氧化锆氧传感器如何测量混合气体中的氧分压及如何计算氧分压？

2023-10-10 11:46

氧化锆氧传感器是利用稳定的二氧化锆陶瓷在650℃以上的环境中产生的氧离子导电特性而设计的。在一定的温度条件下，如果在二氧化锆块状陶瓷两侧的气体中分别存在着不同的氧分压（即氧浓度）时，二氧化锆陶瓷内部将产生一系列的反应，和氧离子的迁移。这时通过二氧化锆两侧的引出电极，可测到稳定的毫伏级信号，我们称之为氧电势。

它服从能斯特（Nernst）方程：式中E为氧传感器输出的氧电势（mv），Tk为炉内的绝对温度（K），P1和P2分别为二氧化锆两侧气体的氧分压。实际应用时，将二氧化锆的一侧通入已知氧浓度的气本（通常为空气），我们称之为参比气。另一侧则是被测气体，就是我们要检测的炉内的气氛。氧传感器输出的信号就是氧电势信号，通过能斯特方程我们就可以得到被测炉气氛中的氧分压和氧电势的关系。参比气为空气时，可表示为：式中E为氧传感器输出氧电势；Tk为炉内的绝对温度；P02为炉内的氧分压。

工采网代理的SST氧传感器产品带有自加热装置，一般温度保证在700℃，这样TK数值基本是恒定的，从而通过上式可以直接测量出炉内氧分压浓度。工程应用中采用标准气体来标定氧传感器输出氧电势E和氧分压浓度PO2的对应关系，这种方法也是目前公认的最准确、最直接的标定方法。英国SST 氧化锆氧气传感器系统 - O2S-FR-T2-18BM-C同时采用了这两种原理。不用参比气体就可测量氧气浓度，氧化锆核心元件由两个相同的氧化锆方片和三个铂金环组成的夹心三明治形状，由此形成一个密封的小空间。其中一个氧化锆片两边是相反的电极，用作电化学的氧气泵。另外一个氧化锆片两边形成能斯特电压。氧传感器启动后，小空间氧气被抽空，此时压力P2和其输送的电流成正比。

在另外一个氧化锆片上电压上升。电压到设定的参考值后，泵电流会改变反转，氧气会再被抽入这个小空间。压力P2上升到设定的参考值后，泵电流再改变电流方向。这个过程会不断重复，泵电流反转周期长短和氧气压力成正比，此原理可实现对氧气分压的检测。这消除了对密封参考气体的需求，使传感器更加通用，可用于各种不同的氧气压力测量，再配合我们的氧气变送板OXY-LC一起工作，该氧气传感器能输出氧分压，氧浓度两个参数值。

氧化锆氧传感器的工作原理是测量混合气体中的氧分压。那么分压的定义、其背后的物理原理、如何计算分压，以及如何将氧气分压转换为氧气浓度相关的体积含量？

分压: 定义

分压定义为混合气体中单个气体组分的压力。它对应于单个气体组分单独占据整个容积时所施加的总压力。

道尔顿定律: 物理学原理

理想气体混合物的总压 (Ptotal) 等于该混合物中各气体的分压 (Pi) 之和。