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測(cè)量氧分壓的氧氣傳感器
什么是氧氣分壓，如何根據(jù)氧分壓計(jì)算氧濃度？
SST氧氣傳感器測(cè)量的是混合氣體中氧氣的分壓（氣體壓力單位mbar或Kpa），這通常會(huì)在一些用戶中引起疑問，因?yàn)槭袌?chǎng)上的大多數(shù)氧氣傳感器是測(cè)量氧氣濃度這個(gè)參數(shù)（氣體濃度單位是體積比Vol ）。
那么，什么是氧分壓？這是我們?cè)诟脩糁v解氧氣O2傳感器工作原理時(shí)，經(jīng)常被問到的問題。在本文中，我們將討論氣體分壓的定義、其背后的物理原理、如何計(jì)算氧分壓以及如何將氧氣分壓轉(zhuǎn)換為氧氣濃度的方法（濃度體積比Vol）。
氧分壓的定義
ppO2 是氧氣的分壓。 分壓定義為氣體混合物中單一氣體組分的壓力。 道爾頓分壓定律表達(dá)了這樣一個(gè)事實(shí)，即混合氣體的總壓力等于混合物中各個(gè)氣體的分壓之和。
道爾頓定律
這里詳細(xì)介紹了氧氣傳感器工作原理的理論。理想的混合氣體做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的總壓力 (Ptotal) 等于該混合氣體中各個(gè)氣體組分的分壓 (Pi) 之和。
從上述公式可以得出，單個(gè)氣體組分的粒子數(shù) (ni) 與混合氣體的粒子總數(shù) (ntotal) 之比，等于單個(gè)氣體的分壓 (Pi) 與混合氣體的總壓力 (Ptotal) 之比。
ni 氣體 i 中的粒子數(shù)
ntotal 粒子總數(shù)
pi 氣體 i 的分壓
Ptotal 總壓力
圖 1 Ptotal = P1 + P2 + P3（恒定體積和溫度）
舉例說明 ：海平面的大氣壓（在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下）為 1013.25mbar。 在這里，干燥空氣的主要成分是氮?dú)猓?8.08% Vol.）、氧氣（20.95% Vol.）、氬氣（0.93% Vol.）和二氧化碳（0.040% Vol.）。 由于上述氣體可以近似為理想氣體，因此體積含量 (%) 可以等同于粒子數(shù) (n)。
從本文二個(gè)公式可以求解單個(gè)氣體 (i) 的分壓，得到：
則氧分壓則等于：
什么是二氧化鋯？
在高溫 (>650?C) 下，穩(wěn)定的二氧化鋯 (ZrO?) 表現(xiàn)出兩種機(jī)制：
1. ZrO2 部分解離產(chǎn)生可移動(dòng)的氧離子，因此成為氧氣的固體電解質(zhì)。涂有多孔電極的 ZrO2 圓盤連接到恒定直流電流源，允許環(huán)境氧離子通過材料傳輸。這會(huì)在陽(yáng)極釋放一定量的氧氣，這與傳輸?shù)碾姾桑娀瘜W(xué)泵浦）成正比，根據(jù)法拉第電解定律。
2. ZrO2 的行為類似于電解質(zhì)。如果一塊 ZrO2 的兩側(cè)存在兩種不同的氧氣壓力，則會(huì)在其兩端產(chǎn)生電壓（能斯特電壓）。電解質(zhì)兩側(cè)的兩種不同離子濃度會(huì)產(chǎn)生稱為能斯特電壓的電勢(shì)。該電壓與兩種不同離子濃度之比的自然對(duì)數(shù)成正比。
什么是氧化鋯氧氣傳感器？
氧化鋯氧氣傳感器不直接測(cè)量氧氣濃度％Vol，而是測(cè)量單一氧氣氣體或混合氣體中的氧氣分壓。該氧氣傳感器采用經(jīng)過充分驗(yàn)證的小型二氧化鋯基元件及其內(nèi)核，由于其創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不需要參考?xì)怏w。這個(gè)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了傳感器在高溫、潮濕和氧氣壓力變動(dòng)下穩(wěn)定運(yùn)行的功能。
上述的兩個(gè)氧化鋯的特性中的任何一個(gè)都常被用于氧氣傳感器設(shè)計(jì)中，但是SST 的O2氧傳感器O2-FR-T2-18BM-C同時(shí)采用了這兩種原理。
該氧氣傳感器是不用參比氣體就可測(cè)量氧氣濃度，氧化鋯內(nèi)核元件由兩個(gè)相同的氧化鋯方片和三個(gè)鉑金環(huán)組成的夾心三明治形狀，由此形成一個(gè)密封的小空間。其中一個(gè)氧化鋯片兩邊是相反的電極，用作電化學(xué)的氧氣泵。另外一個(gè)氧化鋯片兩邊形成能斯特電壓。氧傳感器啟動(dòng)后，小空間氧氣被抽空，此時(shí)壓力P2和其輸送的電流成正比。在另外一個(gè)氧化鋯片上電壓上升。電壓到設(shè)定的參考值后，泵電流會(huì)改變反轉(zhuǎn)，氧氣會(huì)再被抽入這個(gè)小空間。壓力P2上升到設(shè)定的參考值后，泵電流再改變電流方向。這個(gè)過程會(huì)不斷重復(fù)，泵電流反轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)短和氧氣壓力成正比，此原理可實(shí)現(xiàn)對(duì)氧氣分壓的檢測(cè)。這消除了對(duì)密封參考?xì)怏w的需求，使傳感器更加通用，可用于各種不同的氧氣壓力測(cè)量，再配合我們的氧氣變送板OXY-LC一起工作，該氧氣傳感器能輸出氧分壓，氧濃度兩個(gè)參數(shù)值。
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