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浅析磁式氧分析方法原理及应用

摘要：介绍了磁式氧分析的多种测量原理，和各种氧分析仪的内部构造特点及各种分析方法的优劣。
关键词： 常量氧分析、磁氧、种类

一、前言：
氧气是一种无臭、无味、无色有强助燃力的气体，被广泛的应用于各个行业。例如转炉炼钢、高炉炼铁、化肥生产、机械加工、医疗急救等都需要使用氧气。做为一家专业生产氧气的厂家，产品氧气的质量是企业生产的光键之一，如何准确的分析出产品氧的纯度，及时准确的指导生产，是检验部门的工作重点。而对于气体中氧气含量的分析测量方法也是多种多样。从分析手法而言有手工分析和仪器分析。手工分析相对而言精确度低，耗时长，局限性和消耗都大。而仪器分析具有在线监测，实时快速，准确度高等特点，因而仪器分析氧含量将逐步代替手工分析。
仪器分析氧含量的原理主要有：磁式、氧化锆式、燃料池式、赫兹电池式等。前两种一般用来测量常量氧（氧含量0.1%以上），而后两者一般用来测量微量氧（氧含量0.1%以下）。具体使用的方法取决于被测气体中氧的含量，及背景气的组成成份。当然有时可能两种方法进行交叉使用，以达到一个最佳的测量效果。而在常量仪器分析中应用最多，使用较广的还是磁式氧分析原理。
二、磁式氧分析原理：
氧是顺磁性气体，类似于部分金属具有的磁性一样。在已知所有的气体当中氧的体积磁化率是最高的。气体的磁化强度与磁场强度存在以下关系：
M = K × H (M:磁化强度，H:外磁场强度，K:物质的体积磁化率)。
而在自然界中绝大多数气体都属弱磁性气体，弱磁性气体当中又分为顺磁性和抗磁性气体。当X＜0时,属抗磁性气体,如:氢，氦，二氧化碳，氮等；当X＞0时，属顺磁性气体，如:一氧化氮，二氧化氮等，下表1为部分气体的体积磁化率。
表 1
化学符号    氧    一氧化氮    二氧化氮    乙烯    甲烷
体积磁化率
K×10—﹣6    +146    +53    +9    +3    ﹣1
化学符号    氢    氦    水蒸汽    二氧化碳    氮
体积磁化率
K×10—6    ﹣0.164    ﹣0.083    ﹣0.58    ﹣0.84    ﹣0.58

由此可见除二氧化氮和一氧化氮外,其它所有气体的体积磁化率均在±2之间。而氧的体积磁化率远远高于其它气体。当我们把被测气体处于磁场中时，如有氧分子存在，将会迅速的向磁场方向移动。其情形如下图1所示。图1左边是当气体处于无磁场的区域时，各组份均匀的混合在一起。而图1右边是当被测气体处于磁场区域时，氧气分子迅速的向磁场区域靠拢、积聚。而其它气体分子仍旧保持原有状态。

由此可见氧气的顺磁性在所有的气体当中具有非常的独特性，因而利用该性质对氧气进行分析，具有极高的选择性和灵敏性的特点。
在含氧的混合气体当中（含有大量的一氧化氮和二氧化氮等氮氧化合物的特殊情况除外），除氧以外其余各组分的体积磁化率都很小，数值上彼此相差都不大，且顺磁性与逆磁性气体的体积磁化率相互有抵消作用，因而混合气体的体积磁化率基本上取决于氧的体积磁化率及其体积分数。而氧的体积磁化率在一定温度下是固定值，所以只要能测量到混合气体的体积磁化率就可得出混合气体中氧的体积分数。
三、仪器的设计与构造：
虽然氧的体积磁化率远远高于其它气体，但就算是100%的纯氧其体积磁化率仍旧不高，直接测量仍很困难且误差较大。如何将这种体积磁化率的变化转换成可精确测量的参数就需要对仪器进行专项的设计与制造。现如今磁式氧分析仪的设计主要有三种形式，即：热磁式、磁力机械式及磁压式。
1、热磁式氧分析仪工作原理
热磁式氧分析仪工作原理如下图2所示，

在一个中间有通道的环形气室内，外面均匀地绕有一圈电阻丝，电阻丝通入电流后既起到加热的作用同时又是测量温度变化的感温元件。电阻丝从中间一分为二，作为两个相邻的桥臂电阻r1，r2与固定电阻R1，R2组成测量电桥。在中间通道的左侧设置一对小电极，以形成恒定的不均匀的磁场。当待测气体从底部入口进入环形气室后，由于受到磁场的吸引而进入水平通道。当它处于磁场强度最大的区域时，也同时被电阻丝加热。在加热区被测气体温度升高，电阻丝温度降低。而被加热的气体由于温度升高，体积磁化率将急剧下降，受磁场的吸引力也就随之减弱。而其后冷态的顺磁性气体性气体在磁场的作用下被吸引到磁场强度最大的区域，这就对先前已受热的顺磁性气体产生向右方向的推力，使其流动而脱离磁场最强区域，如此周而复始，形成“磁风”。当被测气体的磁化强度（即氧含量）越大，形成的“磁风”越强，带走电阻丝的热量就越多，电阻丝的阻值就变化越大，阻值的变化与被测气体中的氧含量程线性关系，从而可对被测气体中的氧含量进行测量。
2、磁力机械式氧分析仪原理
在一个密闭的气室中，装有两对非均匀磁场的磁极，它们磁场强度的梯度正好相反。用金属带将两个体积相等的空心球（俗称哑铃）置于两对磁极的间隙中，金属带同时固定在壳体上，使哑铃球只能以金属带为轴转动但不会上下摆动；在哑铃与金属带交点处装一平面反射镜（如上图3所示）。让一束稳定的光源聚焦在“哑铃”中央的小镜上，并反射到一对差动联接的硅光电池上，通过机械零位调节，可使两块光电池上光照相等，输出零信号。
当被测气体进入气室后，气体中如含有顺磁性气体分子（氧分子）将被磁场吸引，向磁场靠扰。由于不均匀的磁场对顺磁性气体分子（氧分子）吸引的结果，使靠近磁场强的区域分子密度较大，并沿着磁场强度梯度的方向产生一个正比于氧含量的压力差，从而使哑铃球由于受到这个压力差而产生的一个推力，这个推力使哑铃球发生个角度的偏转。同时位于哑球中间的反射镜也发生偏转，这样也就使得两块光电池光照不再相等，从而有一个电信号产生，该电信号正比于哑铃球偏转的角度，也就正比于被测气体中的氧含量。
3、磁压式氧分析仪原理
磁压式氧分析仪原理是被测气体如含有气体氧分子，那将在磁场作用下压力会发生变化，并同时使气体在磁场区域和无磁场空间存在的压差来测量氧的含量。也可在同一磁场中，同时引入两种磁化率不同的气体，这两种气体之间也就同样存在压力差，这个压力差同两种气体磁化率的差值存在正比关系，当分析仪结构和参比气体确定后，参数均为已知数值，被测气体氧的浓度与压差有线性关系，从而可以准确测量氧含量。
最典型的设计为西门子OXYMAT 6型气体分析仪。如图4所示，样气从入口进入测量室，而参比气经入口进入后分两个通道进入测量室，在参比气的两个通道之间有一连接管，中间安装有微流量传感器。测量开始前，两路参比气压力相等，P=0，所以测量桥路无信号输出。


当电磁铁通电励磁时，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，从而造成参比气右侧压力更高，从而并推动参比气逆时针流动（从右向左）穿过微流量传感器产生信号。当电磁铁断电去磁时，磁场消失，由于参比气压力的设定比样气高，参比气右通道的气体反向流回测量室，此时参比气顺时针流动（从左向右），反向穿过微流量传感器产生输出信号。当采用一定频率的通断电流对电磁铁反复励磁和运磁，便可以在测量桥路中得到交流波动信号，信号波动的幅度正比于样气中的氧气含量。
四、各原理性能比较
热磁式、磁力机械式及磁压式。它们分别于40年代60年代以及80年代研究问世，其性能各有千秋。
1、热磁式原理的测量信号是基于被测气体与传感器热量交换的结果，因而对样气的流量、压力都较为敏感；且当样气中如存在热导性比较大的气体（例如：氢气、氦气、甲烷等），将产生较大的干扰。热磁式氧分析仪分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；局限性较大。并且为提高仪器的灵敏度，样气往往与热敏元件直接接触，如样气中存在氧化还原性气体或腐蚀性气体时也无将难以测量，这此都限制了仪器的正常使用。
2、磁力机械式原理测量室内无热源存在，不受气体的热导性影响。理论上讲在0—100%范围内线性度都很良好，可制成多量程的氧分析仪。但在高氧含量的时候（98—100%），受尾部放空气压（大部份仪器尾部均设计为对大气放空）的影响较大，因为各种测量原理的气体分析仪器，测量过程中真正起作用的是被测气体的分子数，即决定仪器输出讯号大小的是被测气体的克分子浓度。在标准状况下，一克分子浓度气体的体积都是22.4 L。但是，当温度、压力变化时，其体积会发生变化。为此，气体分析仪器在设计时已考虑了这些因素，如采取恒温、温度补偿、气样压力稳定等措施。但当尾部气压变化时（环境气压变化），使仪器检测元件的工作压力也发生了变化。此时，尽管被测样气中氧含量没有发生变化，但被测对象的分子数已发生了变化。所以仪器的输出讯号就要随之发生变化，这就是说，尾部气压（大气压力）变化要影响气体分析仪器的测量结果，而就目前而言，仪器放空气压的变化我们还未有一个有效的方法来控制。
仪器的输出讯号受大气压力变化的影响程度与仪器的量程方式有关。其关系为：当大气压力变化±1％时，仪器输出讯号的变化为：

由此可见，当仪器量程从0开始时，如0～5％，则n＝±1％；即仪器讯号输出变化与尾部气压变化是1∶1。当仪器量程不是从0开始的抑制量程时，如80%～100％，98％～100％等，则n急剧上升，如80％～100％时，n＝±5％；98％～100％，n＝±50％。由此可见，我们在选用量程为80％～100％仪器的测量值不仅仅是O2含量的变化，同时也包含了气压变化带来的影响；并且是气压变化的5倍。因而在测量高氧含量的样气时，仪器往往需要对测量系统进行压力测量，并进行补偿。以修正分析系统压力变化代来的偏差。这三种磁氧分析器中，磁力机械式受大气压力变化的影响最大，热磁式次之，磁压力式则完全不受影响。
磁力机械式氧分析仪因测量的原始信号是由机械位移量而来，因而测量结果的响应时间较慢，滞后时间较长，并且样气也直接与仪器传感器接触，如样气中存在氧化还原性气体或腐蚀性气体时也无将难以测量。
3、磁压式测量原理内无热源存在，传感器也位于参比气路中的，不直接与样气接触，所以样气的热导率、比热或内部磨擦都不会对测量造成任何影响。这也诮避免了样气对微流量传感器的腐蚀，使得仪器的抗腐蚀性能大大提高。由于它采用了参比气，将被分析气样与参比气同时排入大气，当尾部气压发生变化时，参比气与被测气体同时变化相抵消，因而也就消除了系统内部气压变化的影响。而且通过改变磁场的强度来消除背景气流的干扰，因此仪器摆放的方向也就对测量没有影响。因其样气流路较短，且压力的传递方式也较快，因而仪器对测量结果的响应比较迅速。

当仪器所处位置出现频繁的振动时，将会使仪器产生一个噪音。为消除干扰仪器一般设计一个无气体流过的微流量传感器，它的信号与测量信号相连以对测量信号进行补偿。且如果样气含氧量与参比气含氧量超过50 %时，那么用于补偿的微流量传感器也将用参比气进行吹扫。仪器相比而言唯一的缺点就是依据被测气体的范围使用不同氧含量的参比气，增加了使用成本，且参比气的氧含量与被测气体的氧含量最大不能相差50%。否则精度将下降。
五、结束语：
磁氧式分析仪因其能够直接测量被测组分，在线实时监测，精度高，响应快等特点是目前常量氧分析中应用最为广泛的分析仪器之一。但如果样气中存在有一氧化氮二氧化氮等高磁化率的气体时，则必须予先清除，否则将无法测量，这也是目前磁氧式分析仪主要的局限性之一。同时当测量系统的温度、压力、流量发生变化时，其体积也会发生变化，特别是温度变化，对氧的磁化率影响较大。为此，气体分析仪器在设计时也考虑了这些因素，虽采取有恒温、温度补偿、气样压力稳定等措施，但也不能完全达到要求，因此就需要定期的对仪器进行维护与校正工作。





















参考文献：《仪表工试题集—在线分析仪表分册》 化学工业出版社
《现代空分设备技术与操作原理》 杭州出版社
   

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怎么感觉和某公司的是一个模子里的

3000MA型号的不了解，3000TA用了好几年了。感觉挺稳定的。好用。维护量少。很不错的

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一直没有发现中文版的，非常感谢

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