新型氧气传感器在节能减排领域中的应用

　　随着全球工业化的发展，化石能源在大量消耗的同时，也给环境带来了不小的影响。在国务院发布的《节能减排“十二五”规划》中，国家对重点行业、重点领域的节能减排措施和目标进行了细化和量化。在此前提下，与烟气排放、燃烧效率监控相关的排放监测仪器、仪表市场将迎来爆发式增长。为适应中国市场的业务需求和发展趋势，英国城市技术公司于2012年底发布了一款专为烟气分析而设计的长效无铅氧传感器——4OXecoLP。

　　传统含铅氧气传感器

　　传统用于排放气体检测的氧气传感器可认为是二电极的金属-空气型电池，它由空气阴极，铅阳极和碱性电解液组成。阴极是涂有活性催化剂的一片聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，阳极是一个铅块，它们被包裹在一个金属或塑料的密封容器中。空气通过顶部的毛细管进入传感器，阴阳极通过电流收集导线与传感器的两个引脚相连。

　　当氧气到达工作电极时，发生还原反应：

　　

　　产生的氢氧根（OH-）通过电解液到达铅电极，铅电极发生氧化反应：

　　

　　通过外接一只已知电阻将电流转换成电压，就可以计算出氧气的浓度。

　　含铅氧气传感器虽说已经有三十多年的历史，但也存在其局限性：

　　（1）燃烧产物影响使用寿命。燃烧产物一般都含二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOX）和二氧化硫（SO2）等酸性气体。而传感器内部为碱液，使用时间长之后，碱液PH值下降，燃料铅也会加速消耗，从而缩短传感器寿命。

　　（2）不符合无铅要求。含铅的传感器现在虽有RoHS和WEEE的豁免权，但无铅传感器将逐渐取代含铅的传感器，已经成为不可逆转的环保大趋势。

　　（3）重量大，体积大。为延长传感器寿命，需要多增加铅的重量。

　　长效无铅氧气传感器技术特点

　　针对含铅氧气传感器的缺点，第二代三电极长寿命无铅氧气传感器4OXecoLP应运而生。“eco”意味着“经济”，而“LP”意思是“低功耗”。

　　首先，从工作原理上看，氧气在4OXecoLP的工作电极上发生还原反应：

　　

　　然后，在对电极上，水发生氧化反应并重新生成氧气：

　　

　　因为工作原理的差别，长寿命无铅氧气传感器的优点总结如下：

　　（1）寿命长。整个反应中，高活性的电极只起到了催化氧化或还原的作用，没有任何的消耗，这样就避免了传统铅氧传感器的阳极电极燃料耗尽的问题。 4OXecoLP独特的结构设计极好地控制了传感器内部电解液的挥发，因此它的使用寿命也大大超过传统的氧气传感器。在0℃-60℃的温度范围及 40%-75%相对湿度范围内，这款传感器使用寿命可以超过5年。

　　（2）抗酸性气体。4OXecoLP内部采用的是酸性电解液，能有效避免天然气、石油、木材、生物质等多类型燃料燃烧产生的酸性气体的干扰，保证传感器在各种燃料使用环境中的适用性。

　　（3）重量轻。排放领域用的含铅氧气传感器，例如5FO，重量为44g；而4OXecoLP只有5g，重量优势明显。为研制体积小、重量轻的燃烧效率表提供了必要条件。

　　（4）有认证。4OXecoLP已经使用在德国某知名品牌手持仪表中，并获得了TüV认证，执行标准为EN50379-2，而且在质保期内失效率小于1%。

　　（5）符合RoHS和WEEE要求。4OXecoLP不含铅，这为仪表通过RoHS和WEEE认证提供了可能。

　　（6）技术文档齐全。我们能够为用户提供传感器特性文档、操作原理和参考电路，为客户的应用保驾护航。

　　长效无铅氧气传感器

　　

　　三电极氧气传感器的应用电路和普通带偏压的电化学传感器基本一致，最大的差别为偏压的差别。参照图4，电路的具体分析如下：

　　（1）SEN电压比REF低600mV，精度要求为±10mV。

　　（2）偏压的提供需要用基准电压芯片分压，并配上合适的滤波电容。

　　（3）运放尽量采用轨到轨（RailtoRail）输入和输出的精密运放。静态电流最好能小于10uA，主要是为了延长电池的工作时间。

　　（4）传感器电流是从SEN往外流，Vout随氧气浓度增加而下降。

　　（5）在仪表不使用的时候，D1、IC1和IC2尽量不要断电，因为4OXecoLP信号完全平衡需要45分钟以上。

　　（6）用户如果觉得正负电源供电比较麻烦，可以联系我代表处，我们可以为您提供单电源供电的电路。

　　（7）前放电路要尽量靠近传感器，可以最大程度地减小电磁干扰，并提高信噪比。

　　（8）如果要设计本质安全电路，各电子元件的表面积和热阻需要详细计算。

　　市场应用

　　4OXecoLP的应用历史可追溯到2010年，Citytech为德国某知名公司定制该产品，将其成功应用于烟气分析仪中，并获得了TüV认证。该传感器以小型化、抗酸性气体干扰以及长寿命等特点，受到了终端客户的好评。目前，国内外各大烟气分析仪生产商先后试用了4OXecoLP，测试数据令人非常满意，预计今年下半年将大量投产使用。

　　根据4OXecoLP的特点，具体应用如下：

　　（1）在线烟气分析表。目前国内多使用氧化锆或分压式铅氧传感器在线监测氧气，后者的理论寿命近5年，但是受到进气的温湿度变化影响，寿命往往只能达到一年左右，而且其抵抗高浓度酸性气体干扰的能力偏弱，局限了用户的应用范围。4OXecoLP不受进气的温湿度影响，可在高浓度酸性气体干扰的情况下，稳定工作5年，同时可以为用户节省一大笔由于质保期内传感器失效而付出的维护费用（产品更换和差旅）。我们预计中国市场该产品的年容量为4-5千只，并保持15%-20%的年增长率。

　　（2）燃烧效率分析表。目前燃烧效率分析表多用于工业锅炉燃烧效率分析，但是随着民用锅炉逐步进入家庭，特别是冷凝式锅炉的成功应用，家庭取暖市场将有爆发式的增长，燃烧效率分析表市场需求将会逐步扩大，监测机制更加完善，锅炉生产厂以及维护单位都需要配备分析表，我们预计中国市场该产品的年容量为4-5千只，保持20%-25%的年增长率。

　　（3）烟气分析仪。国内的烟气分析仪多为箱式结构，内部采用铅氧传感器和尺寸颇大的3系列毒气传感器，我们可以提供4OXecoLP和5系列毒气传感器予以替代，方便仪器生产商将产品往轻、薄、短、小方向发展。

　　结语

　　“十二五”时期，我国节能减排形势严峻，但同时也为相关的仪表提供了巨大的商机。英国城市技术公司将坚定不移地推动技术创新，恪守六西格玛制造理念，4OXecoLP的推出即是我们技术创新和制造理念的完美诠释。我们还将一如既往地为客户提供符合严格质量标准的产品和最准确、可靠的气体探测解决方案，以完美实现节能减排这一大目标下的各种客户的具体需求。