氧含量測(cè)量方法：順磁法

時(shí)間：2021-11-19作者：武漢天禹智控科技有限公司瀏覽：336

   氧氣和其他氣體不同，它的磁化率要比其他氣體高出許多，因此氧氣和其他氣體組合成的混合氣體的磁化率是混合氣體中氧氣所占百分比來決定的，同理如果對(duì)氣體磁化率進(jìn)行測(cè)定，也就可以得出混合氣體中的氧含量。而順磁式氧分析就是根據(jù)這種原理制造的，利用相應(yīng)的感應(yīng)器具來對(duì)混合氣體中的氧氣在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的相對(duì)的壓力差、密度梯度和熱磁對(duì)流進(jìn)行檢測(cè)，并計(jì)算出相應(yīng)氧含量。順磁式氧分析儀因?yàn)楸O(jiān)測(cè)的原理的不一樣，分為磁機(jī)械式氧分析儀、磁壓力式氧分析儀和熱磁式分析儀三種類型。

 

1. 磁機(jī)械式氧分析儀

1.1磁機(jī)械式氧分析原理：由于氧氣分子具有較強(qiáng)的順磁性，氧氣分子會(huì)向著磁場(chǎng)增強(qiáng)的方向移動(dòng)。通過兩種不同的氧含量氣體在磁場(chǎng)作用下所形成的的壓力差，并根據(jù)機(jī)械原理采用一根為靈敏的鋼絲來懸吊啞鈴球，兩種不同的氧含量氣體在磁場(chǎng)中的壓力差會(huì)使偏移，而啞鈴球偏轉(zhuǎn)角度與混合氣體中含氧量濃度成正比，并由特定的光源、反射鏡以及感光原件所組成單元準(zhǔn)確地測(cè)定出啞鈴球的偏轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而確定混合氣體中氧含量的百分比。



1.2磁機(jī)械式氧分析特點(diǎn)：

（1）磁力機(jī)械式氧分析儀利用氧的順磁性直接測(cè)量氧氣濃度，測(cè)量常量氧及微量氧（×10-3級(jí)）的濃度，在測(cè)量中不受被測(cè)量樣品氣導(dǎo)熱性、密度等變化的影響，且響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好。

（2）氧氣的體積磁化率是壓力、溫度的函數(shù)，在樣氣預(yù)處理的過程中需要除去一些會(huì)對(duì)測(cè)量帶來嚴(yán)重干擾的強(qiáng)順磁性氣體、較強(qiáng)逆磁性氣體和水分及雜質(zhì)。樣氣中的壓力、溫度、粉塵、焦油、水汽的變化及環(huán)境溫度的變化，都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來影響?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量來使樣氣的壓力保持穩(wěn)定。環(huán)境溫度及整個(gè)檢測(cè)部件均應(yīng)在工作在設(shè)定的溫度范圍內(nèi),各種型號(hào)的磁力機(jī)械式氧分析儀均帶有溫度控制系統(tǒng) 以保證檢測(cè)部件在恒溫條件下工作。

（3）振動(dòng)會(huì)削弱磁性材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度,多將檢測(cè)部件的敏感部分安裝在防振裝置中,儀器安裝位置也應(yīng)避開振源。電氣線路不允許穿過檢測(cè)部件的敏感部分，以防電磁干擾和振動(dòng)干擾。

2.磁壓力式氧分析儀

2.1 磁壓力式氧分析儀原理：利用被測(cè)氣體中的氧分子在磁場(chǎng)作用下壓力發(fā)生變化來進(jìn)行測(cè)量。一般為在同一磁場(chǎng)中，同時(shí)引入兩種磁化率不同的氣體，樣氣從入口進(jìn)入測(cè)量室，而參比氣（空氣、氮?dú)饣蜓鯕猓┙?jīng)入口進(jìn)去后分兩路進(jìn)入測(cè)量室，在參比氣的兩個(gè)通道間有一根連接管，中間安裝有微流量傳感器。當(dāng)電磁鐵通電勵(lì)磁時(shí)，其周圍形成一個(gè)磁場(chǎng)，導(dǎo)致參比氣右側(cè)通道內(nèi)的氣體和氧氣中的氧分子被磁場(chǎng)吸引發(fā)生偏轉(zhuǎn)后再流出樣品池，這樣就造成參比氣右側(cè)壓力升高。參比氣兩路氣壓不對(duì)等，從而推動(dòng)參比氣逆時(shí)針流動(dòng)并穿過微流量傳感器產(chǎn)生信號(hào)。當(dāng)電磁鐵斷電去磁時(shí)，磁場(chǎng)消失，因壓力差氣體會(huì)順時(shí)針流動(dòng)反向穿過微流量傳感器并產(chǎn)生輸出信號(hào)。當(dāng)采用一定頻率的通斷電流對(duì)電磁鐵反復(fù)勵(lì)磁和消磁，便可在測(cè)量橋路中得到交流波動(dòng)信號(hào)，信號(hào)波動(dòng)的幅值正比于樣氣中的氧氣含量。當(dāng)參比氣體確定后，參數(shù)均為已知數(shù)值，被測(cè)氣體氧的濃度與壓差就有線性關(guān)系，從而可以準(zhǔn)確測(cè)量氧含量。



 

2.2 磁壓力式氧分析儀特點(diǎn)：

（1）磁壓式氧分析儀內(nèi)部無熱源存在，所以樣氣的熱導(dǎo)率、比熱或內(nèi)部摩擦都不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

（2）該分析儀的傳感器位于參比氣路中，不直接與樣氣接觸，因此也避免了樣氣對(duì)微流量傳感器的腐蝕，使得儀器的抗腐蝕性能大大提高。

（3）該分析儀采用了參比氣，將被分析氣樣與參比氣在測(cè)量室混合后再排出，當(dāng)測(cè)量室系統(tǒng)壓力發(fā)生變化時(shí)，參比氣與樣氣中的氧分子數(shù)量同時(shí)變化，因而也就消除了系統(tǒng)內(nèi)部氣壓變化所造成的影響。

（4）該分析儀的樣氣流路較短，且信號(hào)是以壓力傳遞的方式所產(chǎn)生，因此對(duì)樣氣濃度的變化響應(yīng)速度較快。

（5）該分析儀多設(shè)計(jì)了一路參比氣路，儀器的內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)其他形式的磁氧分析儀而言復(fù)雜，也增加了氣路泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

（6）該分析儀必須使用參比氣，因此這種儀器的使用成本相對(duì)較高，也給這種分析儀的維護(hù)和使用工作帶來了困難。參比氣一般選用三種濃度的氣體，即純氮?dú)狻⒖諝夂图冄?。參比氣體必須干燥、潔凈，輸出壓力控制在0.2~0.4 MPa，可由氣瓶提供，也可使用空分自產(chǎn)氣源。參比氣濃度與樣氣中的氧含量之差好不要過 50%（V/V），因此當(dāng)選用純氮?dú)夂涂諝庾鰠⒈葰鈺r(shí)，一般用這種儀器分析低氧含量;當(dāng)選用純氧做參比氣時(shí)，一般用這種儀器分析高氧含量。無論選用儀器的何種量程，校正零位時(shí)必須使用與參比氣氧含量一致的氣體來進(jìn)行。

 

3.熱磁式氧分析儀

3.1 熱磁式氧分析儀原理：

 



       在一個(gè)中間有通道的環(huán)形氣室內(nèi)，外面均勻繞著電阻絲，電阻絲通入電流后既起到加熱的作用，同時(shí)又是測(cè)量溫度變化的感溫元件。電阻絲從中間一分為二，作為兩個(gè)相鄰的橋臂電阻r1、r2，與固定電阻R1、R2組成測(cè)量電橋。在中間通道的左側(cè)設(shè)置一對(duì)小電，以形成恒定的不均勻的磁場(chǎng)。待測(cè)氣體從底部人口進(jìn)人環(huán)形氣室后，由于受到磁場(chǎng)的吸引而進(jìn)入水平通道，當(dāng)它處于磁場(chǎng)強(qiáng)度大的區(qū)域時(shí)，也同時(shí)被電阻絲加熱。在加熱區(qū)被測(cè)氣體溫度升高，電阻絲溫度降低。被加熱的氣體由于溫度升高，體積磁化率將急劇下降，受磁場(chǎng)的吸引力也就大為減弱。而其后冷態(tài)的順磁性氣體在磁場(chǎng)的作用下繼續(xù)被吸引到磁場(chǎng)強(qiáng)度大的區(qū)域，這就對(duì)先前已受熱的順磁性氣體產(chǎn)生向右方向的推力，使其流動(dòng)而脫離磁場(chǎng)區(qū)域。如此周而復(fù)始，形成"磁風(fēng)"。當(dāng)被測(cè)氣體的磁化強(qiáng)度（即氧含量）越大，形成的"磁風(fēng)"越強(qiáng)，帶走電阻絲的熱量就越多，電阻絲的阻值就變化越大，阻值的變化與被測(cè)氣體中的氧含量呈正比關(guān)系，因此可對(duì)被測(cè)氣體中的氧含量進(jìn)行測(cè)量。

 

2.2 熱磁式氧分析儀特點(diǎn)：

（1）熱磁式氧分析儀的測(cè)量信號(hào)是基于被測(cè)氣體在儀器測(cè)量室內(nèi)形成的"磁風(fēng)"與傳感器熱量交換的結(jié)果，因而該儀器對(duì)樣氣的流量為敏感，因此好能設(shè)置穩(wěn)流裝置。

（2）當(dāng)樣氣中存在導(dǎo)熱性較大的氣體（如氫氣、氨氣、甲烷等）時(shí)，將產(chǎn)生較大的干擾，若干擾氣體含量穩(wěn)定，可在校正時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償修正;若干擾氣體含量經(jīng)常變化則應(yīng)預(yù)先清除這些氣體，否則測(cè)量誤差較大。

（3）熱磁式氧分析儀一般分為垂直通道型和水平通道型，前者分析高氧含量，后者分析低氧含量。為提高儀器的靈敏度，有的儀器設(shè)計(jì)成將樣氣與熱敏元件全部或部分直接接觸，這樣對(duì)樣氣的干燥性和潔凈度要求較高（因?yàn)闃託庵泻芸赡艽嬖诟g性氣體），這樣就限制了儀器的使用范圍。

 

4. 結(jié)語

       只要樣氣中不含大量的一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）或一氧化氮、二氧化氮的含量相對(duì)穩(wěn)定，均可使用磁式氧分析儀有效地測(cè)量氧氣的含量，，但是要、準(zhǔn)確地測(cè)量出結(jié)果，除儀器自身的性能外，還應(yīng)該根據(jù)儀器的特點(diǎn)正確使用和維護(hù)好儀器。

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