微量氧分析儀的使用及維護

高 捷，郭振鐸，王樹德，馬 嫣，閆 研

（1.山東省計量科學研究院，山東濟南 250014；2.青島博睿光電科技有限公司，山東青島 266000）

1 引言

隨著我國科學技術和新型材料等產業的快速發展，高純氣體作為保護氣在超大規模集成電路、激光材料、光導纖維、航空航天材料等領域都有著重要的應用。氧氣作為一種化學活性較強的物質，其含量是檢測高純氣體質量的重要指標，所以控制和檢測氧氣含量的關鍵因素是高純氣體作為保護氣。在我國國家標準中，對高純氣體的質量要求有明確的標準，高純氣體中微量氧的含量一般控制在幾個μmol/mol（如表1 所示），想要準確測定不同種類的高純氣體中的氧，就必須選擇合適的方法，而目前檢測微量氧含量應用最廣泛就是微量氧分析儀。故此，本文從微量氧分析儀的原理和分類、使用和維護、檢定校準三方面進行分別介紹。

表1 幾種高純氣體的氧含量的標準要求

2 微量氧分析儀的原理和分類

2.1 化學電池法

氧化還原電池是化學電池法微量氧分析儀的原理。傳感器是主要的化學電池，主要由陰極、陽極，電解池。當氧氣進入電池，氧氣在陰極得到電子，陽極的金屬鉛氧化和失去電子。由電池產生的電子從電路中提取，并且通過諸如補償、校正和放大的方法測量測量氣體中的氧含量。反應式如下：陰極 O2+2H2O+4e-→4OH-；陽極 Pb+2OH-→PbO+H2O+2e-；總反應式2Pb+O2→2PbO。

不同的實現方式可以將化學電池法的微量氧分析儀可分為原電池法、燃料電池法和赫茲電池法。

2.1.1 原電池法

開放式的原電池法微量氧分析儀的檢測池，需要添加電解液，清洗更換電極。維護起來比較麻煩的原因是在使用時需要配電解液，還要經常添加蒸餾水，更換干燥劑硅膠，氣密性不易保證。該類儀器的電解液有酸性和堿性兩種，陽極采用鉛電極，陰極采用惰性的銀或金電極，靈敏度降低時可以更換電極。

2.1.2 燃料電池法

燃料電池的傳感器方法微氧分析儀是一種微型燃料電池。氧氣通過擴散膜進入電池，和內部電解液不泄漏出來。陰極是由特殊金屬，不參與氧化還原反應。氧氣在陰極得到電子，陽極的金屬鉛，失去電子被氧化。電子電池產生的電力，可以測量氣體的氧含量。

2.1.3 赫茲電池法

赫茲技術微量氧分析儀是化學電池方法的一個特例。電極不消耗期間使用。氧氣進入從樣品氣進口和出口氣體出口。沒有損失的電極。電解液和樣品。陰極為碳合金，陽極為鉑金絲。測量原理為：在陽極板上（鉑金絲，樣氣出口）：4OH-→O2+2H2O+4e-；在陰極板上（碳合金，樣氣入口）：O2+2H2O+4e-→4OH-。

該儀器在使用過程中只需定期添加純凈水或去離子水，維護量很小。適用于N2、He、Ar、H2和碳氫化物等的分析，最低檢測限可達到75×10-12。

2.2 濃差電池法

氧化鋯探頭和氧量變送器兩部分組成氧化氧量分析儀。氧化固體電解質氧濃差電池是氧化鋯氧量分析儀的核心部件。參比半電池和測量半電池組成氧濃差電池，用氧化固體電解質連接在兩個半電池之間，實際上，兩個半電池的電極就是由1根氧化鋯管涂于氧化管內外壁上的多孔性鉑膜組成。供引出氧濃差電勢用。其測量原理為：陰極O2+4e-→2O-；陽極2O-→O2+4e-。

還原性雜質對微量氧的分析有影響是氧化鋯濃差電池的主要缺點，因為在500～800℃的情況下，氧可以和還原性物質發生反應，消耗氧造成分析結果偏低。具有量程范圍寬，可覆蓋常量至微量的氧含量分析，使用方便，使用壽命長的特點。

3 微量氧分析儀的使用與維護

3.1 泄漏

在首次啟用微量氧分析儀前必須進行檢漏檢查。要想獲得準確的數據結果，儀器必須在氣密性合格的前提下才能使用。任何不嚴密的連接點、焊點、閥門等處，都會使得空氣中的氧反滲進入管道及儀器內部，造成含氧量偏高的結果。

3.2 污染

在使用儀器當中，首先把空氣吹干凈，盡量不要使氧濃度太大，使傳感器的使用壽命得到延長。需要使用純氣及通過脫氧管的純氣交替吹掃進行才能縮短管道系統凈化過程中的凈化時間。

3.3 管道材質的選擇

氧含量的變化也受到管道材質及表面粗糙度的影響。一般不能用塑料管、橡膠管等作為連接管路，通常選用不銹鋼管，并且要對不銹鋼管內壁進行拋光處理，這樣做的原因是微量氧有吸附性。

3.4 氣路系統的簡化及潔凈

微量氧分析儀應盡可能簡化氣路系統，避免氣路上的各種管件、閥門、表頭中的死角。在管路連接處及閥門、表頭中，不能使用水封，油封及臘封等密封設備，以防止氧溶解或者吸附以及污染，并且在儀器進口的管線上不宜增加易造成吸附或污染的凈化設備。

3.5 背景氣的干擾

不同原理的微量氧分析儀對背景氣有不同的要求，如燃料電池法的分析儀，背景氣中含有少量的氫可以對結果有很大的影響。對于背景氣體中含有微量酸性氣體的情況，只有赫茲電池氧分析儀可以消除干擾，其他燃料電池氧分析儀不能在酸性氣體環境中進行分析。

3.6 干擾雜質的影響

干擾雜質主要是指除背景氣體和待測組分之外的少量未知雜質。如果有微量的酸性氣體的氣體，如H2S，HCl，HCN 等，這將導致中毒的燃料電池傳感器，和跟蹤減少氣體會影響氧化微量氧分析儀的結果。因此，微量雜質的存在應充分考慮檢測，正確地選擇分析儀器可以確保氧濃度的準確性。

3.7 定期維護

微量氧分析儀一般三個月進行一次檢校，需要更新電解液或增加蒸餾水的傳感器要定期進行添加和更新，還需定期對儀器的流量和壓力進行觀察。

4 微量氧分析儀的檢定或校準

4.1 誤差示值

儀器通電預熱后，用零點空氣吹掃管路，經零點穩定后，分別注入濃度為約20%，50%，80%的三種標準氣體，儀器穩定，記錄值重復3次，將算術平均值的每個點作為儀器的3倍值，進行參考誤差計算，取最大絕對值作為儀器誤差值。

4.2 重復性

對儀器進行預熱后，用零點氣體吹掃管道。注入濃度約為測量范圍的50%的標準氣體，并記錄儀器的穩定值。重復操作6次后，通過貝塞爾公式計算相對標準偏差。

4.3 響應時間

對儀器進行預熱后，首先將用零位氣體吹掃管道。零點指示器穩定后，將傳輸濃度約為測量范圍80%的標準氣體。穩定指示器將被讀取為儀器的初始值。停止通風后，注入零位氣體以使儀器恢復為零，然后注入標準氣體至測量范圍的80%左右。

4.4 漂移

漂移包括零點漂移和量程漂移。首先用零點氣對管路進行吹掃，待零點示值穩定后，記錄穩定值作為零點初始值，然后再通人濃度為量程80%左右的標準氣體，待示值穩定后記錄示值作為量程初始值。儀器連續工作4h，每間隔1h 記錄一次零點和量程示值。將與初始值有最大偏差的值作為最終值，并計算最終值與初始值之間的比率以及整個范圍。

在驗證和校準過程中，應注意：①驗證過程中的流量應與使用過程中的流量一致。①由于檢定校準過程中需要切換不同濃度的氣體標準物質進行實驗，在切換過程中空氣中的氧難免會進入到檢測管路中，這就需要對管路進行零點氣的吹掃，以達到檢定校準的要求。

5 結語

微量氧分析儀作為檢測微量氧含量應用最廣泛、使用頻率最高的儀器，在石化、電力、電子、航空航天、冶金、紡織中有著重要的應用，因此微量氧分析儀正確的使用、維護和檢校工作尤為重要。