第33节氧气浓度传感器精选文档.ppt

第第33节氧气氧气浓度度传感器感器08-4-22本讲稿第一页，共十九页08-4-22 煤矿安全规程规定，在矿用工作和通行煤矿安全规程规定，在矿用工作和通行的井下空气中，氧气的含量必须在的井下空气中，氧气的含量必须在20%20%以上，二以上，二氧化碳要在氧化碳要在0.5%0.5%以下。但对于用安全方法救人以下。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。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，当氧含氧气是瓦斯爆炸的主要因素之一，当氧含量低于量低于12%12%时，就不会发生瓦斯爆炸事故。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。提供宝贵的数据。本讲稿第二页，共十九页08-4-22（一）氧的检测法（一）氧的检测法v氧气是无色、无味、氧气是无色、无味、无嗅的气体，比空气无嗅的气体，比空气稍重，在空气中含量稍重，在空气中含量20.93%20.93%（体积比），（体积比），与生物呼吸有密切关与生物呼吸有密切关系。系。v稍溶于水（在稍溶于水（在0 0度时度时1 1升水能容升水能容48.8948.89毫升）毫升）能与各种物质化合，能与各种物质化合，有助燃性。有助燃性。v氧气含量减少对人体氧气含量减少对人体危害较大，其危害程危害较大，其危害程度见表度见表1 1。本讲稿第三页，共十九页08-4-22v除了对可能缺氧的场所监测氧气浓度变化外，对于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。机的燃烧效率等等，也需要对氧气浓度进行监测。v根据测氧目的不同，可以选用不同的检测方法。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。定管法检测。（一）氧的检测法（一）氧的检测法本讲稿第四页，共十九页08-4-22（一）氧的检测法（一）氧的检测法本讲稿第五页，共十九页08-4-22（二）伽伐尼电池氧气传感器（二）伽伐尼电池氧气传感器 v结构结构伽伐尼电池式氧气传感器由伽伐尼电池式氧气传感器由正、负正、负电极，电解液，隔膜电极，电解液，隔膜等构成。等构成。阴极使用金、铂等金属，阳极使阴极使用金、铂等金属，阳极使用铅等金属；电解液选用用铅等金属；电解液选用碱性溶液碱性溶液（KOHKOH、NaOHNaOH等），或采用等），或采用酸性溶液酸性溶液（高氯酸、四氟硼酸、六氟硅酸等）（高氯酸、四氟硼酸、六氟硅酸等）；隔膜选用；隔膜选用101020m20m厚、透氧性厚、透氧性好的聚乙烯或聚氟乙烯树脂薄膜。好的聚乙烯或聚氟乙烯树脂薄膜。1-1-阳极；阳极；2-2-绝缘材料；绝缘材料；3-3-电解液；电解液；4-4-阴极；阴极；5-5-隔膜隔膜图图1 1 隔膜伽伐尼电池原理图隔膜伽伐尼电池原理图本讲稿第六页，共十九页08-4-22v工作原理工作原理 以铅氧电池为例，其阴极用贵金属金，阳极为铅，以铅氧电池为例，其阴极用贵金属金，阳极为铅，以过量以过量KOHKOH为电解液。待测气体为电解液。待测气体O O2 2透过隔膜溶解于电解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：液后到达负极表面并在这里被还原，反应式为：O O2 2+2H+2H2 2O+4eO+4e-4OH4OH-另一方面，在正极产生氧化反应，形成氢氧化物：另一方面，在正极产生氧化反应，形成氢氧化物：2Pb2Pb2Pb2Pb2+2+4e+4e-2Pb2Pb2+2+4OH+4OH-2Pb(OH)2Pb(OH)2 2 全反应是：全反应是：2Pb+O2Pb+O2 2+H2O2Pb(OH)+H2O2Pb(OH)2 2Pb(OH)Pb(OH)2 2+KOH KHPbO+KOH KHPbO2 2+H+H2 2O O（二）伽伐尼电池氧气传感器（二）伽伐尼电池氧气传感器 本讲稿第七页，共十九页08-4-22v反应电势为反应电势为式中：式中：n每一克分子气体反应的电子数；每一克分子气体反应的电子数；F法拉第常数；法拉第常数；PO2电极表面氧分压电极表面氧分压可见，可见，反应电动势与电极表面氧分压（即薄膜层中溶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。解的氧浓度）成比例变化。（二）伽伐尼电池氧气传感器（二）伽伐尼电池氧气传感器 本讲稿第八页，共十九页08-4-22 通过电阻流过的电流和氧气的关系一般用下式表示：通过电阻流过的电流和氧气的关系一般用下式表示：式中：式中：i i通过的电流；通过的电流；D D气体扩散系数；气体扩散系数；A A阴极表面积；阴极表面积；l l膜外表面至阴极表面距离，即扩散层厚度。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（二）伽伐尼电池氧气传感器 本讲稿第九页，共十九页08-4-22u影响元件的性能参数影响元件的性能参数v温度的影响温度的影响 由于隔膜伽伐尼电池的输出对温度成指数函数增加，由于隔膜伽伐尼电池的输出对温度成指数函数增加，所以一般采用图所以一般采用图2 2所示的，用热敏电阻作为放大器的负所示的，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。实现温度的自动补偿。图图2 2 温度补偿电路一例温度补偿电路一例 （二）伽伐尼电池氧气传感器（二）伽伐尼电池氧气传感器 本讲稿第十页，共十九页08-4-22v压力的影响压力的影响 因为隔膜伽伐尼电池对因为隔膜伽伐尼电池对O O2 2分压响应，所以其指示值分压响应，所以其指示值随气压的不同而变化。随气压的不同而变化。实际测量证明：井深增加实际测量证明：井深增加100m100m，氧含量增加，氧含量增加0.25%0.25%。为了达到精确测量的目的，必须在井下所测地点同水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：上校正好之后按下式进行修正：式中：式中：AA氧气真实值；氧气真实值；BB氧气传感器指示值；氧气传感器指示值；HH垂直垂直井深；井深；KK修正系数，取修正系数，取0.00250.0025。u影响元件的性能参数影响元件的性能参数（二）伽伐尼电池氧气传感器（二）伽伐尼电池氧气传感器 本讲稿第十一页，共十九页08-4-22v干扰气体的影响干扰气体的影响 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，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，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。示值由影响。u影响元件的性能参数影响元件的性能参数（二）伽伐尼电池氧气传感器（二）伽伐尼电池氧气传感器 本讲稿第十二页，共十九页08-4-22v水蒸汽的影响水蒸汽的影响 由于空气中的水蒸汽，氧气分压发生变化，但在常由于空气中的水蒸汽，氧气分压发生变化，但在常温（温（2020）下即使相对湿度为）下即使相对湿度为100%100%，对氧气指示值也，对氧气指示值也不会产生明显的影响。不会产生明显的影响。u影响元件的性能参数影响元件的性能参数（二）伽伐尼电池氧气传感器（二）伽伐尼电池氧气传感器 本讲稿第十三页，共十九页08-4-22v电解液酸碱度对寿命的影响电解液酸碱度对寿命的影响 在在碱性电解液碱性电解液中，各电极反应如下：中，各电极反应如下：负极负极 O O2 2+H+H2 2O+4eO+4e-4OH4OH-正极正极 2Pb+4OH2Pb+4OH-2PbO+2H2PbO+2H2 2O+4eO+4e-全反应全反应 Pb+OPb+O2 2PbOPbO 因电解液不同，各电极反应也不同。但无论何种条因电解液不同，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件，正极的反应生成物都是PbOPbO。一般。一般PbOPbO在碱性溶液在碱性溶液中溶解度不大。所以，传感器长期使用以后，其正极中溶解度不大。所以，传感器长期使用以后，其正极被被PbOPbO包围，影响传感器的使用寿命。包围，影响传感器的使用寿命。u影响元件的性能参数影响元件的性能参数（二）伽伐尼电池氧气传感器（二）伽伐尼电池氧气传感器 本讲稿第十四页，共十九页08-4-22v电解液酸碱度对寿命的影响电解液酸碱度对寿命的影响 PbOPbO在在酸性电解液酸性电解液中能迅速溶解，反应式为：中能迅速溶解，反应式为：PbO+2HClOPbO+2HClO4 4PbPb（ClOClO4 4）2 2+H+H2 2O OPbO+2HBFPbO+2HBF4 4（BFBF4 4）2 2+H+H2 2O OPbO+HPbO+H2 2SiFSiF6 6PbSiFPbSiF6 6+H+H2 2O O从而使铅正极表面干净，可望延长使用寿命。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（二）伽伐尼电池氧气传感器 u影响元件的性能参数影响元件的性能参数本讲稿第十五页，共十九页08-4-22测量范围：测量范围：0 025%O25%O2 2基本误差：基本误差：3%3%满量程满量程输出信号：输出信号：频率：频率：2002001000Hz;51000Hz;515Hz;515Hz;5155Hz155Hz电源：电源：121224V DC24V DC显示方式：显示方式：四位数码管显示四位数码管显示其他功能：其他功能：声光报警、红外线遥控声光报警、红外线遥控调校功能调校功能防爆标志：防爆标志：ExiblExiblGYH25GYH25型矿用氧气传感器型矿用氧气传感器郑州科安电控设备有限公司郑州科安电控设备有限公司 （二）伽伐尼电池氧气传感器（二）伽伐尼电池氧气传感器 u典型产品典型产品本讲稿第十六页，共十九页08-4-22（三）顺磁测氧原理（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。对体积浓度之积的和。gm某气体成分体积浓某气体成分体积浓度。度。本讲稿第十七页，共十九页08-4-22v工作原理工作原理 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，具有顺磁性的气体。随着温度升高，氧的磁性减弱，具有热磁效应。具有热磁效应。（三）顺磁测氧原理（三）顺磁测氧原理 热磁效应氧气传感器热磁效应氧气传感器 本讲稿第十八页，共十九页08-4-22v不含氧气时，连通管两端压力相同，气流不流经横向不含氧气时，连通管两端压力相同，气流不流经横向测量管，测量管，R R1 1=R R2 2，电桥平衡。，电桥平衡。v当待测气体中含有氧气时，由于氧的顺磁性，气体在当待测气体中含有氧气时，由于氧的顺磁性，气体在磁场作用下吸入连通管，并被加热。由于热磁效应，磁场作用下吸入连通管，并被加热。由于热磁效应，氧受热后顺磁性减弱，被加热的气体受到推斥，在连氧受热后顺磁性减弱，被加热的气体受到推斥，在连通管内形成被称为通管内形成被称为“磁风磁风”的连续气流，气流速度取的连续气流，气流速度取决于氧的浓度。受气流影响，电阻丝温度发生变化，决于氧的浓度。受气流影响，电阻丝温度发生变化，导致电桥失去平衡，用输出电压信号可度量氧气的浓导致电桥失去平衡，用输出电压信号可度量氧气的浓度。度。热磁效应氧气传感器热磁效应氧气传感器 （三）顺磁测氧原理（三）顺磁测氧原理 本讲稿第十九页，共十九页