案例展示

氧气浓度传感器

发布日期:2020-10-31 23:04

  《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20% 以上,二氧化碳要在0.5%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。 氧气是瓦斯爆炸的主要因素之一,当氧 含量低于12%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。 08-4-22 (一)氧的检测法 ? 氧气是无色、无味、 无嗅的气体,比空气 稍重,在空气中含量 20.93%(体积比), 与生物呼吸有密切关 系。 ? 稍溶于水(在0度时1 升水能容48.89毫升) 能与各种物质化合, 有助燃性。 ? 氧气含量减少对人体 危害较大,其危害程 度见表1。 08-4-22 (一)氧的检测法 ? 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 其它内燃机的燃烧效率等等,也需要对氧气浓 度进行监测。 ? 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 池或检定管法检测。 08-4-22 (一)氧的检测法 08-4-22 (二)伽伐尼电池氧气传感器 ? 结构 ?伽伐尼电池式氧气传感器由正、 负电极,电解液,隔膜等构成。 ?阴极使用金、铂等金属,阳极 使用铅等金属;电解液选用碱性 溶液(KOH、NaOH等),或采用酸 性溶液(高氯酸、四氟硼酸、六 氟硅酸等);隔膜选用10~20μ m 厚、透氧性好的聚乙烯或聚氟乙 1-阳极;2-绝缘材料;3-电解 烯树脂薄膜。 液;4-阴极;5-隔膜 图1 隔膜伽伐尼电池原理图 08-4-22 (二)伽伐尼电池氧气传感器 ? 工作原理 以铅氧电池为例,其阴极用贵金属金,阳极为铅, 以过量KOH为电解液。待测气体O2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: O2+2H2O+4e-→4OH另一方面,在正极产生氧化反应,形成氢氧化物: 2Pb→2Pb2++4e2Pb2++4OH-→2Pb(OH)2 全反应是: 2Pb+ O2+H2O→2Pb(OH)2 Pb(OH)2+KOH →KHPbO2+H2O 08-4-22 (二)伽伐尼电池氧气传感器 ? 反应电势为 RT E ? E0 ? lg PO2 nF 式中: n——每一克分子气体反应的电子数; F——法拉第常数; PO2——电极表面氧分压 可见,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。 08-4-22 nFA a (二)伽伐尼电池氧气传感器 通过电阻流过的电流和氧气的关系一般用下式表示: RT DA i? ? C nF l 式中:i——通过的电流; D——气体扩散系数; A——阴极表面积; l——膜外表面至阴极表面距离,即扩散层厚度。 08-4-22 (二)伽伐尼电池氧气传感器 ?影响元件的性能参数 ? 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, 所以一般采用图2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 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 实现温度的自动补偿。 08-4-22 图2 温度补偿电路一例 (二)伽伐尼电池氧气传感器 ?影响元件的性能参数 ? 压力的影响 因为隔膜伽伐尼电池对O2分压响应,所以其指示值 随气压的不同而变化。 实际测量证明:井深增加100m,氧含量增加0.25%。 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 上校正好之后按下式进行修正: A ? B ? 20.96/?20.9 ? HK ? 式中:A——氧气真实值;B——氧气传感器指示值;H——垂 直井深;K——修正系数,取0.0025。 08-4-22 (二)伽伐尼电池氧气传感器 ?影响元件的性能参数 ? 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 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, 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。 08-4-22 (二)伽伐尼电池氧气传感器 ?影响元件的性能参数 ? 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 温(20℃)下即使相对湿度为100%,对氧气指示值也 不会产生明显的影响。 08-4-22 (二)伽伐尼电池氧气传感器 ?影响元件的性能参数 ? 电解液酸碱度对寿命的影响 在碱性电解液中,各电极反应如下: 负极 O2+ H2O+4e-→4OH正极 2Pb+4OH-→2PbO+ 2H2O+4e全反应 Pb+ O2→PbO 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PbO。一般PbO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 被PbO包围,影响传感器的使用寿命。 08-4-22 (二)伽伐尼电池氧气传感器 ?影响元件的性能参数 ? 电解液酸碱度对寿命的影响 PbO在酸性电解液中能迅速溶解,反应式为: PbO+ 2HClO4→Pb(ClO4)2+ H2O PbO+ 2HBF4→(BF4)2+ H2O PbO+ H2SiF6→PbSiF6+ H2O 从而使铅正极表面干净,可望延长使用寿命。 08-4-22 (二)伽伐尼电池氧气传感器 ?典型产品 测量范围:0~25%O2 基本误差:±3%满量程 输出信号:频率:200~1000Hz; 5~15Hz; 5~155Hz 电源:12~24V DC 显示方式:四位数码管显示 其他功能:声光报警、红外线遥 控调校功能 防爆标志