气体中氧含量分析方法的研究进展

第35卷第5期2017年10月

低温与特气，

Low Temperature and Specialty Gases

Vol. 35,No. 5

O ct,2017

•综述评论•

气体中氧含量分析方法的研究进展

单静，阴杰，吴鹏

(中国酒泉卫星发射中心，甘肃酒泉732750)

摘要:主要概述了气体中各种氧分析的测试方法原理、适用场合和分析注意事项，详细地描述了不同氧分析仪的组 成原理和技术参数等，并且也就当前化验工作现状，归纳出了不同氧分析仪存在的不足以及今后的发展重点。

关键词:气体;氧分析;氧分析仪

中图分类号:TQ117 文献标志码:A 文章编号= 1007-7804(2017)05-0001-04

doi：10. 3969/j. issn. 1007-7804. 2017. 05. 001

The Research Progress of Oxygen Content Analyzing Method in Gas

SHAN Jing,YIN Jie,WU Peng

(Jiuquan Satellite Launch Center of China, Jiuquan 732750,China)

Abstract：The principles, applicable occasion and attentions of oxygen analyzing method in gas were summarized. The component principles and technology parameters of different oxygen analysis meters were represented in detail. With the current situation of assay mission, the problems existed in different oxygen analysis meters and the key point of progress in the future was generalized.

Key words ：gas ； oxygen analysis ； oxygen analysis meter

〇引言

近年来，随着航天航空事业的迅猛发展，飞船、导弹、卫星以及武器等领域对于气体的需求量越来 越大，并且对质量和纯度的要求也越来越高。氧含 量一直是其中的一个非常重要的分析测试指标。

氧是地壳中最丰富，分布最广的元素，是一切生 命体赖以生存必不可少的条件，也是构成生物界与 非生物界最重要的元素。氧的化学性质比较活泼，并且具有较强的氧化性，在工业上是一种极为重要 的气体。但是，在实际应用中，由于其较强的氧化性 也极有可能给工业生产带来一定的危害，例如，氧的 存在可能会直接导致产品的质量下降及寿命的缩 短，尤其是在航天领域中，航天员呼吸所用的氧气，氧含量是否合格在很大程度上会威胁到航天员的生 命安全。因此，准确测定高纯气体中的氧含量是非 常重要的[1]。本文结合当前的气体化验工作，着重介绍了几种常见的氧分析测试方法以及所用到的氧 分析仪器。

1几种氧含量分析的场合

目前，主要用到的测试氧含量的方法有：电化学 法、浓差电池法、气相色谱法、比色法、红外吸收法、黄磷发光法和光纤法大气压离子质谱法等[17]。这 些方法分析原理不同，因此具有各自的优点和缺点[813]。表1是不同方法的性能比较，其中黄磷发 光法由于黄磷的毒性，现已基本淘汰。

l.i高纯氮中微量氧的测定

目前在测量高纯氮中的微量氧时，所用方法为 电化学法，使用的仪器是英国SYSTECH公司生产 的EC92D/IS氧分析仪，其中原理如图1所示。

电化学法测试氧含量的原理是利用原电池的氧 化还原反应，由阴极，阳极和电解液组成的化学原电 池传感器构成。以上各部件均密封于惰性氛围中，

收稿日期=2017-08-11

2低温与特气第35卷

当检测气中的氧进人电池阴极附近时，得到电子，发 生还原反应。阳极是由金属铅构成，自身失去电子，此过程发生的反应式如下：

阴极反应式:〇2+ 2H20 + 4e_—40H-(1)

发生氧化反应。这样，原电池产生的电子由阳极到 阴极，然后进行补偿修正后放大，即可测出检测气中阳极反应式：

2Pb+40H'^2Pb0+2H20+4e~(2)

的氧含量。总反应式:2Pb+02^2Pb0(3)

表1氧含量测定的主要方法

Table1The determination m ethod of oxygen content

方法名称测试原理应用测量精度是否连续监控

电化学法原电池产生电流，电流大小与

氧的含量成正比

在线测量1CT7〜1CT8是

氧化锆浓差 电池法

在氧化锆的两侧，电动势的

产生是由于不同的氧分压存在

多用于工厂上的

在线检测

10"7是

色谱法不同物质在色谱柱内的保留时间不同用于实验室检测，

测量方法简便

1〇_6 〜1〇_8是

比色法氧和一价铜氨离子反应生成二价蓝色的

铜氨溶液，可与标准色阶对比

实验室检测或现场检测10"6否

产过程中，对氧含量的连续监测。其原理是氧浓差

电池。如图2所示，其中电极反应如式（4)、（5)所

1.针型阀;

2.除氧器;

3.增湿器;4、5.四通阀;6.电解池;7.原 电池;8.流量计;9.毛细管；10.指示剂；11.负荷电阻;12.记 录仪;A.样品气人口；B.校正用底气人口

图1EC92D/IS氧分析仪原理图

Fig. 1Schematic diagram of EC92D/IS oxygen analyzer

EC92D/IS氧分析仪的使用过程中，对气密性的 要求非常严格，如果检测系统中有空气中的氧进人，

则会引起最终的测量误差。该测试方法中要求电池 内保持有一定量的碱液，因为原电池内的碱液量会 影响电池的稳定性和灵敏度。原电池的灵敏度会随 阳极金属铅的腐蚀而逐渐减小，因此贵金属铅需要 定期更换，当考虑到经济问题时，一般不采用EC92D/IS进行氧含量的在线连续监测。另外，如果 被测气中含有卤素、二氧化碳、硫化物和油等类杂质 时，对微量氧的测定也有一定的干扰。

1-2氧氮生产过程氧含量在线监测

ZDO-101氧化锆微量氧分析仪常用于液氮的生

图2氧浓差电池原理图

Fig.2 Schematic diagram of oxygen concentration cell

阴极:〇2+4e_—202_(还原反应）（4)

阳极:202_^02+4e_(氧化反应）（5)

图2中，电池两侧气体氧分压分别为Pa，P。，其 中氧分压大的一侧气体氧浓度差也大。设，则Pa—侧的气体就会通过氧化锆向一侧扩散，但这个扩散过程并不是氧分子透过氧化锆的过程，而是氧分子解离成氧离子后，

氧离子透过氧化锆的