測量氧分壓的氧氣傳感器

什么是氧氣分壓，如何根據(jù)氧分壓計(jì)算氧濃度?

SST氧氣傳感器測量的是混合氣體中氧氣的分壓(氣體壓力單位mbar或Kpa)，這通常會在一些用戶中引起疑問，因?yàn)槭袌錾系拇蠖鄶?shù)氧氣傳感器是測量氧氣濃度這個(gè)參數(shù)(氣體濃度單位是體積比Vol )。

那么，什么是氧分壓?這是我們在跟用戶講解氧氣O2傳感器工作原理時(shí)，經(jīng)常被問到的問題。在本文中，我們將討論氣體分壓的定義、其背后的物理原理、如何計(jì)算氧分壓以及如何將氧氣分壓轉(zhuǎn)換為氧氣濃度的方法(濃度體積比Vol)。

氧分壓的定義

ppO2 是氧氣的分壓。 分壓定義為氣體混合物中單一氣體組分的壓力。 道爾頓分壓定律表達(dá)了這樣一個(gè)事實(shí)，即混合氣體的總壓力等于混合物中各個(gè)氣體的分壓之和。

道爾頓定律

這里詳細(xì)介紹了氧氣傳感器工作原理的理論。理想的混合氣體做無規(guī)則運(yùn)動產(chǎn)生的總壓力 (Ptotal) 等于該混合氣體中各個(gè)氣體組分的分壓 (Pi) 之和。

從上述公式可以得出，單個(gè)氣體組分的粒子數(shù) (ni) 與混合氣體的粒子總數(shù) (ntotal) 之比，等于單個(gè)氣體的分壓 (Pi) 與混合氣體的總壓力 (Ptotal) 之比。

ni 氣體 i 中的粒子數(shù)

ntotal 粒子總數(shù)

pi 氣體 i 的分壓

Ptotal 總壓力

圖 1 Ptotal = P1 + P2 + P3(恒定體積和溫度)

舉例說明 ：海平面的大氣壓(在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下)為 1013.25mbar。 在這里，干燥空氣的主要成分是氮?dú)?78.08% Vol.)、氧氣(20.95% Vol.)、氬氣(0.93% Vol.)和二氧化碳(0.040% Vol.)。 由于上述氣體可以近似為理想氣體，因此體積含量 (%) 可以等同于粒子數(shù) (n)。

從本文二個(gè)公式可以求解單個(gè)氣體 (i) 的分壓，得到：

則氧分壓則等于：

什么是二氧化鋯?

在高溫 (>650?C) 下，穩(wěn)定的二氧化鋯 (ZrO?) 表現(xiàn)出兩種機(jī)制：

1.ZrO2 部分解離產(chǎn)生可移動的氧離子，因此成為氧氣的固體電解質(zhì)。涂有多孔電極的 ZrO2 圓盤連接到恒定直流電流源，允許環(huán)境氧離子通過材料傳輸。這會在陽極釋放一定量的氧氣，這與傳輸?shù)碾姾?電化學(xué)泵浦)成正比，根據(jù)法拉第電解定律。

2.ZrO2 的行為類似于電解質(zhì)。如果一塊 ZrO2 的兩側(cè)存在兩種不同的氧氣壓力，則會在其兩端產(chǎn)生電壓(能斯特電壓)。電解質(zhì)兩側(cè)的兩種不同離子濃度會產(chǎn)生稱為能斯特電壓的電勢。該電壓與兩種不同離子濃度之比的自然對數(shù)成正比。

什么是氧化鋯氧氣傳感器?

氧化鋯氧氣傳感器不直接測量氧氣濃度%Vol，而是測量單一氧氣氣體或混合氣體中的氧氣分壓。該氧氣傳感器采用經(jīng)過充分驗(yàn)證的小型二氧化鋯基元件及其內(nèi)核，由于其創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不需要參考?xì)怏w。這個(gè)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了傳感器在高溫、潮濕和氧氣壓力變動下穩(wěn)定運(yùn)行的功能。

上述的兩個(gè)氧化鋯的特性中的任何一個(gè)都常被用于氧氣傳感器設(shè)計(jì)中，但是SST 的O2氧傳感器O2-FR-T2-18BM-C同時(shí)采用了這兩種原理。

該氧氣傳感器是不用參比氣體就可測量氧氣濃度，氧化鋯內(nèi)核元件由兩個(gè)相同的氧化鋯方片和三個(gè)鉑金環(huán)組成的夾心三明治形狀，由此形成一個(gè)密封的小空間。其中一個(gè)氧化鋯片兩邊是相反的電極，用作電化學(xué)的氧氣泵。另外一個(gè)氧化鋯片兩邊形成能斯特電壓。氧傳感器啟動后，小空間氧氣被抽空，此時(shí)壓力P2和其輸送的電流成正比。在另外一個(gè)氧化鋯片上電壓上升。電壓到設(shè)定的參考值后，泵電流會改變反轉(zhuǎn)，氧氣會再被抽入這個(gè)小空間。壓力P2上升到設(shè)定的參考值后，泵電流再改變電流方向。這個(gè)過程會不斷重復(fù)，泵電流反轉(zhuǎn)周期長短和氧氣壓力成正比，此原理可實(shí)現(xiàn)對氧氣分壓的檢測。這消除了對密封參考?xì)怏w的需求，使傳感器更加通用，可用于各種不同的氧氣壓力測量，再配合我們的氧氣變送板OXY-LC一起工作，該氧氣傳感器能輸出氧分壓，氧濃度兩個(gè)參數(shù)值。

審核編輯：湯梓紅