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1、在線氣體分析儀器及分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)講座第一部分（2),第三講順磁氧分析器 主講人：朱衛(wèi)東 2011年,第三講 順磁式氧分析儀,3.1概述 3.1.1 順磁氧分析器測量概述 順磁式氧分析器的定義及分類 順磁式氧分析器，是根據(jù)氧氣的體積磁化率比一般氣體高得多，在磁場中具有極高順磁特性的原理制成的一類測量氣體中氧含量的儀器。,,目前有三種類型的順磁式氧分析器，即: 熱磁對(duì)流式、 磁力機(jī)械式、 磁壓力式氧分析器。 氣體介質(zhì)處于磁場會(huì)被磁化，根據(jù)氣體的不同也分別表現(xiàn)出順磁性或逆磁性。如O2、NO、NO2等是順磁性氣體，H2、N2、CO2、CH4等是逆磁性氣體。,,氣體的體積磁化率 不同物質(zhì)受磁化的
2、程度不同，可以用磁化強(qiáng)度M來表示： M=kH 式中M磁化強(qiáng)度； H外磁場強(qiáng)度； k物質(zhì)的體積磁化率。,,物質(zhì)的體積磁化率k 的物理意義是指在單位磁場強(qiáng)度作用下，單位體積物質(zhì)的磁化強(qiáng)度。 磁化率為正，k0稱為順磁性物質(zhì)，它們?cè)谕獯艌鲋斜晃?；k0則稱為逆磁性物質(zhì)，它們?cè)谕獯艌鲋斜慌懦猓?k值愈大，則受吸引和排斥的力愈大。,表3-1常見氣體的體積磁化率及相對(duì)磁化率,,混合氣體的體積磁化率 對(duì)于多組分混合氣體來說，它的體積磁化率可以粗略地看成是各組分體積磁化率的算術(shù)平均值。 在含氧混合氣體中(含有大量NO和NO2等氮氧化物的特殊情況除外)，除氧以外其余各組分的體積磁化率都很小，
3、數(shù)值上彼此相差不大，且順磁性氣體和逆磁性氣體的體積磁化率有互相抵消趨勢。 混合氣體的體積磁化率基本上取決于氧的體積磁化率及其體積分?jǐn)?shù)。氧的體積磁化率在一定溫度下是已知固定值，所以只要能測得混合氣體體積磁化率，就可得出混合氣體中氧的體積百分含量。,附錄：氧分析器的測量原理分類,3.2熱磁對(duì)流式氧分析器,熱磁對(duì)流式氧分析器分為內(nèi)對(duì)流式熱磁氧分析器和外對(duì)流式熱磁式氧分析器。它們的工作原理均基于熱磁對(duì)流產(chǎn)生的熱效應(yīng)。 內(nèi)對(duì)流式檢測器，熱磁對(duì)流在熱敏組件（中間通道管）內(nèi)部進(jìn)行，熱敏組件與被測氣體是隔絕的，通過薄壁石英玻璃管進(jìn)行熱交換，因此不會(huì)與樣氣發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，也不會(huì)受到樣氣的玷污和侵蝕，但熱量傳遞
4、受到一定影響，增加了測量滯后時(shí)間，靈敏度也相對(duì)較低，另外要求檢測器處于水平工作位置。,內(nèi)對(duì)流式熱磁氧分析器的工作原理,,,待測氣體從底部入口進(jìn)入環(huán)形氣室后，沿兩側(cè)流向上端出口。如果被測混合氣體中沒有順磁性氣體存在，這時(shí)中間通道內(nèi)沒有氣體流過，電阻絲r1、r2沒有熱量損失，電阻絲由于流過恒定電流而保持一定阻值。當(dāng)被測氣體中含有氧氣時(shí)，左側(cè)支流中的氧受到磁場吸引而進(jìn)入中間通道，從而形成熱磁對(duì)流，然后由通道右側(cè)排出。經(jīng)右側(cè)支流，流向上端出口。環(huán)形氣室中右側(cè)支流中的氧因遠(yuǎn)離磁場強(qiáng)度最大區(qū)域，受不到磁場吸引，加上磁風(fēng)的方向是自左向右的，所以不可能由右端口進(jìn)入中間通道。,,由于熱磁對(duì)流的結(jié)果，左半邊的電阻
5、絲r1的熱量部分被氣流帶走產(chǎn)生熱量損失，右半邊電阻絲r2沒有熱量損失，因此造成r1、r2阻值產(chǎn)生差異，導(dǎo)致測量電橋失去平衡，產(chǎn)生輸出信號(hào)。被測氣體中氧含量越高，磁風(fēng)流速越大，r1、r2阻值相差越大，測量電橋的輸出信號(hào)就越大。由此可見，測量電橋的輸出信號(hào)大小就反應(yīng)了被測氣體中氧含量的多少。,,外對(duì)流式檢測器，熱磁對(duì)流在熱敏組件外部進(jìn)行，其熱敏組件與被測氣體直接接觸換熱，測量滯后小、靈敏度高，輸出線性好。通常采用雙橋結(jié)構(gòu)，能有效補(bǔ)償樣氣壓力、環(huán)境溫度等干擾影響，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難。,外對(duì)流式磁氧分析器的工作原理,,,被測氣體由入口進(jìn)入主氣道，依靠分子擴(kuò)散進(jìn)入兩個(gè)氣室，如果被測氣體沒有氧的存在，那
6、么兩個(gè)氣室的狀況一致，兩個(gè)氣室形成的自然對(duì)流相同，兩個(gè)熱敏組件單位時(shí)間的熱量損失相同，阻值也相同。 當(dāng)被測氣體中有氧存在，主氣道中的氧分子在流經(jīng)測量氣室上端時(shí)，受到磁場吸引進(jìn)入測量氣室并向磁極方向運(yùn)動(dòng)。在磁極上方安裝有加熱組件（熱敏組件），氧分子向磁極靠近的同時(shí)被加熱而導(dǎo)致其體積磁化率下降，受磁場吸引力減弱，較冷的氧分子不斷被磁場吸引進(jìn)測量氣室，在向磁極方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，把先前溫度已升高的氧分子擠出測量氣室，于是在測量氣室中形成熱磁對(duì)流。,,測量氣室中存在熱磁對(duì)流和自然對(duì)流，其工作熱敏組件受到兩種形式對(duì)流帶來的熱量損失。而參比氣室中不存在磁場，只有自然對(duì)流，參比熱敏組件只受到自然對(duì)流影響，而與
7、氧含量無關(guān)。這樣兩個(gè)熱敏組件的溫度出現(xiàn)差異，阻值不再相等，其差值取決于被測氣體中的氧含量。這樣測量電橋的輸出信號(hào)也就代表了被測氣體中的氧含量。,,南分熱磁對(duì)流式氧分析器主要技術(shù)指標(biāo)如下： 1）測量范圍 CD-3631 0-1% O2 CD-3632 0-2% O2 CD-3633 0-2.5% O2 CD-3634 0-5% O2 CD-3635 0-10% O2 CD-3636 0-21% O2 CD-3637 95-100%O2 CD-3638 98-100%O2 2）線性誤差：2%FS 3）零點(diǎn)漂移和量程漂移：不大于2%FS/7d,,4）重復(fù)性誤差：不大于1%FS 5）數(shù)字顯示，標(biāo)準(zhǔn)
8、信號(hào)輸出：4-20(或0-10)mA 負(fù)載電阻550 6）通訊輸出： RS485（可選） 7）報(bào)警輸出： 上、下限報(bào)警觸點(diǎn)容量 264VAC/1A或30VDC/1A,3.3磁力機(jī)械式氧分析器,磁力機(jī)械式氧分析器檢測部件結(jié)構(gòu)及原理示意圖參見圖3-3。 在一個(gè)密閉的氣室中，裝有兩對(duì)不均勻磁場的磁極2和3，它們的磁場強(qiáng)度梯度正好相反。兩個(gè)空心球體4（內(nèi)充純凈的氮?dú)饣驓鍤猓┲糜趦蓪?duì)磁極的間隙中，空心球之間通過連桿連接在一起，形狀類似啞鈴。連桿用彈性金屬帶5固定在氣室殼體上，這樣，啞鈴只能以金屬帶為軸轉(zhuǎn)動(dòng)而不能上下移動(dòng)。在連桿與金屬帶交點(diǎn)處裝一平面反射鏡6。,磁力機(jī)械式氧分析器檢測部件結(jié)構(gòu)及原
9、理示意圖,,被測樣氣由入口進(jìn)入氣室后，就充滿了氣室。兩個(gè)空心球被樣氣所包圍，被測樣氣的氧含量不同，受到磁場的作用力Fm就不同。如果兩個(gè)空心球體積相同，則受到的力大小相等、方向相反，對(duì)于中心支撐點(diǎn)金屬帶而言，它受到的是一個(gè)力偶Mm的作用，這個(gè)力偶促使啞鈴以金屬帶為軸心偏轉(zhuǎn)，該力偶矩為 Mm= Fm2Rp 式中 Rp球體中心至金屬帶的垂直距離（啞鈴的力臂）,,在啞鈴做角位移的同時(shí)，金屬帶會(huì)產(chǎn)生一個(gè)抵抗啞鈴偏轉(zhuǎn)的復(fù)位力矩以平衡Mm，被測樣氣中的氧含量不同，旋轉(zhuǎn)力矩和復(fù)位力矩的平衡位置不同，也就是啞鈴的偏轉(zhuǎn)角度不同，這樣，啞鈴偏轉(zhuǎn)角度的大小，就反映了被測氣體中氧含量的多少。,,對(duì)啞鈴偏轉(zhuǎn)角度
10、的測量，大多是采用光電系統(tǒng)來完成的如圖3-3所示，由光源發(fā)出的光投射在平面反射鏡上，反射鏡再把光束反射到兩個(gè)光電組件（如硅光電池）上。在被測樣氣不含氧時(shí)，空心球處于磁場的中間位置，此時(shí)，平面反射鏡將光源發(fā)出的光束均衡地反射在兩個(gè)光電組件上，兩個(gè)光電組件接收光能相等，一般兩個(gè)光電組件采用差動(dòng)方式連接，因此，光電組件輸出為零，儀表最終輸出也為零。,,當(dāng)被測樣氣中有氧存在時(shí)，氧分子受磁場吸引，沿磁場強(qiáng)度梯度方向形成氧分壓差，其大小隨氧含量不同而異，該壓力差驅(qū)動(dòng)空心球移出磁場中心位置，于是啞鈴偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，反射鏡隨之偏轉(zhuǎn)，反射出的光束也隨之偏移，這時(shí)，兩個(gè)光電組件接收到的光能量出現(xiàn)差值，光電組件有毫伏
11、電壓信號(hào)輸出。被測氣體中氧含量越高，光電組件輸出信號(hào)越大。該信號(hào)經(jīng)回饋放大鏡放大作為儀表輸出。,,為了改善儀器的輸出 特性，有的在空心球 的外圍環(huán)繞一匝金屬 線圈，如圖3-4所示。 該金屬線圈在電路上 接收輸出電流的回饋， 對(duì)啞鈴產(chǎn)生一個(gè)附加 復(fù)位力矩，從而使啞 鈴的偏轉(zhuǎn)角度大大減小。,,與熱磁式氧分析器相比，磁力機(jī)械式氧分析器具有如下優(yōu)點(diǎn)。 它是對(duì)氧的順磁性直接測量的儀器，在測量中不受被測氣樣導(dǎo)熱性變化、密度變化等影響。 在0100%O2范圍內(nèi)線性刻度，測量精度較高，測量誤差可低至0.1%O2。 靈敏度高，除了用于常量氧的測量以外，還可用于微量氧（O2級(jí)）的測量。 從以上幾個(gè)方面可以看出，磁
12、力機(jī)械式氧分析器優(yōu)于熱磁對(duì)流式氧分析器。,,使用注意事項(xiàng)： 磁力機(jī)械式氧分析器基于對(duì)磁化率的直接測量，像氧化氮等一些強(qiáng)順磁性氣體會(huì)對(duì)測量帶來嚴(yán)重干擾，所以應(yīng)將這些干擾組分除掉。此外，一些較強(qiáng)逆磁性氣體也會(huì)引起不容忽視的測量誤差，如氙（Xe）等，若氣樣中有含量較多的這類氣體時(shí)，也應(yīng)予以清除或?qū)y量結(jié)果采取修正措施。,,氧氣的體積磁化率是壓力、溫度的函數(shù)，氣樣壓力、溫度的變化以及環(huán)境溫度的變化，都會(huì)對(duì)測量結(jié)果帶來影響。因此，必須穩(wěn)定氣樣的壓力，使其符合調(diào)校儀表時(shí)的壓力值。環(huán)境溫度及整個(gè)檢測部件均應(yīng)工作在設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)，一般來說，各種型號(hào)的磁力機(jī)械式氧分析器均帶有溫度控制系統(tǒng)，以保證檢測部件在恒溫條
13、件下工作。,,無論是短時(shí)間的劇烈振動(dòng)，還是輕微的持續(xù)振動(dòng)，都會(huì)削弱磁性材料的磁場強(qiáng)度，因此，該類儀器多將檢測部件的敏感部分安裝在防振裝置中。當(dāng)然，儀器安裝位置也應(yīng)避開振源并采取適當(dāng)?shù)姆勒翊胧?。另外，任何電氣線路不允許穿過這些敏感部分，以防電磁干擾和振動(dòng)干擾。,磁力機(jī)械式氧分析器的主要性能指標(biāo),以Servomex 2200為例： 測量范圍：0100%O2 最小量程 0-0.5%O2 線性偏差： 1%FS 重復(fù)性誤差：1%FS 零點(diǎn)漂移：0.01%O2/7天 量程漂移：0.05%O2/7天 響應(yīng)時(shí)間：47s,3.4磁壓力式氧分析器,根據(jù)被測氣體在磁場作用下壓力的變化量來測量氧含量的儀器稱為磁壓力式
14、氧分析器。 其測量原理如下。 被測氣體經(jīng)入磁場后，在磁場作用下氣體的壓力將發(fā)生變化，只是氣體在磁場內(nèi)和無磁場空間存在著壓力差。 P=1/20H2k 式中 P---壓差 0----真空導(dǎo)磁率 H-----磁場強(qiáng)度 k------被測氣體的體積磁化率,,由上式可知壓差P與磁場強(qiáng)度H的平方及被測氣體的體積磁化率k均成正比。 在同一磁場中，同時(shí)引入兩種磁化率不同的氣體，那么兩種氣體同樣存在著壓力差，這個(gè)壓力差與兩種氣體磁化率的差值也同樣存在正比關(guān)系。 P=1/20H2（kmkr） 式中 km被測氣體的體積磁化率 kr參比氣體的體積磁化率,,當(dāng)分析器結(jié)構(gòu)與參比氣
15、體確定后0、H、kr均為已知量，km與P有著嚴(yán)格線性關(guān)系。 由于被測混合氣體的體積磁化率基本上取決于被測氣體中氧的磁化率及其體積分?jǐn)?shù)即 kmk1 c1 式中 k1被測混合氣體中氧的體積磁化率 c1被測混合氣體中氧的體積分?jǐn)?shù),,由此可以得到磁壓力式氧分析器測量原理如下： P=1/20H2（k1 c1kr） 磁壓力式氧分析器中，被測混合氣體中氧的體積分?jǐn)?shù)與壓差P有線性關(guān)系，測量室中被測氣體的壓力變化量被傳遞到磁場外部的檢測器中轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。目前使用的檢測器主要有薄膜電容檢測器和微流量檢測器兩種。,,圖3-5為采用微流量檢測器的磁壓力式氧分析器（OXYMAT61型）測量原理。采用微
16、流量傳感器檢測壓差P，微流量傳感器中有兩個(gè)被加熱到120的鎳隔刪電阻，和兩個(gè)輔助電阻組成惠斯通電橋，變化的氣流導(dǎo)致鎳隔刪電阻值發(fā)生變化，使電橋發(fā)生偏移。測量開始前，兩路參比氣壓力相等，P=0，測量橋路無信號(hào)輸出。,,當(dāng)電磁鐵通電勵(lì)磁時(shí)，周圍形成磁場，樣氣中氧分子被吸引，朝磁場強(qiáng)度較大的右側(cè)運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)參比氣逆時(shí)針流動(dòng)，穿過傳感器并產(chǎn)生輸出信號(hào)。當(dāng)電磁鐵斷電去磁時(shí)，磁場消失，由于參比氣壓力設(shè)定比樣氣高，右反通道的參比氣反向流回測量室，此時(shí)參比氣順時(shí)針流動(dòng)，反向穿過傳感器并輸出信號(hào)。 采取一定頻率的通斷電流，對(duì)電磁鐵反復(fù)勵(lì)磁和去磁，便可在測量橋路中得到交流波動(dòng)信號(hào)。信號(hào)強(qiáng)度與樣氣中的氧含量成正比。
17、微流量傳感器位于參比氣中，不直接接觸樣氣，避免了樣氣的導(dǎo)熱變化及腐蝕等影響,,右圖為采 用微流量 檢測器的 磁壓力式 氧分析器 測量原理,薄膜電容檢測器磁壓力式氧分析（Magnos4G）測量原理,,,該產(chǎn)品的參比氣VG和測量氣MG相對(duì)進(jìn)入測量池中的磁隙中，磁隙位于電磁鐵線圈EM的中間，當(dāng)EM通入12.5Hz的交流電流時(shí)，便在磁隙周圍產(chǎn)生相同頻率的磁場，兩種氣體通過磁場時(shí)，由于氧的順磁性而使氣體中的氧分壓發(fā)生變化，而氣體中的氧濃度與壓力的變化成嚴(yán)格的線性關(guān)系。當(dāng)兩者氧濃度不同時(shí)，兩種氣體間就會(huì)產(chǎn)生一壓差P，此壓差傳遞到接收器E中的鈦膜電極的兩側(cè)，是薄膜電容器的鈦膜電極（可動(dòng)電極）產(chǎn)生偏移，薄膜電
18、容器的電容量發(fā)生變化，將壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成比例的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大處理顯示氧含量。,,磁壓力式氧分析器的主要性能指標(biāo)： 測量范圍：01% O2 0100%O2 線性偏差： 1%FS 重復(fù)性誤差：1%FS 零點(diǎn)漂移：1%FS/7天 量程漂移：1%FS/7天 響應(yīng)時(shí)間：2.54s,3.5順磁式氧分析儀的誤差分析及儀器調(diào)試,3.5.1順磁式氧分析儀的誤差分析 順磁式氧分析儀在使用中可能出現(xiàn)的附加誤差如下： 氣樣溫度變化引起的誤差 理論推導(dǎo)順磁式氧分析儀的示值與氣樣溫度的平方成反比，常溫情況下，氣樣溫度變化1，熱磁式氧分析儀的示值可能變化1%5%。在順磁式氧分析儀設(shè)計(jì)中普遍采取恒溫處施恒溫控制在6
19、00.1。,,氣樣壓力變化引起的誤差 理論推導(dǎo)順磁式氧分析儀的示值與氣樣壓力成正比，由于氣樣直接放空，因此大氣壓力或放空背壓的變化都會(huì)影響檢測器的氣樣壓力變化，影響輸出值。通常在儀器投運(yùn)前用標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行校準(zhǔn)，可消除由于使用地的大氣壓力差異的影響。對(duì)儀器放空背壓的變化，可加裝背壓調(diào)節(jié)伐或其它穩(wěn)壓處施。,,氣樣流量變化引起的誤差 氣樣流量的變化儀器的誤差較大，當(dāng)流量波動(dòng)10%，示值誤差變化可達(dá)1%5%。對(duì)熱磁式氧分析器在樣品處理時(shí)需設(shè)置穩(wěn)壓閥，必要時(shí)再設(shè)置穩(wěn)流閥，以減小流量的影響。對(duì)磁力機(jī)械式氧分析儀及磁壓式氧分析器，需要調(diào)節(jié)選擇最佳流速，使得輸出信號(hào)最大，而流速變化影響很小。,,氣樣中背景氣成分變
20、化引起的誤差 氣樣中的背景組分對(duì)磁力機(jī)械式及磁壓式氧分析器的測量應(yīng)注意，背景氣是否存在其它強(qiáng)順磁性氣體如：氧化氮,帶來的嚴(yán)重干擾，對(duì)較強(qiáng)的逆磁性氣體如：氙（Xe）也會(huì)帶來嚴(yán)重干擾。對(duì)存在的干擾氣體應(yīng)予以清除或修正測量結(jié)果。 對(duì)熱磁式氧分析器還與氣體的熱效應(yīng)有關(guān)，如氫與二氧化碳對(duì)氧的測量結(jié)果帶來影響，如：H2含量增加0.5%，儀器示值將降低0.1%O2，CO2含量增加1.5%，儀器示值將增加0.1%O2。,,氣樣經(jīng)處理由于背景氣成分變化引起誤差 樣品氣在處理過程中對(duì)檢測的有害組分如：水分及干擾氣體等進(jìn)行處理，這些組分的含量如比較高，則在去除后會(huì)引起樣品氣組分的變化，從而引起氧含量的變化。 另外在
21、樣氣處理過程中，某些易溶于水的氣體在樣氣除水過程中可能會(huì)與水接觸而溶于水，如：CO2、SO2等氣體在水洗處理中會(huì)溶于水，從而使混合氣體中的氧含量升高。因此在樣氣處理中應(yīng)予以注意。,,標(biāo)準(zhǔn)氣組成帶來的誤差 標(biāo)準(zhǔn)氣中的非氧組分應(yīng)與被測氣體的背景氣組分一致，可使標(biāo)定時(shí)的測量誤差最小。 通常用氮?dú)庾髁泓c(diǎn)氣，并用氮?dú)鉃楸尘皻馀渲昧砍虤?。此時(shí)應(yīng)注意被測氣體的背景氣體積磁化率與氮?dú)獾捏w積磁化率是否有較大差異？如差異較大會(huì)引起分析器的零點(diǎn)與量程校準(zhǔn)的誤差。當(dāng)采用空氣作為量程器或參比氣時(shí)應(yīng)注意采用新鮮干燥的空氣。,3.4.2順磁氧分析器的調(diào)試與維護(hù),1）順磁式氧分析器的安裝調(diào)試注意事項(xiàng) 內(nèi)對(duì)流式熱磁氧分析器在安
22、裝時(shí)應(yīng)特別注意檢測器處于水平位置，儀器裝有水平儀。應(yīng)調(diào)節(jié)水平儀的氣泡在標(biāo)記的中間。 磁力機(jī)械式氧分析儀應(yīng)注意清除干擾組分，如氧化氮?dú)怏w等，安裝處特別注意防震動(dòng)，防電磁干擾，通常檢測器要安裝在防震裝置上。 磁壓式氧分析器必須通入?yún)⒈葰?，使用中?yīng)保持參比氣的正常流量。,,2）順磁式氧分析器的維護(hù)注意事項(xiàng) 注意各種順磁式氧分析器對(duì)溫度的影響，大多儀器裝有恒溫控制裝置，應(yīng)檢查儀器的溫控是否正常工作。 應(yīng)檢查進(jìn)入儀器的樣氣壓力、流量是否正常，氣樣的壓力、流量的變化對(duì)氧的體積磁化率都有影響，會(huì)影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。氣樣的壓力、流量的變化會(huì)引起附加誤差。 注意儀器的零點(diǎn)和量程調(diào)整，儀器在調(diào)整前必須進(jìn)行預(yù)熱準(zhǔn)備，在儀器指示穩(wěn)定后，再進(jìn)行調(diào)整。,附：順磁式氧分析器性能比較表,
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