《氣體分析 氧含量的測定 離子流法》

ICS71.100.20

CCSG86

CPCIF

中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CPCIFXXXX-XXXX

氣體分析氧含量的測定離子流法

Gasanalysis-Oxygencontentmeasurement-Ionflowmethod

（征求意見稿）

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實(shí)施

中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布

T/CPCIFXXXX-XXXX

氣體分析氧含量的測定離子流法

警告：本文件的使用可能涉及某些有危險(xiǎn)性的材料、操作和設(shè)備，但并未對(duì)與此有關(guān)的所有安全問

題都提出建議。用戶在使用本文件之前應(yīng)建立適當(dāng)?shù)陌踩头雷o(hù)措施，并保證符合國家有關(guān)法規(guī)規(guī)定的

條件。

1范圍

本文件描述了采用離子流法測定氣體中氧含量的方法。對(duì)儀器設(shè)備、校準(zhǔn)、試驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理和

試驗(yàn)報(bào)告等提出了要求。

本文件適用于工業(yè)氧、醫(yī)用及航空呼吸用氧、環(huán)境空氣、高原供氧的氧含量測定。

測定范圍：1000×10-6（摩爾分?jǐn)?shù)）～99.9×10-2（摩爾分?jǐn)?shù)）。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB/T3723工業(yè)用化學(xué)產(chǎn)品采樣安全通則

GB/T5274.1氣體分析校準(zhǔn)用混合氣體的制備第1部分：稱量法制備一級(jí)混合氣體

GB/T6379.2測量方法與結(jié)果的準(zhǔn)確度(正確度與精密度)第2部分確定標(biāo)準(zhǔn)測量方法重復(fù)性

與再現(xiàn)性的基本方法

GB/T6681氣體化工產(chǎn)品采樣通則

3術(shù)語和定義

本文件沒有需要界定的術(shù)語和定義。

4原理

4.1兩極離子流法

在已穩(wěn)定化的氧化鋯（即摻雜一定比例的低價(jià)金屬如氧化釔作為穩(wěn)定劑）兩側(cè)覆鉑（Pt）電極，陰

極側(cè)用有氣體擴(kuò)散小孔的罩接合，形成陰極空腔，氧分子從擴(kuò)散小孔進(jìn)入空腔。一定溫度下，氧分子在

陰極處鉑電極的催化作用下獲得電子形成氧離子（O2-），同時(shí)在氧化鋯電極兩側(cè)施加一定電壓時(shí)，O2-

在外加電場作用下通過氧化鋯的氧離子空位遷移到陽極產(chǎn)生氧化反應(yīng)，釋放電子結(jié)合成氧分子氣體釋放

3

T/CPCIFXXXX-XXXX

出來，這種現(xiàn)象被稱為電化學(xué)泵。在電化學(xué)泵的作用下，陰極的氧氣被氧化鋯電解質(zhì)源源不斷地泵到陽

極，氧離子在回路中形成電流，此電流與氧濃度成特殊的函數(shù)關(guān)系。在傳感器陰極和陽極間的反應(yīng)如下：

2-

陰極：O2+4e→2O

2-

陽極：2O→O2+4e

1

O2

2

A

32-

O

4

IL

O2

說明：

1——擴(kuò)散小孔；2——陰極；3——ZrO2-Y2O2固體電解質(zhì)；4——陽極。

圖1兩極離子流氧傳感器原理圖

兩極離子流法陰極空腔體積大，當(dāng)氧含量超過96×10-2（摩爾分?jǐn)?shù)）以后，傳感器信號(hào)輸出過大，

穩(wěn)定性和壽命直線下降，因此不能用于測定高濃度氧。

4.2三極離子流法

三極離子流氧傳感器由固體電解質(zhì)、共陰極、兩個(gè)獨(dú)立的陽極和擴(kuò)散障礙層組成。固體電解質(zhì)為摻

雜(3～10)%mol氧化釔的氧化鋯陶瓷制成的基體；陰極和陽極為高溫共燒后在氧化鋯陶瓷基體上的多

孔金屬鉑；擴(kuò)散障礙層為多孔陶瓷材料。將流延陶瓷生坯固體電解質(zhì)層、石墨層、擴(kuò)散障礙層和加熱器

層共壓后進(jìn)行高溫共燒，形成整體陶瓷基體結(jié)構(gòu)。石墨層在高溫下被氧化去除，形成離子化內(nèi)空腔。氧

分子從擴(kuò)散障礙層進(jìn)入空腔，被共陰極離子化，形成氧離子（O2-）。氧離子（O2-）在外加電場作用下

定向移動(dòng)形成電流，此電流與氧含量成正比關(guān)系。

23

1

4

5

6

說明：

1——固體電解質(zhì)；2——陽極；3——共陰極；

4——空腔；5——擴(kuò)散障礙層；6——加熱層。

圖2三極離子流氧傳感器原理圖

三極離子流氧傳感器的空腔是石墨層在高溫下被氧化去除后形成的細(xì)微空腔，降低空腔內(nèi)氧分子數(shù)

量，減小高純氧下的傳感器信號(hào)；同時(shí)采用共陰極和兩個(gè)獨(dú)立的陽極形成兩個(gè)“泵氧元”，降低單個(gè)“泵

氧元”上的電流，使得三極離子流法既適用于常量氧的測定，又適用于高純氧的測定。

4

T/CPCIFXXXX-XXXX

5儀器設(shè)備

5.1離子流氧分析儀

離子流氧分析儀由檢測室、氣路系統(tǒng)、電路模塊等組成，檢測室內(nèi)包括離子流氧傳感器。

5.2響應(yīng)

在儀器的測定范圍內(nèi)，儀器的響應(yīng)與氧含量之間應(yīng)有確定的函數(shù)關(guān)系。

5.3氣路系統(tǒng)

使用的閥門、氣路管線、連接件、密封件等與待測樣品接觸部分都應(yīng)采用不銹鋼材質(zhì)，并經(jīng)惰性

化處理。

5.4分辨率

儀器氧含量標(biāo)度的分辨率宜滿足表1的要求。

表1儀器氧含量標(biāo)度的分辨率要求

氧含量范圍（摩爾分?jǐn)?shù)）分辨率（摩爾分?jǐn)?shù)）

＞1000×10-6～10000×10-6≤0.1×10-6

＞10000×10-6～25×10-2≤0.01×10-2

＞25×10-2～90×10-2≤0.01×10-2

＞90×10-2～99.9×10-2≤0.01×10-2

5.5適應(yīng)要求

儀器應(yīng)與環(huán)境防護(hù)（防火、防爆）要求相適應(yīng)。

5.6標(biāo)度

儀器以氧含量（摩爾分?jǐn)?shù)）標(biāo)度。

6試驗(yàn)步驟

6.1校準(zhǔn)儀器

應(yīng)按以下校準(zhǔn)方法對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)：

a)校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)樣品按照GB/T5274.1制備；

b)應(yīng)在儀器測定范圍內(nèi)至少對(duì)儀器的零點(diǎn)和約80%量程的兩點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)按儀器說明書操

作。

6.2采樣

6.2.1采樣設(shè)備

采樣設(shè)備，包括采樣閥、管線、容器等與待測樣品接觸部分材質(zhì)都應(yīng)不與待測物發(fā)生物理和化學(xué)反

5

T/CPCIFXXXX-XXXX

應(yīng)，應(yīng)嚴(yán)格保證采樣設(shè)備的氣密性。

6.2.2氣體樣品采樣

氣體樣品的采樣原則及一般規(guī)定應(yīng)符合GB/T6681的規(guī)定。

6.2.3安全要求

采樣中的安全要求應(yīng)符合GB/T3723中的規(guī)定。

6.3測定

儀器通電，待儀器預(yù)熱完成，按照儀器規(guī)定的壓力和流量要求通入待測樣品，當(dāng)儀器顯示值穩(wěn)定后，

讀取氧含量值。

7試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

每隔2分鐘讀取一次氧含量值，至少連續(xù)讀取兩次讀數(shù)，當(dāng)連續(xù)讀數(shù)不再呈現(xiàn)方向性變化趨勢且相

對(duì)偏差不超過表2規(guī)定時(shí)，取其算術(shù)平均值為最終分析結(jié)果。

儀器測量相對(duì)偏差宜滿足表2的要求。

表2相對(duì)偏差要求

氧含量范圍（摩爾分?jǐn)?shù)）相對(duì)偏差

＞1000×10-6～10000×10-6±2%

＞10000×10-6～25×10-2±1%

＞25×10-2～90×10-2±1%

＞90×10-2～99.9×10-2±0.2%

8精密度

按GB/T6379.2的規(guī)定執(zhí)行。

8.1重復(fù)性

在重復(fù)性條件下獲得的兩次獨(dú)立測試結(jié)果的差值不超過1%。

8.2再現(xiàn)性

在再現(xiàn)性條件下獲得的兩次獨(dú)立測試結(jié)果的差值不超過3%。

9質(zhì)量保證和控制

所有計(jì)量設(shè)