氢气氧含量分析仪原理图
2025-10-10 来自: 郑州弘高电子科技有限公司 浏览次数:17
这类分析仪非常常见，例如在电力行业（发电机氢冷系统）、半导体行业和制氢过程中，都需要严格监控氢气中的氧含量（反之亦然），以确保安全和纯度。
由于其原理图涉及专业细节，我无法直接生成精确的工程图纸。但我可以为您详细描述几种主流技术的工作原理、核心组件，并提供清晰的示意图描述，您可以根据这些描述轻松找到对应的原理图。
核心分析技术
测量氢气背景气中微量氧（或氧气背景气中微量氢）的分析仪，主要基于电化学原理和热学原理。
方法一：电化学式氧分析仪（常用 for 微量测量）
这是测量微量氧（ppm级别） 广泛使用的方法，特别适用于氢气等惰性气体或还原性气体背景中的氧含量分析。
工作原理：
核心是一个电化学燃料电池。该电池内部有阴阳两个电极（通常由贵金属如金、铂制成）和电解液（如KOH溶液或固态电解质）。氧气在阴极被还原，产生一个与氧浓度成正比的扩散电流。
采样： 被测气体（含有H₂和微量O₂）通过渗透膜扩散进入传感器。
反应： 氧气（O₂）在阴极发生还原反应： O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
电流产生： 产生的氢氧根离子（OH⁻）通过电解质迁移到阳极，与阳极材料（如铅）发生氧化反应：2Pb + 4OH⁻ → 2PbO + 2H₂O + 4e⁻
信号检测： 这个反应过程会产生一个微弱的电流。该电流的大小与气体样品中氧分子的数量严格成正比。测量电路检测这个电流，并将其换算成氧浓度值显示出来。
原理图示意描述：
您可以想象一个简单的结构：
[ 被测气体 (H₂ + O₂) 入口 ]
|
V (扩散)
+--------------------------------------------------+
| 传感器外壳 |
| |
| [ 透气隔膜 ] - 只允许气体分子通过 |
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| |<- -="">| |
| |
| [ 阴极（贵金属）] <--- (O₂ + 4e⁻ → 4OH⁻) |
| | |
| (离子迁移) |
| | |
| [ 阳极（铅/活性金属）] <--- (2Pb + 4OH⁻ → ... + 4e⁻)|
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| +----------------------------------+ |
| | 外部电路 | |
| | 检测产生的电流 I ∝ [O₂] | |
| +----------------------------------+ |
+--------------------------------------------------+
搜索关键词： 电化学氧传感器原理图燃料电池式微量氧分析仪原理图
方法二：热导式分析仪（TCD） - 用于高浓度测量
这种方法主要用于测量主组分浓度，例如测量氢气纯度（即H₂占混合气的百分比，如99.9%）。它通过间接方式反映氧等杂质的含量。
工作原理：
基于不同气体具有不同的热导率。氢气的热导率远高于绝大多数其他气体（是空气的7倍左右）。
惠斯通电桥： 分析仪核心是一个电桥电路，桥臂由两个安装在参比腔（充满纯参考气，如纯H₂）的电阻和两个安装在测量腔（流通被测气体）的电阻组成。
加热与冷却： 这些电阻被电流加热到一定温度。
热平衡： 当纯氢气流过测量腔时，由于氢气导热性好，会迅速将测量电阻的热量带走，使其温度降低，电阻减小，此时电桥平衡。
浓度变化： 当被测氢气中含有氧气等杂质时（杂质的热导率远低于氢气），测量腔电阻的散热效率变差，其温度升高，电阻增大。
信号输出： 这破坏了电桥的平衡，产生一个不平衡的电信号。该信号的大小与氢气纯度（即杂质总含量）有确定的函数关系。
注意： 热导法测的是杂质总量，不能区分是氧气还是氮气。如果需要单独测氧，需结合其他方法。
原理图示意描述：
[ 参比气入口 (纯 H₂) ] [ 样品气入口 (待测 H₂) ]
| |
V V
+--------------------------------------------------------------------+
| 热导检测池 |
| |
| +--------------------+ +--------------------+ |
| | 参比腔 (R1) | | 测量腔 (R2) | |
| | 充满纯H₂，密封 | | 流通待测气体 | |
| | | | | |
| +----------+---------+ +----------+---------+ |
| | | |
| [ 电阻 R1 ] [ 电阻 R2 ] |
| | | |
| +----------+---------+ +----------+---------+ |
| | 参比腔 (R4) | | 测量腔 (R3) | |
| | 充满纯H₂，密封 | | 流通待测气体 | |
| | | | | |
| +--------------------+ +--------------------+ |
| |
| R1 R2 |
| | | |
| +----+----------+----+ |
| | | |
| (电源) (信号输出 Vout) |
| | | |
| +----+----------+----+ |
| | | |
| R4 R3 |
| |
+--------------------------------------------------------------------+
搜索关键词： 热导检测器原理图TCD原理图氢气纯度分析仪原理
方法三：氧化锆式氧分析仪（适用于高温或高纯度场合）
这种传感器响应非常快，常用于燃烧控制，也可用于高纯度氢气中微量氧的测量。
工作原理：
核心是一个在高温（650°-850°C）下工作的氧化锆陶瓷管，它成为一种固体电解质，能传导氧离子。
浓度差电池： 氧化�管内外侧涂有铂电极。内侧通参比气（通常是空气，氧含量20.6%），外侧通被测气体（氢气）。
离子迁移： 由于两侧氧浓度不同，氧分子会在浓度高的一侧（参比侧）获得电子成为氧离子，然后通过氧化锆晶体迁移到浓度低的一侧（测量侧），并在那里释放电子还原成氧分子。
电势产生： 这个离子迁移过程会产生一个电动势（电压），该电压遵循能斯特方程，与两侧氧浓度的比值有对数关系。通过测量这个电势即可计算出被测气体中的氧含量。
原理图示意描述：
[ 参比气 (空气) ]
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V
+---------------------------------------------------+
| 加热炉 (维持高温) |
| |
| +-------------------------------------------+ |
| | 氧化锆管 | |
| | | |
| | +-----------------------------+ | |
| | | 参比侧 (Pt电极) <- O²⁻ | | |
| | | | | |
| | | ZrO₂ 晶体 | | |
| | | | | |
| | | 测量侧 (Pt电极) O²⁻ -> | | |
| | +-----------------------------+ | |
| | | |
| +-------------------------------------------+ |
| | |
| +-----> [ 样品气 (H₂) ]|
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| +-----------------------------------+ |
| | 高阻抗毫伏计 测量电动势 EMF | |
| +-----------------------------------+ |
+---------------------------------------------------+
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总结与搜索建议
分析方法
优点
缺点
典型测量范围
搜索关键词
电化学式
灵敏度高（ppm级），价格适中，便携
传感器寿命有限（1-3年），响应较慢
0-10 ppm 至 0-1000 ppm
微量氧分析仪 原理图 电化学燃料电池 原理
热导式
寿命长，稳定，用于高浓度
只能测总杂质，精度较低
90%-100% H₂ (对应 0-10% 杂质)
热导分析仪 原理图 TCD工作原理氢气纯度分析仪 原理
氧化锆式
响应极快，可测高温气体
需要高温加热，设备复杂
ppm 至 % 级别
氧化锆氧分析仪 原理图 锆氧探头 结构图
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