测量氧分压的氧气传感器

什么是氧气分压，如何根据氧分压计算氧浓度?

SST氧气传感器测量的是混合气体中氧气的分压(气体压力单位mbar或Kpa)，这通常会在一些用户中引起疑问，因为市场上的大多数氧气传感器是测量氧气浓度这个参数(气体浓度单位是体积比Vol )。

那么，什么是氧分压?这是我们在跟用户讲解氧气O2传感器工作原理时，经常被问到的问题。在本文中，我们将讨论气体分压的定义、其背后的物理原理、如何计算氧分压以及如何将氧气分压转换为氧气浓度的方法(浓度体积比Vol)。

氧分压的定义

ppO2 是氧气的分压。 分压定义为气体混合物中单一气体组分的压力。 道尔顿分压定律表达了这样一个事实，即混合气体的总压力等于混合物中各个气体的分压之和。

道尔顿定律

这里详细介绍了氧气传感器工作原理的理论。理想的混合气体做无规则运动产生的总压力 (Ptotal) 等于该混合气体中各个气体组分的分压 (Pi) 之和。

从上述公式可以得出，单个气体组分的粒子数 (ni) 与混合气体的粒子总数 (ntotal) 之比，等于单个气体的分压 (Pi) 与混合气体的总压力 (Ptotal) 之比。

ni 气体 i 中的粒子数

ntotal 粒子总数

pi 气体 i 的分压

Ptotal 总压力

图 1 Ptotal = P1 + P2 + P3(恒定体积和温度)

举例说明 ：海平面的大气压(在标准大气条件下)为 1013.25mbar。 在这里，干燥空气的主要成分是氮气(78.08% Vol.)、氧气(20.95% Vol.)、氩气(0.93% Vol.)和二氧化碳(0.040% Vol.)。 由于上述气体可以近似为理想气体，因此体积含量 (%) 可以等同于粒子数 (n)。

从本文二个公式可以求解单个气体 (i) 的分压，得到：

则氧分压则等于：

什么是二氧化锆?

在高温 (>650⁰C) 下，稳定的二氧化锆 (ZrO₂) 表现出两种机制：

1.ZrO2 部分解离产生可移动的氧离子，因此成为氧气的固体电解质。涂有多孔电极的 ZrO2 圆盘连接到恒定直流电流源，允许环境氧离子通过材料传输。这会在阳极释放一定量的氧气，这与传输的电荷(电化学泵浦)成正比，根据法拉第电解定律。

2.ZrO2 的行为类似于电解质。如果一块 ZrO2 的两侧存在两种不同的氧气压力，则会在其两端产生电压(能斯特电压)。电解质两侧的两种不同离子浓度会产生称为能斯特电压的电势。该电压与两种不同离子浓度之比的自然对数成正比。

什么是氧化锆氧气传感器?

氧化锆氧气传感器不直接测量氧气浓度%Vol，而是测量单一氧气气体或混合气体中的氧气分压。该氧气传感器采用经过充分验证的小型二氧化锆基元件及其内核，由于其创新设计，不需要参考气体。这个特点实现了传感器在高温、潮湿和氧气压力变动下稳定运行的功能。

上述的两个氧化锆的特性中的任何一个都常被用于氧气传感器设计中，但是SST 的O2氧传感器O2-FR-T2-18BM-C同时采用了这两种原理。

该氧气传感器是不用参比气体就可测量氧气浓度，氧化锆内核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。

审核编辑：汤梓红