高纯度氧气含量分析仪（离子流氧分析仪）原理解析

    氧气含量是许多工业生产过程中直接影响工业生产能力、速度、效率和安全的一个非常重要的指标。因此，为了及时控制氧气含量，如何更快、更方便、准确、可靠地测量氧气含量是非常重要的。离子流法是基于这一需求研发的一种新型氧含量测量方法。在响应速度、稳定性、仪器价格、传感器使用寿命等方面，与传统的氧含量测量方法（电化学氧分析仪、氧化锆氧分析仪、氧化锆氧含量分析仪、磁氧分析仪），特别适用于高纯度氧气含量分析（离子流氧分析仪）。

    传统的氧含量测量，通过“燃料电池法（也称电化学氧分析）”、“磁氧分析仪”、“氧化锆氧分析仪”、“激光氧分析仪”等原理；今天成都鸿瑞韬和大家介绍一种先进的“离子流测氧仪，离子流氧分析仪”。

（离子流氧分析仪原理图）

    在已稳定化的ZrO2两侧被覆铂电极，阴极侧用有气体扩散孔的罩接合，形成阴极空腔。一定温度下，ZrO2电极两侧如加一定电压时，空腔内的氧分子在阴极处获得电子形成氧离子（O2-），O2-通过ZrO2的氧空位迁移到阳极，放出电子后变成氧分子气体释放出来，这种现象被称为电化学泵，这样，阴极空腔中的氧气就被ZrO2电解质源源不断地泵到空腔外，在回路中形成电流。当氧气摩尔分数一定时，电压增加，电流强度随之增加，当电压超过某一值时，电流强度达到饱和，这是氧气通过小孔向阴极空腔内扩散受小孔限制的结果。这个饱和电流称为离子电流。气体在小孔中的扩散机制决定着传感器的性质。小孔扩散一般有2种离子电流情况，即分子扩散和Knudsen扩散。当小孔直径比气体分子的平均直径大时，即在分子扩散区离子电流值IL为：

式中，F—法拉第常数；D—自由空间氧分子扩散系数；S—扩散小孔的截面积；L—扩散小孔的长度；C—传感器周围氧的摩尔分数；CT—整个气体物质的摩尔分数。当C/CT＜1时，由式（1）可知，离子电流值与氧的摩尔分数就变成正比关系，离子电流值IL为：

由式（2）可知，离子电流和氧摩尔分数几乎成线性关系。根据输出电流大小就可以确定被测气体中的氧摩尔分数。用多孔陶瓷基片作为扩散层控制供给传感器阴极的氧，这种利用LSM作为多孔层型结构的致密扩散障碍层如图所示。

这种多孔层型氧传感器的离子电流和式（2）相同，离子电流值为：

式中，F—法拉第常数；Deff—多孔层内氧有效扩散系数；S—阴极面积；L—多孔层基片厚度；C—传感器周围的氧摩尔分数。由式（3）可知，多孔层型氧传感器的极限电流值与氧摩尔分数成线性关系。

离子流氧分析仪传感器在不同氧浓度环境气体中，电压电流特性如下图所示：

离子电流值与氧浓度的关系曲线如下图所示：

    成都鸿瑞韬科技专业气体分析仪厂家，集研发、制造、销售、服务于一休，全方位为客户提供微量氧分析仪、烟道氧分析仪、食品包装顶空残氧仪等设备综合解决方案！