高純氧分析儀，高含量氧分析儀，3D離子流氧分析儀原理解析

氧含量（含氧量）在工業(yè)生產(chǎn)過程中，是一個非常重要的指標(biāo)之一，直接影響著生產(chǎn)的產(chǎn)能、速度、效率及安全等。因此，如何快速、準(zhǔn)確、可靠地對氧含量進(jìn)行測量，以便及時地對氧含量進(jìn)行控制就顯得十分重要。

而離子流法就是基于這一需求所研發(fā)的新型氧含量測量方法，與傳統(tǒng)的氧含量測量方法（電化學(xué)氧分析儀、氧化鋯氧量分析儀、磁氧分析儀）相比，在響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、儀器價格以及傳感器使用壽命等方面均有不小的優(yōu)勢，尤其適用于高含量氧氣分析。

傳統(tǒng)的氧含量測量，通過“燃料電池法（也稱電化學(xué)氧分析）”、“磁氧分析儀”、“氧化鋯氧分析儀”、“激光氧分析儀”等原理；今天諾科儀器和大家介紹一種先進(jìn)的“離子流測氧儀，離子流氧分析儀”。

在已穩(wěn)定化的ZrO2兩側(cè)被覆鉑電極，陰極側(cè)用有氣體擴散孔的罩接合，形成陰極空腔。一定溫度下，ZrO2電極兩側(cè)如加一定電壓時，空腔內(nèi)的氧分子在陰極處獲得電子形成氧離子（O2-），O2-通過ZrO2的氧空位遷移到陽極，放出電子后變成氧分子氣體釋放出來，這種現(xiàn)象被稱為電化學(xué)泵，這樣，陰極空腔中的氧氣就被ZrO2電解質(zhì)*地泵到空腔外，在回路中形成電流。當(dāng)氧氣摩爾分?jǐn)?shù)一定時，電壓增加，電流強度隨之增加，當(dāng)電壓超過某一值時，電流強度達(dá)到飽和，這是氧氣通過小孔向陰極空腔內(nèi)擴散受小孔限制的結(jié)果。這個飽和電流稱為離子電流。氣體在小孔中的擴散機制決定著傳感器的性質(zhì)。小孔擴散一般有2種離子電流情況，即分子擴散和Knudsen擴散。當(dāng)小孔直徑比氣體分子的平均直徑大時，即在分子擴散區(qū)離子電流值IL為：

式中，F(xiàn)—法拉第常數(shù)；D—自由空間氧分子擴散系數(shù)；S—擴散小孔的截面積；L—擴散小孔的長度；C—傳感器周圍氧的摩爾分?jǐn)?shù)；CT—整個氣體物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)。當(dāng)C/CT＜1時，由式（1）可知，離子電流值與氧的摩爾分?jǐn)?shù)就變成正比關(guān)系，離子電流值IL為：

由式（2）可知，離子電流和氧摩爾分?jǐn)?shù)幾乎成線性關(guān)系。根據(jù)輸出電流大小就可以確定被測氣體中的氧摩爾分?jǐn)?shù)。用多孔陶瓷基片作為擴散層控制供給傳感器陰極的氧，這種利用LSM作為多孔層型結(jié)構(gòu)的致密擴散障礙層如下圖所示。

這種多孔層型氧傳感器的離子電流和式（2）相同，離子電流值為：

式中，F(xiàn)—法拉第常數(shù)；Deff—多孔層內(nèi)氧有效擴散系數(shù)；S—陰極面積；L—多孔層基片厚度；C—傳感器周圍的氧摩爾分?jǐn)?shù)。由式（3）可知，多孔層型氧傳感器的極限電流值與氧摩爾分?jǐn)?shù)成線性關(guān)系。

3D離子流氧分析儀傳感器在不同氧濃度環(huán)境氣體中，電壓電流特性如下圖所示：

3D離子電流值與氧濃度的關(guān)系曲線如下圖所示：