氧氣含量測量一直是氣體測量中應(yīng)用Z廣泛、測量原理Z多的，不同的測量原理有各自的特點，但是對于高濕氣體及含有有機物混合氣體中氧氣含量的測量一直困擾著氣體分析廠商及氣體分析解決方案提供商。譽琰科技ZX自主研發(fā)的極譜法原理氧分析儀將解決目前行業(yè)內(nèi)一直存在的這一痛點。

   下面我們就通過對幾種常見氧氣測量原理進行分析，多方面對比呈現(xiàn)譽琰科技ZX氧傳感器技術(shù)對于高濕及含有機物混合氣體中氧氣測量的獨特優(yōu)勢。

1、TDLAS可調(diào)諧紅外激光吸收光譜法

（1）激光氧原理：

激光過程氣體分析系統(tǒng)基于半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）， 即單線光譜測量技術(shù)。系統(tǒng)采用可調(diào)制的半導(dǎo)體激光器為發(fā)光光源，通過調(diào)制半導(dǎo)體激光器的工作電流強度來調(diào)制激光頻率，使激光掃描范圍略大于被測氣體的單吸收譜線。從而使半導(dǎo)體激光器發(fā)射的特定波長的激光束在穿過測量管時，被被測氣體選頻吸收，從而導(dǎo)致激光強度產(chǎn)生衰減。于是系統(tǒng)利用不同氣體成分均有不同的特征吸收譜線及氣體濃度和紅外或激光吸收光譜之間存在的Beer-Lamber關(guān)系，通過檢測吸收譜線的吸收大?。醇す鈴姸人p信息）就可以獲得被測氣體的濃度。

（2）測量方法特點及應(yīng)用：

由于發(fā)射激光經(jīng)過調(diào)制后只針對于被測物質(zhì)的特征吸收光譜，激光頻率及波長范圍較窄；故發(fā)射激光不會被樣氣的其他干擾組分所吸收，抗干擾能力較強。不怕有毒有害及腐蝕性氣體組分，同時也可以避免水蒸氣對其的測量干擾。可以測量高溫氣體組分，也可以兼容微負壓下的測量，測量不需要復(fù)雜的預(yù)處理系統(tǒng)。

目前基于TDLAS技術(shù)的激光分析儀，由于其較好性能及低維護性，被越來越多的工業(yè)過程監(jiān)測用戶所選用，但是，由于核心的激光器、測量池、檢測器均為國外廠商提供，故儀器成本較高，常規(guī)的常量氧激光分析儀售價在6-8萬元，微量氧激光分析儀在10萬元以上。

2、氧化鋯型氧分析儀

氧化鋯在高溫下會發(fā)生電離，內(nèi)部出現(xiàn)可流動的氧離子。當氧化鋯兩側(cè)涂抹上鉑電極，氧化鋯兩側(cè)氧氣濃度存在差異時，且在鉑電極高溫催化下電離出氧離子，氧離子便能透過氧化鋯從高濃度側(cè)流向低濃度側(cè)，產(chǎn)生電勢差，且濃度差越大電勢差越大。依據(jù)這一基本特性就可以研制出不同類型的氧化鋯氧傳感器。

圖1 氧化鋯高溫離子導(dǎo)電

氧化鋯氧傳感器，主要包括濃度差型、離子流型、雙離子流型等。

（1）濃度差型

這是Z基本的結(jié)構(gòu)，是對氧化鋯氧離子導(dǎo)電的直接應(yīng)用，原理見圖2所示。在一根鋯管內(nèi)外涂有電極，電極既有輔助導(dǎo)電作用。鋯管內(nèi)外一邊為參比氣體、一邊為被測氣體。參比氣體一般要求保持恒定，比如暴露在空氣中以空氣作為參比。另一邊是被測氣，當被測氣與參比氣產(chǎn)生濃度差時，兩電極之間就產(chǎn)生電勢差。該類傳感器還需要用一個加熱裝置將鋯管加熱到600℃以上才能正常工作。

圖2 氧濃差型原理

（2）離子流型

如果在濃度差型氧化鋯傳感器的電極上加上一個電壓，那么高溫條件下，氧化鋯電解質(zhì)內(nèi)部的氧離子將根據(jù)電壓的方向進行移動，即氧氣會從一邊被強制轉(zhuǎn)移到另一邊，這個就是“氧泵”。這個過程在兩個電極間形成電流，電壓增大，泵氧能力也增大，電流也隨之增大。

如果在這個濃度差型氧傳感器的被泵氧一側(cè)加上一個滲透膜，讓氧氣只能以某一速率通過滲透膜，到達電極，這樣當外置電壓超過一定值后，由于氧氣量的限制，電流不會再增加。

固定電壓后，電流強度就只和被測氧氣有關(guān)了。滲透膜的增加阻礙了氧氣進入氧化鋯內(nèi)部，使得離子流氧傳感器不適合測量ppm級的氧氣，但較適合用于測量高濃度的氧氣。

對一般的氧氣檢測，濃度差型和離子流型就已經(jīng)完全可以滿足要求了，而且一個適合高濃度測量，一個適合低濃度測量。

氧化鋯氧傳感器的實現(xiàn)是一個非常復(fù)雜的工藝過程，氧化鋯材料處理、摻雜、成型、結(jié)構(gòu)、涂電極、燒結(jié)、封裝等過程都對ZH的性能有重要影響。比如離子流型的滲透膜孔徑和厚度決定的該傳感器的測量范圍；又比如鋯管的成型燒結(jié)過程決定了傳感器后期高溫使用過程中是否有斷裂缺陷；封裝過程是否存在漏氣影響參比氣與測量氣的隔離等等。

（3）氧化鋯氧傳感器的特點與應(yīng)用

綜合來看，氧化鋯氧傳感器優(yōu)勢非常明顯，但也存在不少使用禁忌，如表1所示。

表1 氧化鋯氧傳感器優(yōu)勢與劣勢

3、電化學(xué)型氧分析儀

電化學(xué)法測氧原理，又分電解電池式、原位電池式、極譜式；鑒于電解電池法成本高應(yīng)用少，因此主要介紹原位電池式和極譜式測量原理及優(yōu)缺點。

（1）極譜式傳感器測量原理：

電化學(xué)Clark極譜式氧測量技術(shù)已成為目前應(yīng)用較為廣泛的氧測量技術(shù)，可以測量氣態(tài)常量氧及微量溶解氧，此項技術(shù)是由Dr. Leland Clark于1956年ZX發(fā)明。電化學(xué)（極譜法）氧分析儀基于傳感器的結(jié)構(gòu)又可以分為擴散型和平衡型兩種，相對而言，擴散型的電化學(xué)溶氧傳感器應(yīng)用更為普及。結(jié)構(gòu)如下：

圖1：極譜法測定原理圖

該傳感器由陰極、陽極、電解液以及半透膜等主要部件構(gòu)成，在直流極化電壓作用下，氧氣穿過半透膜到達陰極發(fā)生還原反應(yīng)：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
同時陽極發(fā)生氧化反應(yīng): 4Ag + 4Cl- = 4AgCl + 4e-

當反應(yīng)達到平衡穩(wěn)定的條件下，該電化學(xué)反應(yīng)形成的電流和氧氣的分壓（濃度）呈一定關(guān)系：i∞=nFA（Pm/L）Cs

當電極結(jié)構(gòu)和薄膜確定之后，式中A、Pm、L、n等均為常數(shù)。令K= nFA（Pm/L），則上式中：i∞=KCs。

因此可見，只要測得擴散電流i∞，即可測得氧濃度。各型號產(chǎn)品采用各自技術(shù)進行補償，譽琰科技采用自主創(chuàng)新核心技術(shù)，使傳感器的陰極與陽極面積比比其他同原理傳感器小幾十甚至是幾百倍，進而使傳感器電流也比其他同類產(chǎn)品小幾十甚至是幾百倍，同時，譽琰科技核心技術(shù)還可以使傳感器電流范圍做到同類傳感器中ZD，以上特點決定譽琰科技極譜法氧氣傳感器擁有同類傳感器中ZG檢測精度的同時又比其他同類產(chǎn)品具有更好的抗氧化能力，保證了傳感器從低氧測量到常量氧測量同類產(chǎn)品Z長的使用壽命。

（2）原位電池法傳感器測量原理：

原位電池法氧傳感器是一種經(jīng)典氧氣檢測方法，基本原理如圖1所示。氧氣通過透氣孔到達透氣膜，透氣膜上有毛細擴散孔，氧氣通過毛細擴散孔進入傳感器內(nèi)部，在陰極電極（如銀電極）的催化作用下中發(fā)生反應(yīng)：O2+2H2O+4e-—>4OH-。氫氧根離子在電解液中到達陽極電極(如鉛電極)，在陽電極上發(fā)生反應(yīng)：2Pb+ 4OH-—>2Pb(OH)2 + 4e-。兩個接線柱分別接到陰極和陽極上，產(chǎn)生電流，且電流的大小與氧氣的濃度的成正比。 

圖1 原位電池法氧傳感器原理

（3）測量方法特點及應(yīng)用

原位電池法原理的氧氣檢測儀器的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在靈敏度高、成本低，不足主要表現(xiàn)在壽命較短1-2年，測量范圍較窄，一般分為微量氧（測量范圍0-1000ppm）、常量氧（0-25%）、高含量氧，受環(huán)境影響大、零點漂移大幾個方面。同時原位電池法不可以測量高濕氣體及含有有機物或微量HCl、NH3等有毒有害氣體。

極譜法測量主要用于溶解氧測量，同時也可以用于常量氧測量，傳感器對堿性氣體及有機氣體有一定的耐受性，同時可以在高濕度氣體環(huán)境下進行測量，在HCl、NH3等有毒有害氣體中不會損壞， 且傳感器用于氣體測量時只消耗電解液，定期更換電解液及膜片即可，更換成本較低，校準只需進行空氣校準及99.999%高純氮零點校準即可。

該方法的缺點是不能在高溫下進行測量，不能在高濃度的有毒有害氣體中測量，不能測量10ppm以下微量氧。

4、四種測量原理綜合對比

綜合以上4種較為可行的檢測原理，如果采用氧化鋯及原位電池法原理測量高濕及含有有機物混合氣體中氧氣含量，則需要配備預(yù)處理系統(tǒng)，將會增加成本，改變氣體組分體積比，使測量結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，甚至使測量失敗，同時無法保證氧化鋯及原位電池法分析儀的壽命，故不推薦使用；而TDLAS激光法雖然優(yōu)點突出，但是成本較高，且目前主要應(yīng)用于0.1%-1%或0-21%常量氧測量。故采用成本較低且無需預(yù)處理的極譜法測量將成為不二的選擇，具有激光法部分測量特點，同時比激光法測量范圍更寬，測量精度更高。

同類產(chǎn)品對比：

5、譽琰科技極譜法氧分析儀應(yīng)用

5.1、主要技術(shù)參數(shù)

測量范圍          0.001% ~25.00%~65.00%

分 辨 率           0.001%

測量精度          ±1.5%F.S或0.01%(取大者）

響應(yīng)時間（T90） 小于20s

被測介質(zhì)溫度        0-50℃

水樣流量         （100～400）mL/min

傳感器壽命      大于5年（取決于樣品）

屏幕顯示          480×272分辨率彩色觸摸屏，中文菜單

工作環(huán)境        溫度：0-45℃；相對濕度：不大于90%

供電電源        在線式AC 220V或DC 24V，移動式4節(jié)7#干電池，續(xù)航1200小時；

數(shù)據(jù)存儲        可存儲320萬條數(shù)據(jù)

通信方式        RS485

重    量         800g

安裝方式        開孔/壁掛/管道

開孔尺寸        138mm×138mm

5.2、主要應(yīng)用領(lǐng)域及典型案例

典型應(yīng)用

環(huán)境空氣中氧氣測量；

罐體內(nèi)氧氣測量；

生物、化學(xué)反應(yīng)罐體頂空氧氣測量；

罐體、離心機氮氣置換氣體中氧氣測量；

備注：主要用于測量微量至常量的高濕、微量有毒腐蝕性、含有有機物混合氣體，被測樣氣要求溫度不高于50℃。

典型案例

國內(nèi)某知名鋰電池材料上市公司需在線逐個監(jiān)測4個10M3罐體頂部氣態(tài)氧濃度，通過測量得到對應(yīng)的氧濃度值控制氮氣吹掃置換對應(yīng)罐體中氧氣，使每個罐體頂部氧濃度始終保持在合理的范圍內(nèi)。

監(jiān)測工況：

氧濃度控制值：≤1.5%；

氧濃度測量范圍：0-21%；

氧濃度測量精度：＜0.1%；

罐體內(nèi)壓力：微負壓；

罐體內(nèi)溫度：60℃；

罐體內(nèi)氣體組分：N2，O2，NH3，水蒸氣；

氣體濕度： ＞90%；

譽琰科技采用核心極譜法氣態(tài)氧傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，取樣罐體頂部的氣體，監(jiān)測常量氧濃度，并將氧濃度值通過4-20mA或RS485通訊傳送至客戶控制器，由控制器自動完成氮氣置換及取樣輪換。

本智能氣態(tài)氧監(jiān)測系統(tǒng)由取樣泵、氣態(tài)氧分析儀及安裝附件組成。

氣態(tài)氧測量系統(tǒng)包括高精度測量電極、流通池和氣態(tài)氧監(jiān)測主機。安裝附件包括取樣管路，連接件，及固定裝置或箱體。

同時可提供手持式氧分析儀對非在線監(jiān)測點進行氧含量測定，譽琰科技手持式氧分析儀可測量液體中溶解氧及氣態(tài)氧含量。

下圖為在線監(jiān)測流程圖：

案例分析

本案例客戶要求保證氧濃度測量準確性，同時需要檢測系統(tǒng)長時間運行穩(wěn)定可靠，且檢測速度要能夠滿足一組4個反應(yīng)罐的分時采樣需求（每個罐體采樣測量時間小于3分鐘），這就要求測量系統(tǒng)不能采用除濕及除NH3氣預(yù)處理系統(tǒng)，否則會改變測量混合氣體的體積比導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)嚴重的偏離，同時傳感器的測量時間要小于60秒?？蛻舻募夹g(shù)部門工程師經(jīng)過與我方的充分交流論證，放棄原位電池法及氧化鋯法的測量方案，考慮到激光法成本過高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)化運用，通過對現(xiàn)有各廠商產(chǎn)品的分析對比，客戶ZZ選擇譽琰科技獨有的極譜法氧傳感器，無任何預(yù)處理的情況下，客戶對其進行長達3個月高強度連續(xù)測試，結(jié)果令客戶非常滿意，也充分的驗證該傳感器在測量高濕、有毒腐蝕性混合氣體方面無與倫比的優(yōu)勢。

作者：孫帥，歡迎行業(yè)內(nèi)朋友聯(lián)系我共同探討！