順磁氧分析儀

順磁氧分析儀

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，同理如果對氣體磁化率進行測定，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這種原理制造的，利用相應的感應器具來對混合氣體中的氧氣在磁場中產生的相對的壓力差、密度梯度和熱磁對流進行檢測，并計算出相應氧含量。順磁式氧分析儀因為監測的原理的不一樣，分為磁機械式氧分析儀、磁壓力式氧分析儀和熱磁式分析儀三種類型。

１．　磁機械式氧分析儀

１．１磁機械式氧分析原理

由于氧氣分子具有較強的順磁性，氧氣分子會向著磁場增強的方向移動。通過兩種不同的氧含量氣體在磁場作用下所形成的的壓力差，并根據機械原理采用一根極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中的壓力差會使偏移，而啞鈴球偏轉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確地測定出啞鈴球的偏轉角度，進而確定混合氣體中氧含量的百分比。

１．２磁機械式氧分析特點：

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

（２）氧氣的體積磁化率是壓力、溫度的函數，在樣氣預處理的過程中需要除去一些會對測量帶來嚴重干擾的強順磁性氣體、較強逆磁性氣體和水分及雜質。樣氣中的壓力、溫度、粉塵、焦油、水汽的變化及環境溫度的變化，都會對測量結果帶來影響。可通過調節金屬轉子流量計的流量來使樣氣的壓力保持穩定。環境溫度及整個檢測部件均應在工作在設定的溫度范圍內，各種型號的磁力機械式氧分析儀均帶有溫度控制系統　以保證檢測部件在恒溫條件下工作。

（３）振動會削弱磁性材料的磁場強度，多將檢測部件的敏感部分安裝在防震裝置中，儀器安裝位置也應避開振源。電氣線路不允許穿過檢測部件的敏感部分，以防電磁干擾和振動干擾。

２．磁壓力式氧分析儀

２．１　磁壓力式氧分析儀原理

利用被測氣體中的氧分子在磁場作用下壓力發生變化來進行測量。一般為在同一磁場中，同時引入兩種磁化率不同的氣體，樣氣從入口進入測量室，而參比氣（空氣、氮氣或氧氣）經入口進去后分兩路進入測量室，在參比氣的兩個通道間有一根連接管，中間安裝有微流量傳感器。

當電磁鐵通電勵磁時，其周圍形成一個磁場，導致參比氣右側通道內的氣體和氧氣中的氧分子被磁場吸引發生偏轉后再流出樣品池，這樣就造成參比氣右側壓力升高。參比氣兩路氣壓不對等，從而推動參比氣逆時針流動并穿過微流量傳感器產生信號。當電磁鐵斷電去磁時，磁場消失，因壓力差氣體會順時針流動反向穿過微流量傳感器并產生輸出信號。

當采用一定頻率的通斷電流對電磁鐵反復勵磁和消磁，便可在測量橋路中得到交流波動信號，信號波動的幅值正比于樣氣中的氧氣含量。當參比氣體確定后，參數均為已知數值，被測氣體氧的濃度與壓差就有線性關系，從而可以準確測量氧含量。

２．２　磁壓力式氧分析儀特點：

（１）磁壓式氧分析儀內部無熱源存在，所以樣氣的熱導率、比熱或內部摩擦都不會對測量結果產生影響。

（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量室混合后再排出，當測量室系統壓力發生變化時，參比氣與樣氣中的氧分子數量同時變化，因而也就消除了系統內部氣壓變化所造成的影響。

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

（５）該分析儀多設計了一路參比氣路，儀器的內部構造相對其他形式的磁氧分析儀而言更復雜，也增加了氣路泄漏的風險。

（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較高，也給這種分析儀的維護和使用工作帶來了困難。參比氣一般選用三種濃度的氣體，即純氮氣、空氣和純氧。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，也可使用空分自產氣源。參比氣濃度與樣氣中的氧含量之差最好不要超過　５０％（Ｖ／Ｖ），因此當選用純氮氣和空氣做參比氣時，一般用這種儀器分析低氧含量；當選用純氧做參比氣時，一般用這種儀器分析高氧含量。無論選用儀器的何種量程，校正零位時必須使用與參比氣氧含量一致的氣體來進行。

３．熱磁式氧分析儀

３．１　熱磁式氧分析儀原理

在一個中間有通道的環形氣室內，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，同時又是測量溫度變化的感溫元件。電阻絲從中間一分為二，作為兩個相鄰的橋臂電阻　ｒ１、ｒ２，與固定電阻　Ｒ１、Ｒ２　組成測量電橋。在中間通道的左側設置一對小電極，以形成恒定的不均勻的磁場。待測氣體從底部人口進人環形氣室后，由于受到磁場的吸引而進入水平通道，當它處于磁場強度最大的區域時，也同時被電阻絲加熱。在加熱區被測氣體溫度升高，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，受磁場的吸引力也就大為減弱。

而其后冷態的順磁性氣體在磁場的作用下繼續被吸引到磁場強度最大的區域，這就對先前已受熱的順磁性氣體產生向右方向的推力，使其流動而脫離磁場區域。如此周而復始，形成＂磁風＂。當被測氣體的磁化強度（即氧含量）越大，形成的＂磁風＂越強，帶走電阻絲的熱量就越多，電阻絲的阻值就變化越大，阻值的變化與被測氣體中的氧含量呈正比關系，因此可對被測氣體中的氧含量進行測量。

２．２　熱磁式氧分析儀特點：

（１）熱磁式氧分析儀的測量信號是基于被測氣體在儀器測量室內形成的＂磁風＂與傳感器熱量交換的結果，因而該儀器對樣氣的流量較為敏感，因此最好能設置穩流裝置。

（２）當樣氣中存在導熱性較大的氣體（如氫氣、氨氣、甲烷等）時，將產生較大的干擾，若干擾氣體含量穩定，可在校正時進行補償修正；若干擾氣體含量經常變化則應預先清除這些氣體，否則測量誤差較大。

（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，有的儀器設計成將樣氣與熱敏元件全部或部分直接接觸，這樣對樣氣的干燥性和潔凈度要求較高（因為樣氣中很可能存在腐蝕性氣體），這樣就限制了儀器的使用范圍。

４．　結語

只要樣氣中不含大量的一氧化氮（ＮＯ）、二氧化氮（ＮＯ）或一氧化氮、二氧化氮的含量相對穩定，均可使用磁式氧分析儀有效地測量氧氣的含量，但是要快速、準確地測量出結果，除儀器自身的性能外，還應該根據儀器的特點正確使用和維護好儀器。