在线分析仪器及分析系统设计与应用技术2

在线气体分析仪器及分析系统设计与应用技术讲座第一部分（2)第三讲顺磁氧分析器主讲人：朱卫东2011年第三讲顺磁式氧分析仪3.1概述3.1.1顺磁氧分析器测量概述⑴顺磁式氧分析器的定义及分类顺磁式氧分析器，是根据氧气的体积磁化率比一般气体高得多，在磁场中具有极高顺磁特性的原理制成的一类测量气体中氧含量的仪器。目前有三种类型的顺磁式氧分析器，即:热磁对流式、磁力机械式、磁压力式氧分析器。气体介质处于磁场会被磁化，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。⑵气体的体积磁化率不同物质受磁化的程度不同，可以用磁化强度M来表示：M=k×H式中M——磁化强度；H——外磁场强度；k——物质的体积磁化率。物质的体积磁化率k的物理意义是指在单位磁场强度作用下，单位体积物质的磁化强度。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，它们在外磁场中被排斥；k值愈大，则受吸引和排斥的力愈大。表3-1常见气体的体积磁化率及相对磁化率⑶混合气体的体积磁化率对于多组分混合气体来说，它的体积磁化率可以粗略地看成是各组分体积磁化率的算术平均值。在含氧混合气体中(含有大量NO和NO2等氮氧化物的特殊情况除外)，除氧以外其余各组分的体积磁化率都很小，数值上彼此相差不大，且顺磁性气体和逆磁性气体的体积磁化率有互相抵消趋势。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。氧的体积磁化率在一定温度下是已知固定值，所以只要能测得混合气体体积磁化率，就可得出混合气体中氧的体积百分含量。附录：氧分析器的测量原理分类3.2热磁对流式氧分析器热磁对流式氧分析器分为内对流式热磁氧分析器和外对流式热磁式氧分析器。它们的工作原理均基于热磁对流产生的热效应。内对流式检测器，热磁对流在热敏组件（中间通道管）内部进行，热敏组件与被测气体是隔绝的，通过薄壁石英玻璃管进行热交换，因此不会与样气发生任何化学反应，也不会受到样气的玷污和侵蚀，但热量传递受到一定影响，增加了测量滞后时间，灵敏度也相对较低，另外要求检测器处于水平工作位置。内对流式热磁氧分析器的工作原理待测气体从底部入口进入环形气室后，沿两侧流向上端出口。如果被测混合气体中没有顺磁性气体存在，这时中间通道内没有气体流过，电阻丝r1、r2没有热量损失，电阻丝由于流过恒定电流而保持一定阻值。当被测气体中含有氧气时，左侧支流中的氧受到磁场吸引而进入中间通道，从而形成热磁对流，然后由通道右侧排出。经右侧支流，流向上端出口。环形气室中右侧支流中的氧因远离磁场强度最大区域，受不到磁场吸引，加上磁风的方向是自左向右的，所以不可能由右端口进入中间通道。由于热磁对流的结果，左半边的电阻丝r1的热量部分被气流带走产生热量损失，右半边电阻丝r2没有热量损失，因此造成r1、r2阻值产生差异，导致测量电桥失去平衡，产生输出信号。被测气体中氧含量越高，磁风流速越大，r1、r2阻值相差越大，测量电桥的输出信号就越大。由此可见，测量电桥的输出信号大小就反应了被测气体中氧含量的多少。外对流式检测器，热磁对流在热敏组件外部进行，其热敏组件与被测气体直接接触换热，测量滞后小、灵敏度高，输出线性好。通常采用双桥结构，能有效补偿样气压力、环境温度等干扰影响，但结构复杂，制造困难。外对流式磁氧分析器的工作原理被测气体由入口进入主气道，依靠分子扩散进入两个气室，如果被测气体没有氧的存在，那么两个气室的状况一致，两个气室形成的自然对流相同，两个热敏组件单位时间的热量损失相同，阻值也相同。当被测气体中有氧存在，主气道中的氧分子在流经测量气室上端时，受到磁场吸引进入测量气室并向磁极方向运动。在磁极上方安装有加热组件（热敏组件），氧分子向磁极靠近的同时被加热而导致其体积磁化率下降，受磁场吸引力减弱，较冷的氧分子不断被磁场吸引进测量气室，在向磁极方向运动的同时，把先前温度已升高的氧分子挤出测量气室，于是在测量气室中形成热磁对流。测量气室中存在热磁对流和自然对流，其工作热敏组件受到两种形式对流带来的热量损失。而参比气室中不存在磁场，只有自然对流，参比热敏组件只受到自然对流影响，而与氧含量无关。这样两个热敏组件的温度出现差异，阻值不再相等，其差值取决于被测气体中的氧含量。这样测量电桥的输出信号也就代表了被测气体中的氧含量。南分热磁对流式氧分析器主要技术指标如下：1）测量范围CD-36310-1%O2CD-36320-2%O2CD-36330-2.5%O2CD-36340-5%O2CD-36350-10%O2CD-36360-21%O2CD-363795-100%O2CD-363898-100%O22）线性误差：±2%FS3）零点漂移和量程漂移：不大于±2%FS/7d4）重复性误差：不大于±1%FS5）数字显示，标准信号输出：4-20(或0-10)mA负载电阻≤550Ω6）通讯输出：RS485（可选）7）报警输出：上、下限报警触点容量264VAC/1A或30VDC/1A3.3磁力机械式氧分析器磁力机械式氧分析器检测部件结构及原理示意图参见图3-3。在一个密闭的气室中，装有两对不均匀磁场的磁极2和3，它们的磁场强度梯度正好相反。两个空心球体4（内充纯净的氮气或氩气）置于两对磁极的间隙中，空心球之间通过连杆连接在一起，形状类似哑铃。连杆用弹性金属带5固定在气室壳体上，这样，哑铃只能以金属带为轴转动而不能上下移动。在连杆与金属带交点处装一平面反射镜6。磁力机械式氧分析器检测部件结构及原理示意图被测样气由入口进入气室后，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，受到磁场的作用力Fm就不同。如果两个空心球体积相同，则受到的力大小相等、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Mm的作用，这个力偶促使哑铃以金属带为轴心偏转，该力偶矩为Mm=Fm×2Rp式中Rp—球体中心至金属带的垂直距离（哑铃的力臂）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以平衡Mm，被测样气中的氧含量不同，旋转力矩和复位力矩的平衡位置不同，也就是哑铃的偏转角度Ψ不同，这样，哑铃偏转角度Ψ的大小，就反映了被测气体中氧含量的多少。对哑铃偏转角度Ψ的测量，大多是采用光电系统来完成的如图3-3所示，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组件（如硅光电池）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个光电组件上，两个光电组件接收光能相等，一般两个光电组件采用差动方式连接，因此，光电组件输出为零，仪表最终输出也为零。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，于是哑铃偏转一个角度，反射镜随之偏转，反射出的光束也随之偏移，这时，两个光电组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。该信号经回馈放大镜放大作为仪表输出。为了改善仪器的输出特性，有的在空心球的外围环绕一匝金属线圈，如图3-4所示。该金属线圈在电路上接收输出电流的回馈，对哑铃产生一个附加复位力矩，从而使哑铃的偏转角度Ψ大大减小。与热磁式氧分析器相比，磁力机械式氧分析器具有如下优点。①它是对氧的顺磁性直接测量的仪器，在测量中不受被测气样导热性变化、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，除了用于常量氧的测量以外，还可用于微量氧（O2‰级）的测量。从以上几个方面可以看出，磁力机械式氧分析器优于热磁对流式氧分析器。使用注意事项：①磁力机械式氧分析器基于对磁化率的直接测量，像氧化氮等一些强顺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不容忽视的测量误差，如氙（Xe）等，若气样中有含量较多的这类气体时，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，气样压力、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，必须稳定气样的压力，使其符合调校仪表时的压力值。环境温度及整个检测部件均应工作在设计温度范围内，一般来说，各种型号的磁力机械式氧分析器均带有温度控制系统，以保证检测部件在恒温条件下工作。③无论是短时间的剧烈振动，还是轻微的持续振动，都会削弱磁性材料的磁场强度，因此，该类仪器多将检测部件的敏感部分安装在防振装置中。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。磁力机械式氧分析器的主要性能指标以Servomex2200为例：测量范围：0～100%O2最小量程0-0.5%O2线性偏差：＜±1%FS重复性误差：＜±1%FS零点漂移：＜0.01%O2/7天量程漂移：＜0.05%O2/7天响应时间：4～7s3.4磁压力式氧分析器根据被测气体在磁场作用下压力的变化量来测量氧含量的仪器称为磁压力式氧分析器。其测量原理如下。被测气体经入磁场后，在磁场作用下气体的压力将发生变化，只是气体在磁场内和无磁场空间存在着压力差。ΔP=1/2μ0H2k式中ΔP---压差μ0----真空导磁率H-----磁场强度k------被测气体的体积磁化率由上式可知压差ΔP与磁场强度H的平方及被测气体的体积磁化率k均成正比。在同一磁场中，同时引入两种磁化率不同的气体，那么两种气体同样存在着压力差，这个压力差与两种气体磁化率的差值也同样存在正比关系。ΔP=1/2μ0H2（km—kr）式中km—被测气体的体积磁化率kr—参比气体的体积磁化率当分析器结构与参比气体确定后μ0、H、kr均为已知量，km与ΔP有着严格线性关系。由于被测混合气体的体积磁化率基本上取决于被测气体中氧的磁化率及其体积分数即km≈k1c1式中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由此可以得到磁压力式氧分析器测量原理如下：ΔP=1/2μ0H2（k1c1—kr）磁压力式氧分析器中，被测混合气体中氧的体积分数与压差ΔP有线性关系，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。图3-5为采用微流量检测器的磁压力式氧分析器（OXYMAT61型）测量原理。采用微流量传感器检测压差ΔP，微流量传感器中有两个被加热到120℃的镍隔删电阻，和两个辅助电阻组成惠斯通电桥，变化的气流导致镍隔删电阻值发生变化，使电桥发生偏移。测量开始前，两路参比气压力相等，ΔP=0，测量桥路无信号输出。当电磁铁通电励磁时，周围形成磁场，样气中氧分子被吸引，朝磁场强度较大的右侧运动，并推动参比气逆时针流动，穿过传感器并产生输出信号。当电磁铁断电去磁时，磁场消失，由于参比气压力设定比样气高，右反通道的参比气反向流回测量室，此时参比气顺时针流动，反向穿过传感器并输出信号。采取一定频率的通断电流，对电磁铁反复励磁和去磁，便可在测量桥路中得到交流波动信号。信号强度与样气中的氧含量成正比。微流量传感器位于参比气中，不直接接触样气，避免了样气的导热变化及腐蚀等影响右图为采用微流量检测器的磁压力式氧分析器测量原理薄膜电容检测器磁压力式氧分析（Magnos4G）测量原理该产品的参比气VG和测量气MG相对进入测量池中的磁隙中，磁隙位于电磁铁线圈EM的中间，当EM通入12.5Hz的交流电流时，便在磁隙周围产生相同频率的磁场，两种气体通过磁场时，由于氧的顺磁性而使气体中的氧分压发生变化，而气体中的氧浓度与压力的变化成严格的线性关系。当两者氧浓度不同时，两种气体间就会产生一压差ΔP，此压差传递到接收器E中的钛膜电极的两侧，是薄膜电容器的钛膜电极（可动电极