第3.3节 氧气浓度传感器

08-4-22
图2 温度补偿电路一例
（二）伽伐尼电池氧气传感器
影响元件的性能参数
压力的影响 因为隔膜伽伐尼电池对O2分压响应，所以其指示值 随气压的不同而变化。 实际测量证明：井深增加100m，氧含量增加0.25%。 为了达到精确测量的目的，必须在井下所测地点同水 平进行校对。如果待测水平没有新鲜空气，则可在井 上校正好之后按下式进行修正：
液；4-阴极；5-隔膜 图1 隔膜伽伐尼电池原理图
08-4-22
（二）伽伐尼电池氧气传感器
工作原理
以铅氧电池为例，其阴极用贵金属金，阳极为铅， 以过量KOH为电解液。待测气体O2透过隔膜溶解于电解 液后到达负极表面并在这里被还原，反应式为： O2+2H2O+4e-→4OH另一方面，在正极产生氧化反应，形成氢氧化物： 2Pb→2Pb2++4e2Pb2++4OH-→2Pb(OH)2 全反应是： 2Pb+ O2+H2O→2Pb(OH)2 Pb(OH)2+KOH →KHPbO2+H2O
08-4-22
（二）伽伐尼电池氧气传感器
典型产品
测量范围：0～25%O2 基本误差：±3%满量程 输出信号：频率：200～1000Hz; 5～15Hz; 5～155Hz 电源：12～24V DC 显示方式：四位数码管显示 其他功能：声光报警、红外线遥 控调校功能 防爆标志：Exibl GYH25型矿用氧气传感器 郑州科安电控设备有限公司 08-4-22
08-4-22
（一）氧的检测法
氧气是无色、无味、 无嗅的气体，比空气 稍重，在空气中含量 20.93%（体积比）， 与生物呼吸有密切关 系。 稍溶于水（在0度时1 升水能容48.89毫升） 能与各种物质化合， 有助燃性。 氧气含量减少对人体 危害较大，其危害程 度见表1。
08-4-22
08-4-22
（一）氧的检测法
08-4-22
（二）伽伐尼电池氧气传感器
结构
伽伐尼电池式氧气传感器由正、 负电极，电解液，隔膜等构成。 阴极使用金、铂等金属，阳极 使用铅等金属；电解液选用碱性 溶液（KOH、NaOH等），或采用酸 性溶液（高氯酸、四氟硼酸、六 氟硅酸等）；隔膜选用10～20μ m 厚、透氧性好的聚乙烯或聚氟乙 1-阳极；2-绝缘材料；3-电解 烯树脂薄膜。
第2.3.3节 氧气浓度传感器
主要内容：
氧的检测方法 伽伐尼电池氧气传感器 顺磁测氧原理
08-4-22
《煤矿安全规程》规定，在矿用工作和 通行的井下空气中，氧气的含量必须在20% 以上，二氧化碳要在0.5%以下。但对于用安 全方法救人或进行安全作业时，其作业地点 不在此限。这主要是从劳动卫生上防止氧气 浓度过低和二氧化碳的增伽引起的缺氧症。 此外。 氧气是瓦斯爆炸的主要因素之一，当氧 含量低于12%时，就不会发生瓦斯爆炸事故。 因此，连续监测井下工作点的氧含量， 不仅能保证矿工有舒适的工作条件，也能为 处理瓦斯灾害提供宝贵的数据。
热磁效应氧气传感器
08-4-22
（三）顺磁测氧原理
热磁效应氧气传感器
不含氧气时，连通管两端压力相同，气流不流经横向 测量管，R1=R2，电桥平衡。 当待测气体中含有氧气时，由于氧的顺磁性，气体在 磁场作用下吸入连通管，并被加热。由于热磁效应， 氧受热后顺磁性减弱，被加热的气体受到推斥，在连 通管内形成被称为“磁风”的连续气流，气流速度取 决于氧的浓度。受气流影响，电阻丝温度发生变化， 08-4-22 导致电桥失去平衡，用输出电压信号可度量氧气的浓
08-4-22
（二）伽伐尼电池氧气传感器
影响元件的性能参数
水蒸汽的影响 由于空气中的水蒸汽，氧气分压发生变化，但在常 温（20℃）下即使相对湿度为100%，对氧气指示值也 不会产生明显的影响。
08-4-22
（二）伽伐尼电池氧气传感器
影响元件的性能参数
电解液酸碱度对寿命的影响 在碱性电解液中，各电极反应如下： 负极 O2+ H2O+4e-→4OH正极 2Pb+4OH-→2PbO+ 2H2O+4e全反应 Pb+ O2→PbO 因电解液不同，各电极反应也不同。但无论何种条 件，正极的反应生成物都是PbO。一般PbO在碱性溶液 中溶解度不大。所以，传感器长期使用以后，其正极 被PbO包围，影响传感器的使用寿命。
（三）顺磁测氧原理
混合气体的体积磁化率等于各气体成分的磁化率与 其相对体积浓度之积的和。


m1
n
m gm
gm——某气体成分体 积浓度。
08-4-22
（三）顺磁测氧原理
工作原理
由于氧的磁性最强，所以含氧混合气磁化率主要 由氧的浓度决定。顺磁性气体能被磁场吸引，氧气是 具有顺磁性的气体。随着温度升高，氧的磁性减弱， 具有热磁效应。
通过电阻流过的电流和氧气的关系一般用下式表示：
RT DA i C nF l
式中：i——通过的电流； D——气体扩散系数； A——阴极表面积； l——膜外表面至阴极表面距离，即扩散层厚度。
08-4-22
（二）伽伐尼电池氧气传感器
影响元件的性能参数
温度的影响 由于隔膜伽伐尼电池的输出对温度成指数函数增加， 所以一般采用图2所示的，用热敏电阻作为放大器的负 反馈元件自动温度补偿，使之不受试样气体温度的影 响。由于热敏电阻具有随温度上升，其电阻减少的特 性，即以指数函数的倒数变化的特性，对伽伐尼电池 实现温度的自动补偿。
08-4-22
（二）伽伐尼电池氧气传感器
反应电势为
RT E E0 lg PO2 nF
式中： n——每一克分子气体反应的电子数； F——法拉第常数； PO2——电极表面氧分压 可见，反应电动势与电极表面氧分压（即薄膜层中 溶解的氧浓度）成比例变化。
08-4-22
nFA a
（二）伽伐尼电池氧气传感器
（一）氧的检测法
除了对可能缺氧的场所监测氧气浓度变化外， 对于锅炉、各种工业炉的燃烧情况、汽车以及 其它内燃机的燃烧效率等等，也需要对氧气浓 度进行监测。 根据测氧目的不同，可以选用不同的检测方法。 如：锅炉或工业用炉燃烧状况可采用电磁式或 氧化锆式传感器，测定汽车等燃油效率时可使 用二氧化钛式传感器，缺氧场所则用伽伐尼电 池或检定管法检测。
A B 20.96/ 20.9 HK
式中：A——氧气真实值；B——氧气传感器指示值；H——垂 直井深；K——修正系数，取0.0025。
08-4-22
（二）伽伐尼电池氧气传感器
影响元件的阳极用金、铂等贵金属，阴极用 贱金属铅、锌等。阳极的材料必须不受电解液侵蚀的， 阴极材料也同样应该不受侵蚀的材料。电极一受侵蚀， 就不能使用，或者虽不受侵蚀但由于选择不当也对指 示值由影响。
08-4-22
（二）伽伐尼电池氧气传感器
影响元件的性能参数
电解液酸碱度对寿命的影响 PbO在酸性电解液中能迅速溶解，反应式为： PbO+ 2HClO4→Pb（ClO4）2+ H2O PbO+ 2HBF4→（BF4）2+ H2O PbO+ H2SiF6→PbSiF6+ H2O 从而使铅正极表面干净，可望延长使用寿命。