在半導體、新能源及高純氣體領域，氧濃度哪怕是 ppm 級的偏差都可能影響工藝品質。日本東麗（TORAY）LC-450D 直流供電型氧分析儀，正是基于氧化鋯濃差電池原理（Nernst Equation）實現 0.1ppm～100% O? 的超寬量程精準測量。它是如何工作的？今天我們拆開來看核心傳感機制。

一、氧化鋯傳感器的物理基礎

LC-450D 內置東麗特制的氧化鋯（ZrO?）固體電解質元件，摻雜氧化釔（Y?O?）穩定化處理，在常溫下為絕緣體，當被內部加熱器升溫至 700～750℃ 后，晶格中出現氧離子空位，變為優良的氧離子（O2?）導體，而電子幾乎不導通——這正是濃差電池得以成立的前提。

傳感器呈密閉小腔體，氧化鋯陶瓷片兩側燒結多孔鉑（Pt）電極：

• 外側：接觸大氣（參比氣體，氧濃度約 20.6%）

  
  

• 內側：接觸經內置泵連續抽入的被測氣體

  
  

二、濃差電池效應與能斯特方程

當氧化鋯兩側氧分壓不同時，發生如下過程：

1. 參比側（高分壓）：空氣中 O? 在鉑電極催化下捕獲電子 → 生成 O2? 離子，穿過氧化鋯晶格向低分壓側遷移；

   
   

2. 被測側（低分壓）：O2? 離子到達后釋放電子，重新結合為 O? 分子。

   
   

該氧離子定向遷移在兩電極間建立電勢差，稱為氧濃差電動勢（EMF）。其大小嚴格遵循能斯特（Nernst）方程：

E = (RT / 4F) × ln(P_ref / P_sample)

• E：氧濃差電動勢（mV）

  
  

• R：氣體常數

  
  

• T：絕對溫度（K，由內置溫控恒定）

  
  

• F：法拉第常數

  
  

• P_ref：參比氣體（空氣）氧分壓

  
  

• P_sample：被測氣體氧分壓

  
  

由于 P_ref 已知、T 由儀器精確控溫恒定，只需測得電動勢 E，即可反算出被測氣體的氧濃度

三、LC-450D 的信號處理流程

1. 恒溫控制：內置微型電爐+熱電偶閉環 PID 控溫，確保氧化鋯始終工作在設定溫度，消除溫漂影響；

   
   

2. 電勢采集：高阻抗放大器采集傳感器輸出的毫伏級濃差電動勢；

   
   

3. 數字換算：微處理器按能斯特方程及校準系數計算氧濃度，自動切換多段量程（0–10/100/1000ppm、1/10/100% 等）；

   
   

4. 結果輸出：4 位 LED 顯示，同步輸出 4–20mA 模擬量及 RS-232C 數字信號供上位機記錄

   
   

四、確保測量準確的注意事項

• 禁含物質：樣氣中不得含鹵素（Cl?/F?）、H?S、SO?、NO?、有機硅化合物、油霧及液態水，否則會導致鉑電極中毒或傳感器不可逆劣化；

  
  

• 可燃性氣體：H?、CO、烴類等可燃氣體進入高溫傳感器可能引發燃燒反應，造成讀數偏差；

  
  

• 過濾保護：建議依工況選配活性炭、脫硅或棉質前置過濾器，延長傳感器壽命；

  
  

• 定期校準：使用空氣點（AIR）做單點校準即可維持長期精度。

  
  

東麗 LC-450D 通過成熟穩定的氧化鋯濃差電池技術，避免了電化學傳感器消耗型老化的短板，在正常工況下傳感器壽命可達數年，是高純度惰性氣體監測與工藝氧控的可靠選擇。