氧气浓度传感器

氧气浓度传感器08-4-22第1页，课件共19页，创作于2023年2月《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。08-4-22第2页，课件共19页，创作于2023年2月（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第3页，课件共19页，创作于2023年2月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。（一）氧的检测法08-4-22第4页，课件共19页，创作于2023年2月（一）氧的检测法08-4-22第5页，课件共19页，创作于2023年2月（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10～20μm厚、透氧性好的聚乙烯或聚氟乙烯树脂薄膜。1-阳极；2-绝缘材料；3-电解液；4-阴极；5-隔膜图1隔膜伽伐尼电池原理图08-4-22第6页，课件共19页，创作于2023年2月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++4e-2Pb2++4OH-→2Pb(OH)2

全反应是：2Pb+O2+H2O→2Pb(OH)2Pb(OH)2+KOH→KHPbO2+H2O（二）伽伐尼电池氧气传感器08-4-22第7页，课件共19页，创作于2023年2月反应电势为式中：

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。（二）伽伐尼电池氧气传感器08-4-22第8页，课件共19页，创作于2023年2月通过电阻流过的电流和氧气的关系一般用下式表示：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。（二）伽伐尼电池氧气传感器08-4-22第9页，课件共19页，创作于2023年2月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。图2温度补偿电路一例（二）伽伐尼电池氧气传感器08-4-22第10页，课件共19页，创作于2023年2月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：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。影响元件的性能参数（二）伽伐尼电池氧气传感器08-4-22第11页，课件共19页，创作于2023年2月干扰气体的影响一般电极材料是阳极用金、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。影响元件的性能参数（二）伽伐尼电池氧气传感器08-4-22第12页，课件共19页，创作于2023年2月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。影响元件的性能参数（二）伽伐尼电池氧气传感器08-4-22第13页，课件共19页，创作于2023年2月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。影响元件的性能参数（二）伽伐尼电池氧气传感器08-4-22第14页，课件共19页，创作于2023年2月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+H2OPbO+2HBF4→（BF4）2+H2OPbO+H2SiF6→PbSiF6+H2O从而使铅正极表面干净，可望延长使用寿命。（二）伽伐尼电池氧气传感器影响元件的性能参数08-4-22第15页，课件共19页，创作于2023年2月测量范围：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：12～24VDC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：ExiblGYH25型矿用氧气传感器郑州科安电控设备有限公司（二）伽伐尼电池氧气传感器典型产品08-4-22第16页，课件共19页，创作于2023年2月（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。gm——某气体成分体积浓度。08-4-22第17页，课件共19页，创作于2023年2月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。（三）顺磁测氧原理热磁效应氧气传感器08-4-22第18页，课件共19页，创作于2023年2月不含氧气时，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