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(yè)的快速發(fā)展，高純氣體作為保護氣在超大規(guī)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(xiàn)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(fā)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)的簡化及潔凈

微量氧分析儀應盡可能簡化氣路系統(tǒng)，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(huán)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(wěn)定后，分別注入濃度為約20%，50%，80%的三種標準氣體，儀器穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定后，將傳輸濃度約為測量范圍80%的標準氣體。穩(wěn)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(wěn)定后，記錄穩(wěn)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(wěn)定后記錄示值作為量程初始值。儀器連續(xù)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。