氧气分析仪中使用的电化学电池

电化学传感器，也称为燃料电池，可测量气体或气体混合物中氧气的百分比或痕量 (ppm) 水平，并用于 Systech Illinois 的氧气分析设备。

针对不同应用优化氧气分析仪

也可提供用于在氢气或含氢气氛中测量的这两种电池类型的变体。 有多种样品池外壳类型，因此可以针对所选的气体分析应用对样品池进行优化。

我们的电化学氧传感器背后的理论

所有电化学氧传感器都是自供电、扩散受限、金属空气电池类型，包括阳极、半固体电解质浆料和空气阴极。 该电池包括一个包含两个电极的外壳、一个带有活性催化剂的扁平 PTFE 胶带、阴极和一块铅（阳极）。 外壳与控制氧气进入细胞的速率的小毛细管分开。

氧气通过与阴极接触的毛细管进入传感器，并立即还原为羟基离子：

O ₂ + 2 H ₂ O + 4 e– → 4 OH — (1)

然后这些氢氧根离子通过电解质迁移到铅阳极。 羟基离子与铅阳极反应，然后被氧化成氧化铅。

2 Pb + 4 OH — → 2 PbO + 4 e– + 2 H ₂ O (2)

当这两个过程发生时，会产生电流，该电流可由仪器测量。 该电流与氧气浓度成正比，可以准确测定氧气以用于气体分析。

氧气分析仪传感器使用寿命

由于电化学反应导致铅阳极氧化，电池的电气/化学性质发生变化，需要定期校准。 铅阳极的氧化也意味着氧气分析仪传感器的寿命有限。 一旦所有可用的铅都被氧化，电池将不再产生输出，必须更换。 因此，传感器暴露的氧气水平越低，它的工作时间就越长。

Systech Illinois ppm 电池测量低氧含量的寿命应超过 3 年。 百分比电池，测量空气，应该有大约 5 年的寿命。

气流中的某些成分会增加氧化速率，或形成其他铅化合物，从而缩短传感器的使用寿命。 这些包括 CO2 和 Cl2。 应尽可能避免含有这些气体的气流。

氧浓度或分压的测量

所有 Systech Illinois 电化学电池都使用毛细管扩散和测量氧气浓度。 膜式扩散屏障测量分压。

气压对氧气分析仪的影响

电池产生的电流与氧气的体积分数成正比，这与气体压力无关。 然而，如果电池受到压力或小压力脉冲的微小变化，例如通过泵，则可以产生瞬态电流，这将被视为分析仪上氧气读数的变化。

当压力发生变化时，气体被迫通过毛细管屏障（称为大流量）。 这导致流向电池的气体流量增加（或减少），从而导致输出信号出现瞬态。 一旦压力脉冲完成并重新建立扩散条件，瞬态就会迅速稳定下来。 Systech Illinois 电池配备了防散流机制，可抑制压力变化，从而显着降低瞬态信号，从而更准确地测量氧气。

压力脉冲对氧气测量的影响

一些泵可以使细胞经受一连串的压力脉冲，这克服了抗大流量装置并导致氧气读数增强。 在这些情况下，有必要设计采样系统以最小化脉冲。

如果压力脉冲足够大，电池屏障将破裂，通常伴随着电解液从电池中泄漏。 如果应用不当，低至 1 Bar 的压力可能会导致过压。 必须小心防止电池过压，因为这种性质的损坏不在 Systech Illinois 的保修范围内。

温度对氧气分析设备的影响

电化学电池对温度很敏感，尽管影响相对较小。 将温度从 +20 更改为 –20°C 将导致输出信号损失大约 10%。 为了尽量减少温度变化对氧气测量精度的影响，一些仪器（例如 EC900）的电池内置了温度补偿功能。 其他仪器可以安装温度补偿。

Systech Illinois 的氧气分析仪的输出线性

来自 Systech Illinois 小区的信号是：

O/P = 常数 * ln[1/(1-C)]

其中 C 是氧气的分数浓度

在实践中，电池的输出在高达 30% 的氧气中是有效线性的。 由于非线性和寿命缩短，氧浓度高于 30% 会带来困难。

Systech Illinois 的电化学氧气分析仪具有长期稳定性和低漂移

细胞的设计要求细胞的反应速度应该足以通过毛细管扩散，并且该过程中的所有其他阶段应该明显更快。 Systech Illinois 细胞具有高活性电极，因此细胞具有较大的活性储备。 这是确保出色的长期稳定性和低漂移的一个因素。

在气体分析中使用氢电池

氢电池经过专门设计，具有低氢交叉干扰。 它们必须用于氢气和含氢气的气流，包括乙烯等气体。

氢电池可用于任何其他气流，例如氮气，但其较低的信号输出需要对仪器进行修改以显示正确的读数。

载气分子量校正

载气或背景气体的分子量会影响氧气通过毛细管进入细胞的速率。 这将导致取决于载气的相同氧气浓度的不同电流输出。 如果测量载气与校准载气不同，则需要对此差异进行校正。

如需更多信息和计算，请下载完整的讨论说明。

氧气测量流的可接受气体

电化学电池非常耐受需要测量的气流中的许多成分。 这使得这些分析仪特别适合在可能存在许多污染物的碳氢化合物、熔炉和焊接炉中进行测量。 然而，一些化合物会干扰电池的运行，而另一些化合物则通过与电池组件发生反应而缩短电池寿命。

溶剂是一个特殊的问题，它们通常会侵蚀细胞材料，导致毛细管膨胀并阻止氧气到达细胞。 应避免含有溶剂的气流。

酸性气体会干扰电解液的运行，再次妨碍氧气的正确测量。 还应避免含有酸性或腐蚀性化合物的气流。

下面的列表概述了使用 Systech Illinois 燃料电池分析仪成功测量的一些气体和一些已知的问题气体。

可接受的气体
氮气、氩气、氦气、氢气*、氙气、SF6、丁二烯*、乙烯*、乙炔*
* 使用 H2 电池

需要特别注意避免的气体
二氧化碳（仅限低浓度）
一氧化碳*（缩短电池寿命）
氯 (Cl2)、氨、乙醛*、乙二醇*、甲醛*、氯乙烯*、甲基二氧戊环*、硫化氢 (H2S)
* 浓度低于 5ppm 时可接受

对于涉及上述以外气体的应用，请联系 Systech Illinois 寻求建议。

电化学氧分析仪的工业应用

Systech Illinois 电化学分析仪被工业气体生产商、工业气体用户用于安全监测。

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