新型氧氣傳感器在節(jié)能減排領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　隨著全球工業(yè)化的發(fā)展，化石能源在大量消耗的同時(shí)，也給環(huán)境帶來(lái)了不小的影響。在國(guó)務(wù)院發(fā)布的《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》中，國(guó)家對(duì)重點(diǎn)行業(yè)、重點(diǎn)領(lǐng)域的節(jié)能減排措施和目標(biāo)進(jìn)行了細(xì)化和量化。在此前提下，與煙氣排放、燃燒效率監(jiān)控相關(guān)的排放監(jiān)測(cè)儀器、儀表市場(chǎng)將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。為適應(yīng)中國(guó)市場(chǎng)的業(yè)務(wù)需求和發(fā)展趨勢(shì)，英國(guó)城市技術(shù)公司于2012年底發(fā)布了一款專(zhuān)為煙氣分析而設(shè)計(jì)的長(zhǎng)效無(wú)鉛氧傳感器——4OXecoLP。

　　傳統(tǒng)含鉛氧氣傳感器

　　傳統(tǒng)用于排放氣體檢測(cè)的氧氣傳感器可認(rèn)為是二電極的金屬-空氣型電池，它由空氣陰極，鉛陽(yáng)極和堿性電解液組成。陰極是涂有活性催化劑的一片聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，陽(yáng)極是一個(gè)鉛塊，它們被包裹在一個(gè)金屬或塑料的密封容器中?？諝馔ㄟ^(guò)頂部的毛細(xì)管進(jìn)入傳感器，陰陽(yáng)極通過(guò)電流收集導(dǎo)線(xiàn)與傳感器的兩個(gè)引腳相連。

　　當(dāng)氧氣到達(dá)工作電極時(shí)，發(fā)生還原反應(yīng)：

　　產(chǎn)生的氫氧根（OH-）通過(guò)電解液到達(dá)鉛電極，鉛電極發(fā)生氧化反應(yīng)：

　　通過(guò)外接一只已知電阻將電流轉(zhuǎn)換成電壓，就可以計(jì)算出氧氣的濃度。

　　含鉛氧氣傳感器雖說(shuō)已經(jīng)有三十多年的歷史，但也存在其局限性：

　　（1）燃燒產(chǎn)物影響使用壽命。燃燒產(chǎn)物一般都含二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOX）和二氧化硫（SO2）等酸性氣體。而傳感器內(nèi)部為堿液，使用時(shí)間長(zhǎng)之后，堿液PH值下降，燃料鉛也會(huì)加速消耗，從而縮短傳感器壽命。

　?。?）不符合無(wú)鉛要求。含鉛的傳感器現(xiàn)在雖有RoHS和WEEE的豁免權(quán)，但無(wú)鉛傳感器將逐漸取代含鉛的傳感器，已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的環(huán)保大趨勢(shì)。

　?。?）重量大，體積大。為延長(zhǎng)傳感器壽命，需要多增加鉛的重量。

　　長(zhǎng)效無(wú)鉛氧氣傳感器技術(shù)特點(diǎn)

　　針對(duì)含鉛氧氣傳感器的缺點(diǎn)，第二代三電極長(zhǎng)壽命無(wú)鉛氧氣傳感器4OXecoLP應(yīng)運(yùn)而生。“eco”意味著“經(jīng)濟(jì)”，而“LP”意思是“低功耗”。

　　首先，從工作原理上看，氧氣在4OXecoLP的工作電極上發(fā)生還原反應(yīng)：

　　然后，在對(duì)電極上，水發(fā)生氧化反應(yīng)并重新生成氧氣：

　　因?yàn)楣ぷ髟淼牟顒e，長(zhǎng)壽命無(wú)鉛氧氣傳感器的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

　?。?）壽命長(zhǎng)。整個(gè)反應(yīng)中，高活性的電極只起到了催化氧化或還原的作用，沒(méi)有任何的消耗，這樣就避免了傳統(tǒng)鉛氧傳感器的陽(yáng)極電極燃料耗盡的問(wèn)題。 4OXecoLP獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極好地控制了傳感器內(nèi)部電解液的揮發(fā)，因此它的使用壽命也大大超過(guò)傳統(tǒng)的氧氣傳感器。在0℃-60℃的溫度范圍及 40%-75%相對(duì)濕度范圍內(nèi)，這款傳感器使用壽命可以超過(guò)5年。

　　（2）抗酸性氣體。4OXecoLP內(nèi)部采用的是酸性電解液，能有效避免天然氣、石油、木材、生物質(zhì)等多類(lèi)型燃料燃燒產(chǎn)生的酸性氣體的干擾，保證傳感器在各種燃料使用環(huán)境中的適用性。

　?。?）重量輕。排放領(lǐng)域用的含鉛氧氣傳感器，例如5FO，重量為44g；而4OXecoLP只有5g，重量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。為研制體積小、重量輕的燃燒效率表提供了必要條件。

　?。?）有認(rèn)證。4OXecoLP已經(jīng)使用在德國(guó)某知名品牌手持儀表中，并獲得了TüV認(rèn)證，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為EN50379-2，而且在質(zhì)保期內(nèi)失效率小于1%。

　?。?）符合RoHS和WEEE要求。4OXecoLP不含鉛，這為儀表通過(guò)RoHS和WEEE認(rèn)證提供了可能。

　?。?）技術(shù)文檔齊全。我們能夠?yàn)橛脩?hù)提供傳感器特性文檔、操作原理和參考電路，為客戶(hù)的應(yīng)用保駕護(hù)航。

　　長(zhǎng)效無(wú)鉛氧氣傳感器

　　三電極氧氣傳感器的應(yīng)用電路和普通帶偏壓的電化學(xué)傳感器基本一致，最大的差別為偏壓的差別。參照?qǐng)D4，電路的具體分析如下：

　?。?）SEN電壓比REF低600mV，精度要求為±10mV。

　　（2）偏壓的提供需要用基準(zhǔn)電壓芯片分壓，并配上合適的濾波電容。

　　（3）運(yùn)放盡量采用軌到軌（RailtoRail）輸入和輸出的精密運(yùn)放。靜態(tài)電流最好能小于10uA，主要是為了延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間。

　?。?）傳感器電流是從SEN往外流，Vout隨氧氣濃度增加而下降。

　　（5）在儀表不使用的時(shí)候，D1、IC1和IC2盡量不要斷電，因?yàn)?OXecoLP信號(hào)完全平衡需要45分鐘以上。

　　（6）用戶(hù)如果覺(jué)得正負(fù)電源供電比較麻煩，可以聯(lián)系我代表處，我們可以為您提供單電源供電的電路。

　?。?）前放電路要盡量靠近傳感器，可以最大程度地減小電磁干擾，并提高信噪比。

　?。?）如果要設(shè)計(jì)本質(zhì)安全電路，各電子元件的表面積和熱阻需要詳細(xì)計(jì)算。

　　市場(chǎng)應(yīng)用

　　4OXecoLP的應(yīng)用歷史可追溯到2010年，Citytech為德國(guó)某知名公司定制該產(chǎn)品，將其成功應(yīng)用于煙氣分析儀中，并獲得了TüV認(rèn)證。該傳感器以小型化、抗酸性氣體干擾以及長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，受到了終端客戶(hù)的好評(píng)。目前，國(guó)內(nèi)外各大煙氣分析儀生產(chǎn)商先后試用了4OXecoLP，測(cè)試數(shù)據(jù)令人非常滿(mǎn)意，預(yù)計(jì)今年下半年將大量投產(chǎn)使用。

　　根據(jù)4OXecoLP的特點(diǎn)，具體應(yīng)用如下：

　?。?）在線(xiàn)煙氣分析表。目前國(guó)內(nèi)多使用氧化鋯或分壓式鉛氧傳感器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)氧氣，后者的理論壽命近5年，但是受到進(jìn)氣的溫濕度變化影響，壽命往往只能達(dá)到一年左右，而且其抵抗高濃度酸性氣體干擾的能力偏弱，局限了用戶(hù)的應(yīng)用范圍。4OXecoLP不受進(jìn)氣的溫濕度影響，可在高濃度酸性氣體干擾的情況下，穩(wěn)定工作5年，同時(shí)可以為用戶(hù)節(jié)省一大筆由于質(zhì)保期內(nèi)傳感器失效而付出的維護(hù)費(fèi)用（產(chǎn)品更換和差旅）。我們預(yù)計(jì)中國(guó)市場(chǎng)該產(chǎn)品的年容量為4-5千只，并保持15%-20%的年增長(zhǎng)率。

　?。?）燃燒效率分析表。目前燃燒效率分析表多用于工業(yè)鍋爐燃燒效率分析，但是隨著民用鍋爐逐步進(jìn)入家庭，特別是冷凝式鍋爐的成功應(yīng)用，家庭取暖市場(chǎng)將有爆發(fā)式的增長(zhǎng)，燃燒效率分析表市場(chǎng)需求將會(huì)逐步擴(kuò)大，監(jiān)測(cè)機(jī)制更加完善，鍋爐生產(chǎn)廠(chǎng)以及維護(hù)單位都需要配備分析表，我們預(yù)計(jì)中國(guó)市場(chǎng)該產(chǎn)品的年容量為4-5千只，保持20%-25%的年增長(zhǎng)率。

　　（3）煙氣分析儀。國(guó)內(nèi)的煙氣分析儀多為箱式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用鉛氧傳感器和尺寸頗大的3系列毒氣傳感器，我們可以提供4OXecoLP和5系列毒氣傳感器予以替代，方便儀器生產(chǎn)商將產(chǎn)品往輕、薄、短、小方向發(fā)展。

　　結(jié)語(yǔ)

　　“十二五”時(shí)期，我國(guó)節(jié)能減排形勢(shì)嚴(yán)峻，但同時(shí)也為相關(guān)的儀表提供了巨大的商機(jī)。英國(guó)城市技術(shù)公司將堅(jiān)定不移地推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，恪守六西格瑪制造理念，4OXecoLP的推出即是我們技術(shù)創(chuàng)新和制造理念的完美詮釋。我們還將一如既往地為客戶(hù)提供符合嚴(yán)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品和最準(zhǔn)確、可靠的氣體探測(cè)解決方案，以完美實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排這一大目標(biāo)下的各種客戶(hù)的具體需求。