顺磁式氧分析仪工作原理解析
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顺磁式氧分析仪是根据氧气的体积磁化率比一般气体高得多,在磁场中具有极高的顺磁特性的原理制成的一种测量气体中含氧量的分析仪器。

顺磁式氧分析仪,也可叫做磁效应式氧分析仪、或磁式氧分析仪,我们通常通称为磁氧分析仪。它一般分为磁机械式、磁压力式和氧热磁对流式分析仪三种。

任何物质,在外界磁场的作用下,都会被磁化,呈现出一定的磁特性。物质在外磁场中被磁化,其本身会产生一个附加磁场,附加磁场与外磁场方向相同,该物质被吸引,表现为顺磁性;方向相反,该物质被排斥,表现为逆磁性。气体介质处于磁场也会被磁化,而且根据气体的不同也分别表现出顺磁性或逆磁性。如O2、NO、NO2等是顺磁性气体,H2、N2、CO2、CH4等是逆磁性气体。体积磁化率——任何物质,在外界磁场的作用下,都会被磁化,不同物质受磁化的程度不同,可以用磁化强度M来表示:

                          M=kH

        式中     M——磁化强度;

                 H——外磁场强度;

                  K——物质的体积磁化率;

K的物理意义是指在单位磁场作用下,单位体积的物质的磁化强度。磁化率为正(k>0)称为顺磁性物质,它们在外磁场中被吸引;k<0则称为逆磁性物质,它在外磁场中被排斥;k值愈大,则受吸引和排斥的力愈大。

常见气体的体积磁化率(0℃)

气体名称                           

化学符号                              

体积磁化率

K×10-6(C.G.S.M. )                         

O2

+146

一氧化碳

NO

+53

空气

--

+30.8

二氧化碳

NO2

+9

氧化亚氮

N2O

+3

乙烯

C2H4

+3

乙炔

C2H6

+1

甲烷

CH4

-1

从上表可以看出,氧是顺磁性物质,其体积磁化率要比其他气体的体积磁化率大的多。顺磁式氧分析器:根据氧气的体积磁化率比一般气体高得多,在磁场中具有极高的顺磁特性的原理制成的一种测量气体中含氧量的分析仪器。

 磁力机械式气体分析仪的工作原理

在一个封闭的气室中,装有两对不均匀的磁极,它们的磁场强度梯度正好相反。两个空心球(俗称哑铃)置于两对磁极的间隙中,用弹性金属带固定在壳体上,这样,哑铃只能以金属带为轴转到而不能上下移动。在哑铃与金属带交点处装一平面反射镜。被测样气由入口进入气室后,它就充满了气室。两个空心球被样气所包围,被测样气的氧含量不同其体积磁化率k值也不同,球体所受到的作用力就不同。如果哑铃了的两个空心球体积相同,体积磁化值相等,两个球体受到的力大小相等、方向相反,对于中心支撑点金属带而言,它受到的是一个力偶的作用,这个力偶促使哑铃以金属带为轴心偏转,在哑铃做角位移的同时,金属带会产生一个抵抗哑铃偏转的复位力矩,与转动力矩相平衡,被测样气中的氧含量不同,旋转力矩和恢复力矩的平衡位置不同,也就是哑铃的偏转角度不同,这样,哑铃偏转角度的大小,就反映了被测气体中氧含量的多少。


磁力机械式氧分析仪测量部件示意图

对哑铃球偏转角度的测量,大多是采用下图所示的光电系统来完成的。由光源发出的光投射在平面反射镜上,反射镜再把光束反射到两个光电元件(如硅光电池、硒光电池)上。在被测样气不含氧时,空心球处于磁场的中间位置,此时,平面反射镜将光源发出的光束均衡地反射在两光电元件上,两个光电元件接收的光能相等。一般两个光电采用差动方式连接,因此,光电组件输出为零,仪器最终输出也为零。

当被测样气中有氧存在时,氧分子受磁场吸引,沿磁场强度梯度方向形成氧分压差,其大小随氧含量不同而异,该压力差驱动空心球移出磁场中心位置,于是,哑铃球偏转了一个角度,反射镜随之偏转,反射出的光束也随之偏移,这时,两个光电元件接收到的光能量出现差值,光电组件有毫伏电压信号输出。被测气体中氧含量越高,光电组件输出信号越大。该信号经反馈放大器放大作为仪器检测输出。
    为了改善仪器的输出特性,空心球上环绕一匝金属线圈。该金属线圈在电路上接收输出电流的反馈,对哑铃产生一个附加复位力矩,从而使哑铃的偏转角度大大减小



磁力机械式氧分析仪光学测量系统原理图

 磁力机械式氧分析仪的主要特点和使用注意事项
1、主要特点:
与热磁式分析仪相比,磁力机械式氧分析仪有如下特点:
    ①它是对氧的顺磁性直接测量的分析仪,在测量中,不受被测气体导热性变化、密度变化等影响。
    ②在0…100%O2范围内线性刻度、测量精度较高,测量误差可低至±0.1%O2。
    ③灵敏度高,除了用于常量的测量以外,还可用于微量氧(O2‰)的测量。
2、注意事项:
    ①磁力机械式氧分析仪基于对磁化率的直接测量,像氧氮等一些强磁性气体会对测量带来严重干扰,所以应将这些干扰组分除掉。此外,一些较强逆磁性气体也会引起较大的测量误差。如氙气,若样品中含有较多的这类气体,也应予以清除或对测量结果采取修正措施。
    ②氧气的体积磁化率是压力、温度的函数,样气压力、温度的变化以及环境温度的变化,都会对测量结果带来影响。因此,必须稳定样气的压力,使其符合调校仪器时的压力值。环境温度和整个检修部件,均应工作在设计的温度范围内,一般来说,各种型号的磁力机械式氧分析仪均带有温度控制系统,以维持检测部件在恒温条件下工作。
    ③无论是短时间的剧烈振动,轻微的持续振动,都会削弱磁性材料的磁场强度,因此,该类仪器多将检测器等敏感部件安装在防振装置中。当然,仪器安装位置也应避开振源并采取适当的防振措施。另外,任何电气线路不允许穿过这些敏感部分,以防电磁干扰和振动干扰。

  磁力机械式氧分析仪的检修

检修内容:

①更换光源;

②更换检测器;

③检查仪表的气密性。

④检查仪表的绝缘电阻;

⑤测量交流纹波电压;

⑥测试计算反馈增益;

调零方法

一般的分析器都是以电的形式调节零位,而磁力机械式氧分析仪却是以机械方式调节零点,称为机械调零。其实质是保证气样不含氧时硅光电池对左右两块的光照面积相等,仪器输出为零,为此,测量池可以转动到一个合适的位置固定之,使反射光束以恰当的角度照射在光电池上,这可称为粗调。另外通过机械调节螺钉改变光电池的位置,仔细调整,称之为细调。

在装拆测量池和更换专用光源灯泡,仪器长期运行、测量过程中组分的变化、环境的变化等情况下需进行调零操作。

  磁压力式氧分析仪

测量原理:

根据被测气体在磁场作用下压力的变化量来测量氧含的仪器,我们叫做磁压力式氧分析仪。被测气体进入磁场后,在磁场作用下气体的压力将发生变化,致使气体在磁场内和无磁场空间存在着压力差:

请看下面的公式:

ΔP=1/2U0H2k                                        

ΔP……压差;

 U0……真空磁导率;

 H……磁场强度;

k……被测气体的体积磁化率;  

由上式中可以看出,压差△p与磁场强度H的平方及被测气体的体积磁化率k的差值也同样存在正比关系:

ΔP=1/2U0H2(km-kr)

km……被测气体的体积磁化率;

kr……参比气体的体积磁化率;

    由上式中可以知道,当分析室结构和参比气体确定后,U0、H、kr均为已知量,km与ΔP有着严格的线性关系。因此可以得出:

K m≈k1c1

 k1……被测混合气体中氧的体积磁化率;

 c1……被测混合气体中氧的体积分数;

上面两式合并,得出下式:

ΔP=1/2U0H2(k1c1-kr)    

这样,被测气体氧的体积分数c1与压差△p有线性关系。这就是磁压分析仪的测量原理。在磁压力式氧分析仪中,测量室中被测气体的压力变化量被传递到磁场外部的检测器中,转换为电信号。目前使用的检测器主要有薄膜电容检测器和微流量检测器两种。为了便于信号的检测和调制放大,采用一定频率的通断电流,对磁铁线圈反复激励,使之产生交替变化的磁场,则检测器测得的信号就变成了交流波动信号了。

  磁压力式氧分析仪的工作原理

氧气有顺磁性。OXYMAT 6型氧分析仪正是利用了这一原理来测量O2 浓度的。在不均匀磁场中,氧分子由于其顺磁性,会朝磁场增强方向移动。当不同氧气浓度的二种气体在同一磁场相遇时,他们之间就会产生一个压力差。

样品气经5进入测量腔6。参比气经入口1和两个参比气通道3(左3和右3)进入测量腔。微流传感器中有两个被加热到120℃的镍格栅电阻,和两个辅助电阻组成惠斯通电桥,变化的气流导致镍格栅的阻值发生变化,使电桥产生偏移。
参比气可以在镍格栅中通过,所以左右两个参比气通道是相通的。测量开始前,两路参比气压力相等,△p = 0 ,所以测量电桥无信号输出。
当电磁铁8通电励磁时,在其周围形成一个磁场,样气中的氧分子被吸引,朝磁场强度较大的右侧运动,产生一定的气阻,并推动参比气右3逆时针流动,通过微流传感器4,并产生输出信号。
当电磁铁8断电去磁时,磁场消失,右3参比通道气阻消失,气路通,参比气顺时针流动,反向经4流向测量室,输出信号恢复。
采用一定频率的通断电流,对电磁铁反复励磁和消磁,便可以在测量桥路中得到交流波动信号。信号强度与样气中氧含量成正比。
还可以这样理解:受交替变化的磁场影响,A、B两点样气的压力差也交替变化,微量传感器两边的压差 △p 也随之变化,参比气反复流过传感器,便在测量电桥中产生交流波动信号,信号强度与参比气压力变化量成正比。而这个压力变化量,又与通道阻力大小成正比,通道阻力大小又与磁场强度强弱成正比,磁场强弱与样气中的氧含量成正比。一句话:△p与样气中的氧含量成正比。
微流传感器位于参比气路中,不直接接触样品气,所以样气的导热、比热容和样气的内部摩擦对测量结果都不会产生影响。同时,也避免了样气的腐蚀,使传感器的抗腐蚀性能大大提高。
由于测量地点可能存在振动,并由此造成测量误差(噪声),所以仪器额外增加了一个振动传感器10,该传感器无气体流通,其信号可用来测量结果进行补偿。

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