微量氧分析仪的使用及维护

高 捷，郭振铎，王树德，马 嫣，闫 研

（1.山东省计量科学研究院，山东济南 250014；2.青岛博睿光电科技有限公司，山东青岛 266000）

1 引言

随着我国科学技术和新型材料等产业的快速发展，高纯气体作为保护气在超大规模集成电路、激光材料、光导纤维、航空航天材料等领域都有着重要的应用。氧气作为一种化学活性较强的物质，其含量是检测高纯气体质量的重要指标，所以控制和检测氧气含量的关键因素是高纯气体作为保护气。在我国国家标准中，对高纯气体的质量要求有明确的标准，高纯气体中微量氧的含量一般控制在几个μmol/mol（如表1 所示），想要准确测定不同种类的高纯气体中的氧，就必须选择合适的方法，而目前检测微量氧含量应用最广泛就是微量氧分析仪。故此，本文从微量氧分析仪的原理和分类、使用和维护、检定校准三方面进行分别介绍。

表1 几种高纯气体的氧含量的标准要求

2 微量氧分析仪的原理和分类

2.1 化学电池法

氧化还原电池是化学电池法微量氧分析仪的原理。传感器是主要的化学电池，主要由阴极、阳极，电解池。当氧气进入电池，氧气在阴极得到电子，阳极的金属铅氧化和失去电子。由电池产生的电子从电路中提取，并且通过诸如补偿、校正和放大的方法测量测量气体中的氧含量。反应式如下：阴极 O2+2H2O+4e-→4OH-；阳极 Pb+2OH-→PbO+H2O+2e-；总反应式2Pb+O2→2PbO。

不同的实现方式可以将化学电池法的微量氧分析仪可分为原电池法、燃料电池法和赫兹电池法。

2.1.1 原电池法

开放式的原电池法微量氧分析仪的检测池，需要添加电解液，清洗更换电极。维护起来比较麻烦的原因是在使用时需要配电解液，还要经常添加蒸馏水，更换干燥剂硅胶，气密性不易保证。该类仪器的电解液有酸性和碱性两种，阳极采用铅电极，阴极采用惰性的银或金电极，灵敏度降低时可以更换电极。

2.1.2 燃料电池法

燃料电池的传感器方法微氧分析仪是一种微型燃料电池。氧气通过扩散膜进入电池，和内部电解液不泄漏出来。阴极是由特殊金属，不参与氧化还原反应。氧气在阴极得到电子，阳极的金属铅，失去电子被氧化。电子电池产生的电力，可以测量气体的氧含量。

2.1.3 赫兹电池法

赫兹技术微量氧分析仪是化学电池方法的一个特例。电极不消耗期间使用。氧气进入从样品气进口和出口气体出口。没有损失的电极。电解液和样品。阴极为碳合金，阳极为铂金丝。测量原理为：在阳极板上（铂金丝，样气出口）：4OH-→O2+2H2O+4e-；在阴极板上（碳合金，样气入口）：O2+2H2O+4e-→4OH-。

该仪器在使用过程中只需定期添加纯净水或去离子水，维护量很小。适用于N2、He、Ar、H2和碳氢化物等的分析，最低检测限可达到75×10-12。

2.2 浓差电池法

氧化锆探头和氧量变送器两部分组成氧化氧量分析仪。氧化固体电解质氧浓差电池是氧化锆氧量分析仪的核心部件。参比半电池和测量半电池组成氧浓差电池，用氧化固体电解质连接在两个半电池之间，实际上，两个半电池的电极就是由1根氧化锆管涂于氧化管内外壁上的多孔性铂膜组成。供引出氧浓差电势用。其测量原理为：阴极O2+4e-→2O-；阳极2O-→O2+4e-。

还原性杂质对微量氧的分析有影响是氧化锆浓差电池的主要缺点，因为在500～800℃的情况下，氧可以和还原性物质发生反应，消耗氧造成分析结果偏低。具有量程范围宽，可覆盖常量至微量的氧含量分析，使用方便，使用寿命长的特点。

3 微量氧分析仪的使用与维护

3.1 泄漏

在首次启用微量氧分析仪前必须进行检漏检查。要想获得准确的数据结果，仪器必须在气密性合格的前提下才能使用。任何不严密的连接点、焊点、阀门等处，都会使得空气中的氧反渗进入管道及仪器内部，造成含氧量偏高的结果。

3.2 污染

在使用仪器当中，首先把空气吹干净，尽量不要使氧浓度太大，使传感器的使用寿命得到延长。需要使用纯气及通过脱氧管的纯气交替吹扫进行才能缩短管道系统净化过程中的净化时间。

3.3 管道材质的选择

氧含量的变化也受到管道材质及表面粗糙度的影响。一般不能用塑料管、橡胶管等作为连接管路，通常选用不锈钢管，并且要对不锈钢管内壁进行抛光处理，这样做的原因是微量氧有吸附性。

3.4 气路系统的简化及洁净

微量氧分析仪应尽可能简化气路系统，避免气路上的各种管件、阀门、表头中的死角。在管路连接处及阀门、表头中，不能使用水封，油封及腊封等密封设备，以防止氧溶解或者吸附以及污染，并且在仪器进口的管线上不宜增加易造成吸附或污染的净化设备。

3.5 背景气的干扰

不同原理的微量氧分析仪对背景气有不同的要求，如燃料电池法的分析仪，背景气中含有少量的氢可以对结果有很大的影响。对于背景气体中含有微量酸性气体的情况，只有赫兹电池氧分析仪可以消除干扰，其他燃料电池氧分析仪不能在酸性气体环境中进行分析。

3.6 干扰杂质的影响

干扰杂质主要是指除背景气体和待测组分之外的少量未知杂质。如果有微量的酸性气体的气体，如H2S，HCl，HCN 等，这将导致中毒的燃料电池传感器，和跟踪减少气体会影响氧化微量氧分析仪的结果。因此，微量杂质的存在应充分考虑检测，正确地选择分析仪器可以确保氧浓度的准确性。

3.7 定期维护

微量氧分析仪一般三个月进行一次检校，需要更新电解液或增加蒸馏水的传感器要定期进行添加和更新，还需定期对仪器的流量和压力进行观察。

4 微量氧分析仪的检定或校准

4.1 误差示值

仪器通电预热后，用零点空气吹扫管路，经零点稳定后，分别注入浓度为约20%，50%，80%的三种标准气体，仪器稳定，记录值重复3次，将算术平均值的每个点作为仪器的3倍值，进行参考误差计算，取最大绝对值作为仪器误差值。

4.2 重复性

对仪器进行预热后，用零点气体吹扫管道。注入浓度约为测量范围的50%的标准气体，并记录仪器的稳定值。重复操作6次后，通过贝塞尔公式计算相对标准偏差。

4.3 响应时间

对仪器进行预热后，首先将用零位气体吹扫管道。零点指示器稳定后，将传输浓度约为测量范围80%的标准气体。稳定指示器将被读取为仪器的初始值。停止通风后，注入零位气体以使仪器恢复为零，然后注入标准气体至测量范围的80%左右。

4.4 漂移

漂移包括零点漂移和量程漂移。首先用零点气对管路进行吹扫，待零点示值稳定后，记录稳定值作为零点初始值，然后再通人浓度为量程80%左右的标准气体，待示值稳定后记录示值作为量程初始值。仪器连续工作4h，每间隔1h 记录一次零点和量程示值。将与初始值有最大偏差的值作为最终值，并计算最终值与初始值之间的比率以及整个范围。

在验证和校准过程中，应注意：①验证过程中的流量应与使用过程中的流量一致。①由于检定校准过程中需要切换不同浓度的气体标准物质进行实验，在切换过程中空气中的氧难免会进入到检测管路中，这就需要对管路进行零点气的吹扫，以达到检定校准的要求。

5 结语

微量氧分析仪作为检测微量氧含量应用最广泛、使用频率最高的仪器，在石化、电力、电子、航空航天、冶金、纺织中有着重要的应用，因此微量氧分析仪正确的使用、维护和检校工作尤为重要。