧膜的的透氧率产生影响,从而影响扩散电流。用热敏电阻来补偿可以抵偿一部分温度波动而产生的偏差,使之变为原来的一。表面粘附水气力强的透气膜,其透氧量随湿度升高而减少,氧传感器性能降低,所以选择氧传感器的透气膜时,应选择对水气的粘附力不强,对水气的粘附性也较稳定的透气膜。大气压波动会同步地引起传感器性能波动。目前许多国家正在研究消除大气压波动对氧传感器性能影响的方法。其方法之一是利用池壁来安装压力缓冲器。这种压力缓冲器实质上是一张不透气的膜,利用这张膜的缓冲性来减少大气压波动对氧传感器性能的影响。
    (3)零点漂移大
    当气样的含氧量为零时,传感器的扩散电流并不为零,这个电流称之为残余电流或漏电流。在传感器为新的,电解液纯洁时很小可以忽略。但随着使用过程传感器被杂质的污染及酸碱度的变化逐渐变大,这将对仪表的测量精度造成影响。











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