氧氣濃度傳感器

氧氣濃度傳感器08-4-22第1頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，在礦用工作和通行的井下空氣中，氧氣的含量必須在20%以上，二氧化碳要在0.5%以下。但對于用安全方法救人或進行安全作業(yè)時，其作業(yè)地點不在此限。這主要是從勞動衛(wèi)生上防止氧氣濃度過低和二氧化碳的增伽引起的缺氧癥。此外。氧氣是瓦斯爆炸的主要因素之一，當氧含量低于12%時，就不會發(fā)生瓦斯爆炸事故。因此，連續(xù)監(jiān)測井下工作點的氧含量，不僅能保證礦工有舒適的工作條件，也能為處理瓦斯災(zāi)害提供寶貴的數(shù)據(jù)。08-4-22第2頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六（一）氧的檢測法氧氣是無色、無味、無嗅的氣體，比空氣稍重，在空氣中含量20.93%（體積比），與生物呼吸有密切關(guān)系。稍溶于水（在0度時1升水能容48.89毫升）能與各種物質(zhì)化合，有助燃性。氧氣含量減少對人體危害較大，其危害程度見表1。08-4-22第3頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六除了對可能缺氧的場所監(jiān)測氧氣濃度變化外，對于鍋爐、各種工業(yè)爐的燃燒情況、汽車以及其它內(nèi)燃機的燃燒效率等等，也需要對氧氣濃度進行監(jiān)測。根據(jù)測氧目的不同，可以選用不同的檢測方法。如：鍋爐或工業(yè)用爐燃燒狀況可采用電磁式或氧化鋯式傳感器，測定汽車等燃油效率時可使用二氧化鈦式傳感器，缺氧場所則用伽伐尼電池或檢定管法檢測。（一）氧的檢測法08-4-22第4頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六（一）氧的檢測法08-4-22第5頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六（二）伽伐尼電池氧氣傳感器結(jié)構(gòu)伽伐尼電池式氧氣傳感器由正、負電極，電解液，隔膜等構(gòu)成。陰極使用金、鉑等金屬，陽極使用鉛等金屬；電解液選用堿性溶液（KOH、NaOH等），或采用酸性溶液（高氯酸、四氟硼酸、六氟硅酸等）；隔膜選用10～20μm厚、透氧性好的聚乙烯或聚氟乙烯樹脂薄膜。1-陽極；2-絕緣材料；3-電解液；4-陰極；5-隔膜圖1隔膜伽伐尼電池原理圖08-4-22第6頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六工作原理以鉛氧電池為例，其陰極用貴金屬金，陽極為鉛，以過量KOH為電解液。待測氣體O2透過隔膜溶解于電解液后到達負極表面并在這里被還原，反應(yīng)式為：O2+2H2O+4e-→4OH-

另一方面，在正極產(chǎn)生氧化反應(yīng)，形成氫氧化物：

2Pb→2Pb2++4e-2Pb2++4OH-→2Pb(OH)2

全反應(yīng)是：2Pb+O2+H2O→2Pb(OH)2Pb(OH)2+KOH→KHPbO2+H2O（二）伽伐尼電池氧氣傳感器08-4-22第7頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六反應(yīng)電勢為式中：

n——每一克分子氣體反應(yīng)的電子數(shù)；

F——法拉第常數(shù)；PO2——電極表面氧分壓可見，反應(yīng)電動勢與電極表面氧分壓（即薄膜層中溶解的氧濃度）成比例變化。（二）伽伐尼電池氧氣傳感器08-4-22第8頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六通過電阻流過的電流和氧氣的關(guān)系一般用下式表示：式中：i——通過的電流；

D——氣體擴散系數(shù)；

A——陰極表面積；

l——膜外表面至陰極表面距離，即擴散層厚度。（二）伽伐尼電池氧氣傳感器08-4-22第9頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六影響元件的性能參數(shù)溫度的影響由于隔膜伽伐尼電池的輸出對溫度成指數(shù)函數(shù)增加，所以一般采用圖2所示的，用熱敏電阻作為放大器的負反饋元件自動溫度補償，使之不受試樣氣體溫度的影響。由于熱敏電阻具有隨溫度上升，其電阻減少的特性，即以指數(shù)函數(shù)的倒數(shù)變化的特性，對伽伐尼電池實現(xiàn)溫度的自動補償。圖2溫度補償電路一例（二）伽伐尼電池氧氣傳感器08-4-22第10頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六壓力的影響因為隔膜伽伐尼電池對O2分壓響應(yīng)，所以其指示值隨氣壓的不同而變化。實際測量證明：井深增加100m，氧含量增加0.25%。為了達到精確測量的目的，必須在井下所測地點同水平進行校對。如果待測水平?jīng)]有新鮮空氣，則可在井上校正好之后按下式進行修正：式中：A——氧氣真實值；B——氧氣傳感器指示值；H——垂直井深；K——修正系數(shù)，取0.0025。影響元件的性能參數(shù)（二）伽伐尼電池氧氣傳感器08-4-22第11頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六干擾氣體的影響一般電極材料是陽極用金、鉑等貴金屬，陰極用賤金屬鉛、鋅等。陽極的材料必須不受電解液侵蝕的，陰極材料也同樣應(yīng)該不受侵蝕的材料。電極一受侵蝕，就不能使用，或者雖不受侵蝕但由于選擇不當也對指示值由影響。影響元件的性能參數(shù)（二）伽伐尼電池氧氣傳感器08-4-22第12頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六水蒸汽的影響由于空氣中的水蒸汽，氧氣分壓發(fā)生變化，但在常溫（20℃）下即使相對濕度為100%，對氧氣指示值也不會產(chǎn)生明顯的影響。影響元件的性能參數(shù)（二）伽伐尼電池氧氣傳感器08-4-22第13頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六電解液酸堿度對壽命的影響在堿性電解液中，各電極反應(yīng)如下：負極O2+H2O+4e-→4OH-

正極2Pb+4OH-→2PbO+2H2O+4e-

全反應(yīng)Pb+O2→PbO

因電解液不同，各電極反應(yīng)也不同。但無論何種條件，正極的反應(yīng)生成物都是PbO。一般PbO在堿性溶液中溶解度不大。所以，傳感器長期使用以后，其正極被PbO包圍，影響傳感器的使用壽命。影響元件的性能參數(shù)（二）伽伐尼電池氧氣傳感器08-4-22第14頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六電解液酸堿度對壽命的影響

PbO在酸性電解液中能迅速溶解，反應(yīng)式為：PbO+2HClO4→Pb（ClO4）2+H2OPbO+2HBF4→（BF4）2+H2OPbO+H2SiF6→PbSiF6+H2O從而使鉛正極表面干凈，可望延長使用壽命。（二）伽伐尼電池氧氣傳感器影響元件的性能參數(shù)08-4-22第15頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六測量范圍：0～25%O2基本誤差：±3%滿量程輸出信號：頻率：200～1000Hz;5～15Hz;5～155Hz電源：12～24VDC顯示方式：四位數(shù)碼管顯示其他功能：聲光報警、紅外線遙控調(diào)校功能防爆標志：ExiblGYH25型礦用氧氣傳感器鄭州科安電控設(shè)備有限公司（二）伽伐尼電池氧氣傳感器典型產(chǎn)品08-4-22第16頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六（三）順磁測氧原理混合氣體的體積磁化率等于各氣體成分的磁化率與其相對體積濃度之積的和。gm——某氣體成分體積濃度。08-4-22第17頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六工作原理由于氧的磁性最強，所以含氧混合氣磁化率主要由氧的濃度決定。順磁性氣體能被磁場吸引，氧氣是具有順磁性的氣體。隨著溫度升高，氧的磁性減弱，具有熱磁效應(yīng)。（三）順磁測氧原理熱磁效應(yīng)氧氣傳感器08-4-22第18頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六不含氧氣時，連通管兩端壓力相同，氣流不流經(jīng)橫向測量管，R1=R2，電橋平衡。當待測氣體中含有氧氣時，由于氧的順磁性