新型氧氣傳感器在節能減排領域中的應用

　　隨著工業化的發展，化石能源在大量消耗的同時，也給環境帶來了不小的影響。在國務院發布的《節能減排“十二五”規劃》中，國家對重點行業、重點領域的節能減排措施和目標進行了細化和量化。在此前提下，與煙氣排放、燃燒效率監控相關的排放監測儀器、儀表市場將迎來爆發式增長。為適應中國市場的業務需求和發展趨勢，英國城市技術公司于2012年底發布了一款專為煙氣分析而設計的長效無鉛氧傳感器——4OXecoLP。
　　
　　傳統含鉛氧氣傳感器
　　
　　傳統用于排放氣體檢測的氧氣傳感器可認為是二電極的金屬-空氣型電池，它由空氣陰極，鉛陽極和堿性電解液組成。陰極是涂有活性催化劑的一片聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，陽極是一個鉛塊，它們被包裹在一個金屬或塑料的密封容器中。空氣通過頂部的毛細管進入傳感器，陰陽極通過電流收集導線與傳感器的兩個引腳相連，如圖1所示：　　當氧氣到達工作電極時，發生還原反應：　　產生的氫氧根（OH-）通過電解液到達鉛電極，鉛電極發生氧化反應：　　通過外接一只已知電阻將電流轉換成電壓，就可以計算出氧氣的濃度。
　　
　　含鉛氧氣傳感器雖說已經有三十多年的歷史，但也存在其局限性：
　　
　　（1）燃燒產物影響使用壽命。燃燒產物一般都含二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOX）和二氧化硫（SO2）等酸性氣體。而傳感器內部為堿液，使用時間長之后，堿液PH值下降，燃料鉛也會加速消耗，從而縮短傳感器壽命。
　　
　　（2）不符合無鉛要求。含鉛的傳感器現在雖有RoHS和WEEE的豁免權，但無鉛傳感器將逐漸取代含鉛的傳感器，已經成為不可逆轉的環保大趨勢。
　　
　　（3）重量大，體積大。為延長傳感器壽命，需要多增加鉛的重量。
　　
　　長效無鉛氧氣傳感器技術特點
　　
　　針對含鉛氧氣傳感器的缺點，第二代三電極長壽命無鉛氧氣傳感器4OXecoLP應運而生。“eco”意味著“經濟”，而“LP”意思是“低功耗”。
　　
　　首先，從工作原理上看，氧氣在4OXecoLP的工作電極上發生還原反應：　　然后，在對電極上，水發生氧化反應并重新生成氧氣：　　因為工作原理的差別，長壽命無鉛氧氣傳感器的優點總結如下：
　　
　　（1）壽命長。整個反應中，高活性的電極只起到了催化氧化或還原的作用，沒有任何的消耗，這樣就避免了傳統鉛氧傳感器的陽極電極燃料耗盡的問題。4OXecoLP*的結構設計*地控制了傳感器內部電解液的揮發，因此它的使用壽命也大大超過傳統的氧氣傳感器。在0℃-60℃的溫度范圍及40%-75%相對濕度范圍內，這款傳感器使用壽命可以超過5年。
　　
　　（2）抗酸性氣體。4OXecoLP內部采用的是酸性電解液，能有效避免天然氣、石油、木材、生物質等多類型燃料燃燒產生的酸性氣體的干擾，保證傳感器在各種燃料使用環境中的適用性。
　　
　　（3）重量輕。排放領域用的含鉛氧氣傳感器，例如5FO，重量為44g；而4OXecoLP只有5g，重量優勢明顯。為研制體積小、重量輕的燃燒效率表提供了必要條件。
　　
　　（4）有認證。4OXecoLP已經使用在德國某品牌手持儀表中，并獲得了TüV認證，執行標準為EN50379-2，而且在質保期內失效率小于1%。
　　
　　（5）符合RoHS和WEEE要求。4OXecoLP不含鉛，這為儀表通過RoHS和WEEE認證提供了可能。
　　
　　（6）技術文檔齊全。我們能夠為用戶提供傳感器特性文檔、操作原理和參考電路，為客戶的應用保駕護航。
　　
　　長效無鉛氧氣傳感器　　三電極氧氣傳感器的應用電路和普通帶偏壓的電化學傳感器基本一致，zui大的差別為偏壓的差別。參照圖4，電路的具體分析如下：
　　
　　（1）SEN電壓比REF低600mV，精度要求為±10mV。
　　
　　（2）偏壓的提供需要用基準電壓芯片分壓，并配上合適的濾波電容。
　　
　　（3）運放盡量采用軌到軌（RailtoRail）輸入和輸出的精密運放。靜態電流能小于10uA，主要是為了延長電池的工作時間。
　　
　　（4）傳感器電流是從SEN往外流，Vout隨氧氣濃度增加而下降。
　　
　　（5）在儀表不使用的時候，D1、IC1和IC2盡量不要斷電，因為4OXecoLP信號*平衡需要45分鐘以上。
　　
　　（6）用戶如果覺得正負電源供電比較麻煩，可以我代表處，我們可以為您提供單電源供電的電路。
　　
　　（7）前放電路要盡量靠近傳感器，可以zui大程度地減小電磁干擾，并提高信噪比。
　　
　　（8）如果要設計本質安全電路，各電子元件的表面積和熱阻需要詳細計算。
　　
　　市場應用
　　
　　4OXecoLP的應用歷史可追溯到2010年，Citytech為德國某公司定制該產品，將其成功應用于煙氣分析儀中，并獲得了TüV認證。該傳感器以小型化、抗酸性氣體干擾以及長壽命等特點，受到了終端客戶的好評。目前，國內外各大煙氣分析儀生產商先后試用了4OXecoLP，測試數據令人非常滿意，預計今年下半年將大量投產使用。
　　
　　根據4OXecoLP的特點，具體應用如下：
　　
　　（1）在線煙氣分析表。目前國內多使用氧化鋯或分壓式鉛氧傳感器在線監測氧氣，后者的理論壽命近5年，但是受到進氣的溫濕度變化影響，壽命往往只能達到一年左右，而且其抵抗高濃度酸性氣體干擾的能力偏弱，局限了用戶的應用范圍。4OXecoLP不受進氣的溫濕度影響，可在高濃度酸性氣體干擾的情況下，穩定工作5年，同時可以為用戶節省一大筆由于質保期內傳感器失效而付出的維護費用（產品更換和差旅）。我們預計中國市場該產品的年容量為4-5千只，并保持15%-20%的年增長率。
　　
　　（2）燃燒效率分析表。目前燃燒效率分析表多用于工業鍋爐燃燒效率分析，但是隨著民用鍋爐逐步進入家庭，特別是冷凝式鍋爐的成功應用，家庭取暖市場將有爆發式的增長，燃燒效率分析表市場需求將會逐步擴大，監測機制更加完善，鍋爐生產廠以及維護單位都需要配備分析表，我們預計中國市場該產品的年容量為4-5千只，保持20%-25%的年增長率。
　　
　　（3）煙氣分析儀。國內的煙氣分析儀多為箱式結構，內部采用鉛氧傳感器和尺寸頗大的3系列毒氣傳感器，我們可以提供4OXecoLP和5系列毒氣傳感器予以替代，方便儀器生產商將產品往輕、薄、短、小方向發展。
　　
　　結語
　　
　　“十二五”時期，我國節能減排形勢嚴峻，但同時也為相關的儀表提供了巨大的商機。英國城市技術公司將堅定不移地推動技術創新，恪守六西格瑪制造理念，4OXecoLP的推出即是我們技術創新和制造理念的詮釋。我們還將一如既往地為客戶提供符合嚴格質量標準的產品和zui準確、可靠的氣體探測解決方案，以實現節能減排這一大目標下的各種客戶的具體需求。