專利名稱：隨動參比式微量氧分析儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用類似于氧化鋯這樣的氧濃差電池進行微量氧測量的原理，它屬于分析儀器領域，是一種主要用于分析氣體中含氧量在極低情況下的氧含量分析儀。
氧化鋯在加入一定量的其他特定介質進行焙燒成固熔體后在一定溫度下是一種氧離子的良導體，當在這種材料的兩邊加上電極后就成了氧濃差電池，其池電勢E由能斯特方程給定Et=RT/4F×ln[(PO2參)/(PO2測)]其中R為氣體常數(shù)、T為電池的絕對溫度、F為法拉第常數(shù)，它們都是已知量，這樣只要知道一側的氧分壓(PO2參)通過測量池電勢就可以計算出另一側的氧分壓(PO2測)，利用這種原理就可制做成氧含量分析儀，基本結構是把氧化鋯的兩側隔離并涂裝上電極，加熱到恒定的溫度并在一側通入已知氧濃度的參比氣，在另一側通入待測氣體，通過測量氧化鋯兩側的電勢即可求出待測氣體的氧濃度。利用氧化鋯的濃差電池來測量氣體或導電液體中的含氧量是一項成熟的技術，它已經(jīng)被廣泛應用于工農業(yè)及科研的各個部門。但是，目前世界上所有的該種形式的分析儀以及反映該種分析儀的技術文獻都認為參比側的氣體中的氧含量應該是穩(wěn)定不變的，這樣人們很容易想到空氣就是一種非常廉價穩(wěn)定的參比氣，用這種方法在常量氧分析方面取得了很大的成功，但在微量氧測量方面卻遇到了很大的麻煩，由于測量邊與參比邊的氧濃差太大，微泄漏和氧傳導的作用非常明顯，使得實際氧含量值與能斯特方程計算值嚴重偏離，甚至測量邊的微量氧有可能完全被泄漏和傳導的氧所“淹沒”而檢測不到。當然，根據(jù)能斯特方程我們可以選擇氧含量小的氣體作為小含量氧測量的參比氣，從而減小泄漏和傳導的氧，可是，在連續(xù)的微量氧測量中一種被長期耗費的而且氧含量要求高度穩(wěn)定的參比氣體實在是太難保證了。
本發(fā)明的目的就是要提出一種利用氧化鋯這樣的氧濃差電池來實現(xiàn)測量微量氧的原理，它采用把被分析的氣體作為參比氣體，同時在參比氣中另加入定量氧的原理來實現(xiàn)的，這樣就很容易達到使參比氣和分析氣的氧含量處在同一個數(shù)量級中。同時保證了使用費用低廉并可長期連續(xù)穩(wěn)定的運行。
本發(fā)明的具體原理是這樣的在氧濃差電池的測量邊通入連續(xù)的被測氣體，在它的參比邊也通入流量恒定的與測量邊相同的被測氣體，另外在參比邊再加入定量的氧氣，這樣參比氣是一個隨著測量氣中氧含量變化而變化的隨動氣體，在參比邊的參比氣中實際的氧含量值是被測氣體的氧含量值再加上一個恒定的增量，即在氧濃差電池的測量和參比邊保持一個已知的氧濃差。這時，根據(jù)能斯特方程可變換成如下的方程
Et=RT/4F×ln[(PO2測+PO2定)/(PO2測)]從以上的變換式可以看到雖然定量加入氧(PO2定)不變，但是，隨著測量氣體氧濃度(PO2測)的變化(PO2測+PO2定)/(PO2測)的值也在變化，即池電勢Et隨(PO2測)的變化而變化，這就是隨動參比式微量氧測量的基本理論依據(jù)。
當然，常量氧測量也可以應用這種方法，而且，對于改善測量范圍的線性很有好處，但是，由于需要增加定量氧加入裝置，會增加設備的投資，另外，目前應用空氣作為參比氣體完全能勝任絕大多數(shù)領域中的常量氧的測量，所以只在特殊的場所才需要這種處理方式。該發(fā)明的主要目的是要應用于微量氧測量領域。
目前所有利用類似于氧化鋯這樣的氧濃差電池，來在線連續(xù)測量氣體中微量氧濃度(如ppm級)的方式都不盡人意，而應用隨動參比式微量氧測量的方式徹底克服了目前以空氣為參比氣測量微量氧，因氧濃差太大所造成的氧滲透的弊病，因為這種方式并不需要另外補充作為參比氣的標準氣，所以，它不但能準確穩(wěn)定的測量，同時易維護、運行周期長、運行費用低，因此，可以廣泛的替代目前用其他原理來進行的微量氧測量。
實現(xiàn)隨動參比式微量氧測量的具體方法和特殊要求是這樣的在結構上有兩種方式——單流路進樣和雙流路進樣。單流路進樣方式是這樣的，進入分析儀的待測氣體經(jīng)過過濾、穩(wěn)壓、穩(wěn)流進入分析邊，從分析邊出來的氣體經(jīng)定量加氧器加氧后進入?yún)⒈冗叄@種方法結構簡單、成本低，對于氧含量變化不太劇烈的場所使用效果很好。雙流路進樣只是把進入分析儀的待測氣分成兩路，一路直接進分析邊，一路穩(wěn)壓、穩(wěn)流、加定值氧后進入?yún)⒈冗?，這種方式消除了時差，僅用于氧含量變化劇烈的場所和要求嚴格的場所。
定量加氧器可以使用電解、氧泵、甚至可以使用定量的加入空氣等方式，主要根據(jù)使用的場所、測量的范圍以及精度要求來定。
測量方式有兩種，一種是在參比邊的氣體中加入已知不變的定量氧，形成參比邊與測量邊的恒氧濃差系統(tǒng)，這樣只要測量氧濃差電池電勢，就可以根據(jù)能斯特方程的變換式計算出被測氣體的氧濃度，這種方法簡單實用。另一種是通過改變加入?yún)⒈冗厷怏w中的氧量，從而達到氧濃差電池的電勢恒定，形成測量電極與參比電極的恒電勢系統(tǒng)，這樣根據(jù)在參比邊加入的氧量的大小就可以計算出待測氣體的氧濃度，這種方式結構稍復雜，但是，在測量的全量程范圍內輸出信號均為線性，用這種方式進行測量可以達到很寬的量程范圍，并且在整個量程范圍內保持著幾乎相同的靈敏度，這是隨動參比式微量氧分析儀特有的方式?jīng)Q定的。
以雙流路恒電勢系統(tǒng)為代表闡述本發(fā)明的具體實施例待測氣體進入分析儀后被分成兩路，一路經(jīng)穩(wěn)壓、穩(wěn)流后進入氧濃差電池的測量邊，另一路經(jīng)穩(wěn)壓、穩(wěn)流后進入可控的定量氧發(fā)生器，與定量的氧混合后進入?yún)⒈冗?。由于在參比邊的氣體中另加入有定量的氧，所以氧濃差電池必然有氧濃差的電勢產(chǎn)生，為了保證在待測氣體含氧量變化時輸出的氧濃差電勢恒定，根據(jù)能斯特方程的變換式，只要保證(PO2測+PO2定)/(PO2測)恒定即可，由于在微量氧測量中加入的定量氧非常少，不會影響到參比氣的總體積的變化，所以只要根據(jù)進入?yún)⒈冗厷饬康拇笮【涂梢杂嬎愠黾尤氲亩垦跄苁箙⒈冗叺难鯘舛仍黾佣嗌?。在此我們設定(PO2測+PO2定)/(PO2測)=2(當然也可以設定為其它值)，這個比值說明由于加入了定量氧，使得參比邊的氧含量比測量邊的氧含量高了一倍，也就是說這時加入的定量氧使參比邊的氧濃度值的升高量正好等于待測氣體的氧濃度值，當待測氣的氧濃度發(fā)生變化時[(PO2測)+(PO2定)]/(PO2測)就偏離了恒定值，這時通過自動調節(jié)系統(tǒng)調節(jié)可控的定量氧發(fā)生器，使得(PO2測+PO2定)/(PO2測)重新恢復到恒定的值2上面來，這個過程自動的重復不停進行，由于比值恒為2則根據(jù)加入的定量氧的值就可以計算出待測氣的氧氣濃度。
權利要求
1.一種利用氧濃差電池進行微量氧測量的分析儀，其特征在于它的參比氣采用了連續(xù)的待測氣加定量氧的方案。其電勢與待測氣氧分壓的計算式是能斯特方程的變換式E=RT/4F×ln[(PO2測+PO2定)/(PO2測)]。
2.根據(jù)權利要求1所述的微量氧分析儀，其特征在于向通入?yún)⒈冗叺拇郎y氣體中加入已知的恒定量的氧，使得參比邊與測量邊的氣體含氧濃差是一定值。
3.根據(jù)權利要求1所述的微量氧分析儀，其特征在于向通入?yún)⒈冗叺拇郎y氣體中加入已知的可控量的氧，使得氧濃差電池產(chǎn)生的電勢為一定值。
全文摘要
一種利用氧濃差電池進行氣體中微量氧測量的分析儀器,該設計主要是為了解決目前利用象氧化鋯這樣的氧濃差電池來連續(xù)測量微量氧所遇到的困難。其基本技術特征是:參比邊通入的參比氣是另加定量氧的待測氣體,突破了目前必須使用空氣或標準氣作為參比氣的模式,使得這種分析儀既不需要另配參比氣,又克服了在微量氧測量中以空氣作為參比氣,因氧濃差過大漏氧量過多所造成的分析靈敏度過低的現(xiàn)象。
文檔編號G01N27/419GK1300940SQ9912687
公開日2001年6月27日 申請日期1999年12月21日 優(yōu)先權日1999年12月21日
發(fā)明者馮永生 申請人:馮永生