Гальванічні датчики кисню є найпопулярнішою технологією для вимірювання концентрації кисню в повітрі. Їх можна розділити на два типи:

• Контроль масового потоку за допомогою капіляра
• Контроль парціального тиску за допомогою твердої полімерної мембрани

Датчики кисню працюють як металево-повітряна батарея. Кисень, що контактує з катодом, відновлюється до гідроксильних іонів із врівноважуючою реакцією окислення свинцю на аноді.

Електрохімічні датчики кисню генерують струм, пропорційний швидкості споживання кисню відповідно до закону Фарадея. Цей струм легко виміряти, помістивши навантажувальний резистор між катодом і анодом (2 штирі на датчику кисню) і вимірявши результуюче падіння напруги. Це значення резистора навантаження зазвичай становить від 10 до 100 Ом –занизький опір призводить до невеликого падіння напруги, яке важко виміряти, а зависокий опір створює напругу на аноді та катоді, що може спричинити несприятливі побічні реакції.

Термін служби електрохімічного датчика кисню

Більшість гальванічних датчиків кисню використовують платиновий електрод для відновлення кисню та окислюваний свинцевий анод для завершення електрохімічної реакції. Термін служби датчика залежить від наявності свинцю: датчик кисню вимикається, коли весь свинець окислюється. Вихідний сигнал залишається майже постійним, доки більша частина свинцю не окислиться, тому термін служби датчика кисню через споживання анода не можна передбачити приблизно за три тижні до того, як анод вичерпається.

Найпоширенішим електролітом у датчиках кисню є гідроксид калію (КОН): окислення свинцю найкраще контролювати в електроліті з рН між 10 і 12.

Датчики для використання в атмосферах з високим вмістом вуглекислого газу (наприклад, газів згоряння) іноді використовують кислий електроліт, щоб уникнути відкладення карбонату всередині датчика.

Підтікання електрохімічних датчиків кисню

Коли свинець окислюється, оксид свинцю займає більше об’єму, ніж чистий свинець, тому сумарний об’єм анода та електроліту всередині датчика кисню збільшується. Якщо датчик не сконструйований належним чином, внутрішній тиск у датчику накопичується, розколюючи корпус датчика, викликаючи витік.

Контроль масового потоку за допомогою капіляра

Датчики кисню, що використовують контроль масової витрати за допомогою капіляра; мають діаметр капіляра менше 100 мкм, контролюючи потік повітря до катода. Оскільки весь кисень, який дифундує через капіляр до платинового катода, зменшується, керування вихідним струмом здійснюється за допомогою фізики дифузії газу через капіляр.

Датчики керування масовим потоком кисню демонструють слабку залежність від температури, майже не залежать від тиску та швидко реагують, але мають сильний сплеск вихідної потужності, коли вони піддаються дії позитивного стрибку тиску, хоча вони швидко відновлюються до початкової вихідної потужності.

Контроль парціального тиску за допомогою твердої полімерної мембрани

В цьому електрохімічному методі вимірювання вмісту кисню в газі використовується тверда тефлонова мембрана: така ж технологія, як електроди з розчиненим киснем для вимірювання вмісту кисню у воді.

Швидкість дифузії газу через мембрану лінійно пропорційна парціальному тиску кисню з двох сторін мембрани відповідно до закону Фіка. Оскільки кисень зменшується на катоді, парціальний тиск на катодній стороні мембрани практично дорівнює нулю, створюючи рушійну силу, яка лінійно залежить від парціального тиску кисню, тому швидкість дифузії газу (і, отже, вихід датчика) лінійно залежить від парціального тиску кисню.

Датчики парціального тиску демонструють лінійну залежність тиску, вимагають температурної компенсації, показують менший час відгуку, але мають на них слабше впливають зміни тиску.