什么是氧氣分壓，如何根據氧分壓計算氧濃度?

SST氧氣傳感器測量的是混合氣體中氧氣的分壓(氣體壓力單位mbar或Kpa)，這通常會在一些用戶中引起疑問，因為市場上的大多數氧氣傳感器是測量氧氣濃度這個參數(氣體濃度單位是體積比Vol )。

那么，什么是氧分壓?這是我們在跟用戶講解氧氣O2傳感器工作原理時，經常被問到的問題。在本文中，我們將討論氣體分壓的定義、其背后的物理原理、如何計算氧分壓以及如何將氧氣分壓轉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了這樣一個事實，即混合氣體的總壓力等于混合物中各個氣體的分壓之和。

道爾頓定律

這里詳細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則運動產生的總壓力 (Ptotal) 等于該混合氣體中各個氣體組分的分壓 (Pi) 之和。

從上述公式可以得出，單個氣體組分的粒子數 (ni) 與混合氣體的粒子總數 (ntotal) 之比，等于單個氣體的分壓 (Pi) 與混合氣體的總壓力 (Ptotal) 之比。

ni 氣體 i 中的粒子數

ntotal 粒子總數

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(在標準大氣條件下)為 1013.25mbar。 在這里，干燥空氣的主要成分是氮氣(78.08% 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 (n)。

從本文二個公式可以求解單個氣體 (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，穩定的二氧化鋯 (ZrO?) 表現出兩種機制：

1.ZrO2 部分解離產生可移動的氧離子，因此成為氧氣的固體電解質。涂有多孔電極的 ZrO2 圓盤連接到恒定直流電流源，允許環境氧離子通過材料傳輸。這會在陽極釋放一定量的氧氣，這與傳輸的電荷(電化學泵浦)成正比，根據法拉第電解定律。

2.ZrO2 的行為類似于電解質。如果一塊 ZrO2 的兩側存在兩種不同的氧氣壓力，則會在其兩端產生電壓(能斯特電壓)。電解質兩側的兩種不同離子濃度會產生稱為能斯特電壓的電勢。該電壓與兩種不同離子濃度之比的自然對數成正比。

什么是氧化鋯氧氣傳感器?

氧化鋯氧氣傳感器不直接測量氧氣濃度%Vol，而是測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過充分驗證的小型二氧化鋯基元件及其內核，由于其創新設計，不需要參考氣體。這個特點實現了傳感器在高溫、潮濕和氧氣壓力變動下穩定運行的功能。

上述的兩個氧化鋯的特性中的任何一個都常被用于氧氣傳感器設計中，但是SST 的O2氧傳感器O2-FR-T2-18BM-C同時采用了這兩種原理。

該氧氣傳感器是不用參比氣體就可測量氧氣濃度，氧化鋯內核元件由兩個相同的氧化鋯方片和三個鉑金環組成的夾心三明治形狀，由此形成一個密封的小空間。其中一個氧化鋯片兩邊是相反的電極，用作電化學的氧氣泵。另外一個氧化鋯片兩邊形成能斯特電壓。氧傳感器啟動后，小空間氧氣被抽空，此時壓力P2和其輸送的電流成正比。在另外一個氧化鋯片上電壓上升。電壓到設定的參考值后，泵電流會改變反轉，氧氣會再被抽入這個小空間。壓力P2上升到設定的參考值后，泵電流再改變電流方向。這個過程會不斷重復，泵電流反轉周期長短和氧氣壓力成正比，此原理可實現對氧氣分壓的檢測。這消除了對密封參考氣體的需求，使傳感器更加通用，可用于各種不同的氧氣壓力測量，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，氧濃度兩個參數值。

審核編輯：湯梓紅