极限电流型氧化锆氧分析仪的设计

　　氧与人的生存息息相关。无论是在工业、农业、能源、交通、医疗、生态环境等各个方面，还是在日常生活中，氧都是需要控制和测量最多的一种物质元素。因此，检测氧气的浓度在气体工业控制、环境监测、医学以及人们日常生活等各方面都非常重要。目前，大多数传统仪器仪表通过氧传感器的电阻11112]或电势1314]的变化来检测氧气浓度，这类设备具有易受外界电场、磁场的干扰、需要参比气体且测量范围较窄、使用寿命短等不足之处。气相色谱法测氧、磁式氧分析仪等虽然能够比较精确地分析氧的浓度，但其成本高、装置复杂、使用和维修都比较麻烦l5]。而采用基于极限电流型氧化错氧传感器设计的氧分析仪具有使用寿命长、测量范围广、受外界干扰小阁、设备简单、性价比高等优点，且目前此方面的研发工作还少有文献报道。

　　1 极限电流型氧化错氧传感器的工作原理

　　极限电流型氧化错氧传感器的结构示意图如图1所示。该氧传感器由两面施加有铂金电极(传感器的阴极和阳极)的氧离子导体材料忆稳氧化铅片和带有微小扩散孔的扩散障片叠层密封而成，中间形成微小密闭空腔，阴极密闭于空腔之中。空腔中的气体通过微小扩散孔与外界气体相通。工作时，忆稳氧化错片处于高温状态，氧分子在传感器的阴极侧和阳极侧分别发生如式(1)和式(2)的反应，然后在传感器阴极(负极)和阳极(正极)间施加工作电压，在电场的驱动下，空腔中的氧气通过阴、阳电极和忆稳氧化错片被不断地泵运到空腔外，同时在回路中产生电流【17】。

　　当空腔中的氧气浓度小于外界氧气浓度时，空腔内外的氧浓度差会驱动外界氧气通过微小扩散孔向空腔内扩散。随着传感器阴阳极间施加电压的不断增大，从空腔内向外的泵氧量也随之增大，这更加增大了空腔内外的氧浓度差，继而驱动了更多的扩散，同时，回路中的电流值也随之增大。但由于微小扩散孔的限流作用，当工作电压增大到一定值时，从空腔内向外的泵氧量会使得阴极表面处的氧浓度趋于0。此时，空腔内外的氧浓度差达到最大，并且不再随工作电压增加而变化，即趋于稳定，这也使外界通过微小扩散孔进入空腔内的氧流量趋于稳定。由于在传感器串联回路中，忆稳氧化错片的导电载流子仅为氧离子，在上述极限状态时，忆稳氧化错片中泵运的氧离子数量完全取决于外界通过微小扩散孔进入空腔内的氧流量，因此，回路中出现一个稳定的电流平台值，称之为极限电澎)，如图2(“)所示。在正常扩散条件下，通过相应的扩散理论，可以推得该极限电撇L与被测外界氧浓度xoZ有如下的关系：