順磁式氧分析儀

順磁式氧分析儀(yi) 是根據氧氣的體(ti) 積磁化率比一般氣體(ti) 高得多，在磁場中具有的順磁特性的原理製成的一種測量氣體(ti) 中含氧量的分析儀(yi) 器。

順磁式氧分析儀(yi) ，也可叫做磁效應式氧分析儀(yi) 、或磁式氧分析儀(yi) ，我們(men) 通常通稱為(wei) 磁氧分析儀(yi) 。它一般分為(wei) 磁機械式、磁壓力式和氧熱磁對流式分析儀(yi) 三種。

任何物質，在外界磁場的作用下，都會(hui) 被磁化，呈現出一定的磁特性。物質在外磁場中被磁化，其本身會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 附加磁場，附加磁場與(yu) 外磁場方向相同，該物質被吸引，表現為(wei) 順磁性；方向相反，該物質被排斥，表現為(wei) 逆磁性。氣體(ti) 介質處於(yu) 磁場也會(hui) 被磁化，而且根據氣體(ti) 的不同也分別表現出順磁性或逆磁性。如O₂、NO、NO₂等是順磁性氣體(ti) ,H₂、N₂、CO₂、CH₄等是逆磁性氣體(ti) 。體(ti) 積磁化率——任何物質，在外界磁場的作用下，都會(hui) 被磁化，不同物質受磁化的程度不同，可以用磁化強度M來表示：

                         M＝kH

        式中    M——磁化強度;

                H——外磁場強度;

                 K——物質的體(ti) 積磁化率；

K的物理意義(yi) 是指在單位磁場作用下，單位體(ti) 積的物質的磁化強度。磁化率為(wei) 正(k＞0)稱為(wei) 順磁性物質，它們(men) 在外磁場中被吸引；k＜0則稱為(wei) 逆磁性物質，它在外磁場中被排斥；k值愈大，則受吸引和排斥的力愈大。常見氣體(ti) 的體(ti) 積磁化率(0℃)

從(cong) 上表可以看出，氧是順磁性物質，其體(ti) 積磁化率要比其他氣體(ti) 的體(ti) 積磁化率大的多。順磁式氧分析器：根據氧氣的體(ti) 積磁化率比一般氣體(ti) 高得多，在磁場中具有的順磁特性的原理製成的一種測量氣體(ti) 中含氧量的分析儀(yi) 器。本項目中采用了重慶川儀(yi) 九廠的PA200—CJ磁力機械式氣體(ti) 分析儀(yi) 。

4.1磁力機械式氣體(ti) 分析儀(yi) 的工作原理

在一個(ge) 封閉的氣室中，裝有兩(liang) 對不均勻的磁極，它們(men) 的磁場強度梯度正好相反。兩(liang) 個(ge) 空心球（俗稱啞鈴）置於(yu) 兩(liang) 對磁極的間隙中，用彈性金屬帶固定在殼體(ti) 上，這樣，啞鈴隻能以金屬帶為(wei) 軸轉到而不能上下移動。在啞鈴與(yu) 金屬帶交點處裝一平麵反射鏡。被測樣氣由入口進入氣室後，它就充滿了氣室。兩(liang) 個(ge) 空心球被樣氣所包圍，被測樣氣的氧含量不同其體(ti) 積磁化率k值也不同，球體(ti) 所受到的作用力就不同。如果啞鈴了的兩(liang) 個(ge) 空心球體(ti) 積相同，體(ti) 積磁化值相等，兩(liang) 個(ge) 球體(ti) 受到的力大小相等、方向相反，對於(yu) 中心支撐點金屬帶而言，它受到的是一個(ge) 力偶的作用，這個(ge) 力偶促使啞鈴以金屬帶為(wei) 軸心偏轉，在啞鈴做角位移的同時，金屬帶會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 抵抗啞鈴偏轉的複位力矩，與(yu) 轉動力矩相平衡，被測樣氣中的氧含量不同，旋轉力矩和恢複力矩的平衡位置不同，也就是啞鈴的偏轉角度不同，這樣，啞鈴偏轉角度的大小，就反映了被測氣體(ti) 中氧含量的多少。

磁力機械式氧分析儀(yi) 測量部件示意圖

對啞鈴球偏轉角度的測量，大多是采用下圖所示的光電係統來完成的。由光源發出的光投射在平麵反射鏡上，反射鏡再把光束反射到兩(liang) 個(ge) 光電元件（如矽光電池、硒光電池）上。在被測樣氣不含氧時，空心球處於(yu) 磁場的中間位置，此時，平麵反射鏡將光源發出的光束均衡地反射在兩(liang) 光電元件上，兩(liang) 個(ge) 光電元件接收的光能相等。一般兩(liang) 個(ge) 光電采用差動方式連接，因此，光電組件輸出為(wei) 零，儀(yi) 器終輸出也為(wei) 零。

當被測樣氣中有氧存在時，氧分子受磁場吸引，沿磁場強度梯度方向形成氧分壓差，其大小隨氧含量不同而異，該壓力差驅動空心球移出磁場中心位置，於(yu) 是，啞鈴球偏轉了一個(ge) 角度，反射鏡隨之偏轉，反射出的光束也隨之偏移，這時，兩(liang) 個(ge) 光電元件接收到的光能量出現差值，光電組件有毫伏電壓信號輸出。被測氣體(ti) 中氧含量越高，光電組件輸出信號越大。該信號經反饋放大器放大作為(wei) 儀(yi) 器檢測輸出。
   為(wei) 了改善儀(yi) 器的輸出特性，空心球上環繞一匝金屬線圈。該金屬線圈在電路上接收輸出電流的反饋，對啞鈴產(chan) 生一個(ge) 附加複位力矩，從(cong) 而使啞鈴的偏轉角度大大減小

磁力機械式氧分析儀(yi) 光學測量係統原理圖

4.2磁力機械式氧分析儀(yi) 的主要特點和使用注意事項
1、主要特點：
與(yu) 熱磁式分析儀(yi) 相比，磁力機械式氧分析儀(yi) 有如下特點：
   ①它是對氧的順磁性直接測量的分析儀(yi) ，在測量中，不受被測氣體(ti) 導熱性變化、密度變化等影響。
   ②在0…O2範圍內(nei) 線性刻度、測量精度較高，測量誤差可低至±0.1%O2。
   ③靈敏度高，除了用於(yu) 常量的測量以外，還可用於(yu) 微量氧（O2‰）的測量。
2、注意事項：
   ①磁力機械式氧分析儀(yi) 基於(yu) 對磁化率的直接測量，像氧氮等一些強磁性氣體(ti) 會(hui) 對測量帶來嚴(yan) 重幹擾，所以應將這些幹擾組分除掉。此外，一些較強逆磁性氣體(ti) 也會(hui) 引起較大的測量誤差。如氙氣，若樣品中含有較多的這類氣體(ti) ，也應予以清除或對測量結果采取修正措施。
   ②氧氣的體(ti) 積磁化率是壓力、溫度的函數，樣氣壓力、溫度的變化以及環境溫度的變化，都會(hui) 對測量結果帶來影響。因此，必須穩定樣氣的壓力，使其符合調校儀(yi) 器時的壓力值。環境溫度和整個(ge) 檢修部件，均應工作在設計的溫度範圍內(nei) ，一般來說，各種型號的磁力機械式氧分析儀(yi) 均帶有溫度控製係統，以維持檢測部件在恒溫條件下工作。
   ③無論是短時間的劇烈振動，輕微的持續振動，都會(hui) 削弱磁性材料的磁場強度，因此，該類儀(yi) 器多將檢測器等敏感部件安裝在防振裝置中。當然，儀(yi) 器安裝位置也應避開振源並采取適當的防振措施。另外，任何電氣線路不允許穿過這些敏感部分，以防電磁幹擾和振動幹擾。

4.3磁力機械式氧分析儀(yi) 的檢修

檢修內(nei) 容：

①更換光源；

②更換檢測器；

③檢查儀(yi) 表的氣密性。

④檢查儀(yi) 表的絕緣電阻；

⑤測量交流紋波電壓；

⑥測試計算反饋增益；

調零方法

一般的分析器都是以電的形式調節零位，而磁力機械式氧分析儀(yi) 卻是以機械方式調節零點，稱為(wei) 機械調零。其實質是保證氣樣不含氧時矽光電池對左右兩(liang) 塊的光照麵積相等，儀(yi) 器輸出為(wei) 零，為(wei) 此，測量池可以轉動到一個(ge) 合適的位置固定之，使反射光束以恰當的角度照射在光電池上，這可稱為(wei) 粗調。另外通過機械調節螺釘改變光電池的位置，仔細調整，稱之為(wei) 細調。

在裝拆測量池和更換光源燈泡，儀(yi) 器長期運行、測量過程中組分的變化、環境的變化等情況下需進行調零操作。

4.4磁壓力式氧分析儀(yi)

測量原理：

根據被測氣體(ti) 在磁場作用下壓力的變化量來測量氧含的儀(yi) 器，我們(men) 叫做磁壓力式氧分析儀(yi) 。被測氣體(ti) 進入磁場後，在磁場作用下氣體(ti) 的壓力將發生變化，致使氣體(ti) 在磁場內(nei) 和無磁場空間存在著壓力差：

請看下麵的公式：

ΔP=1/2U₀H²k                                        

ΔP……壓差；

 U₀……真空磁導率；

 H……磁場強度；

k……被測氣體(ti) 的體(ti) 積磁化率；   

由上式中可以看出，壓差△p與(yu) 磁場強度H的平方及被測氣體(ti) 的體(ti) 積磁化率k的差值也同樣存在正比關(guan) 係：

ΔP=1/2U₀H²(km-kr)

km……被測氣體(ti) 的體(ti) 積磁化率；

kr……參比氣體(ti) 的體(ti) 積磁化率；

   由上式中可以知道，當分析室結構和參比氣體(ti) 確定後，U₀、H、kr均為(wei) 已知量，km與(yu) ΔP有著嚴(yan) 格的線性關(guan) 係。因此可以得出：

K m≈k1c1

 k1……被測混合氣體(ti) 中氧的體(ti) 積磁化率；

 c1……被測混合氣體(ti) 中氧的體(ti) 積分數；

上麵兩(liang) 式合並，得出下式：

ΔP=1/2U₀H²(k1c1-kr)    

這樣，被測氣體(ti) 氧的體(ti) 積分數c1與(yu) 壓差△p有線性關(guan) 係。這就是磁壓分析儀(yi) 的測量原理。在磁壓力式氧分析儀(yi) 中，測量室中被測氣體(ti) 的壓力變化量被傳(chuan) 遞到磁場外部的檢測器中，轉換為(wei) 電信號。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(liang) 種。為(wei) 了便於(yu) 信號的檢測和調製放大，采用一定頻率的通斷電流，對磁鐵線圈反複激勵，使之產(chan) 生交替變化的磁場，則檢測器測得的信號就變成了交流波動信號了。

4.5磁壓力式氧分析儀(yi) 的工作原理

氧氣有順磁性。OXYMAT6型氧分析儀(yi) 正是利用了這一原理來測量O₂濃度的。在不均勻磁場中，氧分子由於(yu) 其順磁性，會(hui) 朝磁場增強方向移動。當不同氧氣濃度的二種氣體(ti) 在同一磁場相遇時，他們(men) 之間就會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 壓力差。

樣品氣經5進入測量腔6。參比氣經入口1和兩(liang) 個(ge) 參比氣通道3（左3和右3）進入測量腔。微流傳(chuan) 感器中有兩(liang) 個(ge) 被加熱到120℃的鎳格柵電阻，和兩(liang) 個(ge) 輔助電阻組成惠斯通電橋，變化的氣流導致鎳格柵的阻值發生變化，使電橋產(chan) 生偏移。
參比氣可以在鎳格柵中通過，所以左右兩(liang) 個(ge) 參比氣通道是相通的。測量開始前，兩(liang) 路參比氣壓力相等，△p = 0，所以測量電橋無信號輸出。
當電磁鐵8通電勵磁時，在其周圍形成一個(ge) 磁場，樣氣中的氧分子被吸引，朝磁場強度較大的右側(ce) 運動，產(chan) 生一定的氣阻，並推動參比氣右3逆時針流動，通過微流傳(chuan) 感器4，並產(chan) 生輸出信號。
當電磁鐵8斷電去磁時，磁場消失，右3參比通道氣阻消失，氣路通，參比氣順時針流動，反向經4流向測量室，輸出信號恢複。
采用一定頻率的通斷電流，對電磁鐵反複勵磁和消磁，便可以在測量橋路中得到交流波動信號。信號強度與(yu) 樣氣中氧含量成正比。
還可以這樣理解：受交替變化的磁場影響，A、B兩(liang) 點樣氣的壓力差也交替變化，微量傳(chuan) 感器兩(liang) 邊的壓差 △p也隨之變化，參比氣反複流過傳(chuan) 感器，便在測量電橋中產(chan) 生交流波動信號，信號強度與(yu) 參比氣壓力變化量成正比。而這個(ge) 壓力變化量，又與(yu) 通道阻力大小成正比，通道阻力大小又與(yu) 磁場強度強弱成正比，磁場強弱與(yu) 樣氣中的氧含量成正比。一句話：△p與(yu) 樣氣中的氧含量成正比。
微流傳(chuan) 感器位於(yu) 參比氣路中，不直接接觸樣品氣，所以樣氣的導熱、比熱容和樣氣的內(nei) 部摩擦對測量結果都不會(hui) 產(chan) 生影響。同時，也避免了樣氣的腐蝕，使傳(chuan) 感器的抗腐蝕性能大大提高。
由於(yu) 測量地點可能存在振動，並由此造成測量誤差（噪聲），所以儀(yi) 器額外增加了一個(ge) 振動傳(chuan) 感器10，該傳(chuan) 感器無氣體(ti) 流通，其信號可用來測量結果進行補償(chang) 。

西門子OXYMAT 6磁壓力式氧分析儀(yi) 原理圖

4.6磁壓力式氧分析儀(yi) 的校準

校準方法和參比氣的選擇

磁壓力式氧分析儀(yi) 的校準方法和一般氧分析儀(yi) 不同，儀(yi) 器運行和校準需通入參比氣體(ti) 。

根據測量範圍不同，磁壓力式氧分析儀(yi) 分別采用N2、O2和空氣作參比氣。

①當測量範圍為(wei) 0…X%O2（測量下限為(wei) 0%O2）時，用氮作參比氣；

②當測量範圍為(wei) X…O2（測量上限為(wei) O2）時，用氧作參比氣；

③當測量範圍為(wei) 20.95%O2附近時（如：20…30%O2）時，用空氣作參比氣

磁壓力式分析儀(yi) 參比氣選擇表
量程        參考點        參比氣
0…1%O2        0%O2        N2
0…30%O2        0%O2        N2
20…30%O2        20.95%O2        空氣
20…23%O2        20.95%O2        空氣
97…O2        O2        O2
4.7熱磁對流式氧分析儀(yi)

結構類型：

熱磁對流式氧分析儀(yi) 根據其對流形式的不同，可分為(wei) 內(nei) 對流式和外對流式兩(liang) 種。兩(liang) 檢測器的結構不同，但檢測機理均基於(yu) 熱磁對流產(chan) 生的熱效應。

內(nei) 對流式和外對流式主要區別有：

①熱敏元件與(yu) 被氣體(ti) 之間的熱交換方式不同；

內(nei) 對流式檢測器的熱敏元件與(yu) 被測氣體(ti) 之間是隔絕的，它們(men) 通過薄壁石英玻璃管進行熱交換；而外對流式檢測的熱敏元件與(yu) 被測氣體(ti) 之間是直接接觸換熱。

②熱磁對流的位置不同；

內(nei) 對流式檢測器，熱磁對流在熱敏元件（中間通道管）內(nei) 部進行；而外對流式檢測器，熱磁對流在熱敏元件外部進行；內(nei) 對流式檢測器結構簡單，便於(yu) 製造和調整。其熱敏元件不與(yu) 樣氣直接接觸，因此不會(hui) 與(yu) 樣氣發生任何化學反應，也不會(hui) 受到樣氣的玷汙和侵蝕，但熱量傳(chuan) 遞會(hui) 受影響，增加了測量滯後時間，靈敏度相對較低。

外對流式檢測器則與(yu) 此相反，由於(yu) 被測氣體(ti) 與(yu) 熱敏元件直接接觸換熱，所以測量滯後小、靈敏度較高。輸出線性好。另外，它采用雙橋結構，能有效地補償(chang) 環境溫度、電源電壓、樣氣壓力、檢測器不水平等因素給測量帶來的影響，但其結構比較複雜，不便於(yu) 製造和調整。

4.8 內(nei) 對流式熱磁氧分析儀(yi)

熱磁對流

一個(ge) T型薄壁石英管，在其水平方向（X方向）的管道外壁均勻地繞以加熱絲(si) ；在水平通道的左端拐角處放置一對小磁極，以形成一恒定的外磁場。在這種設置下，磁場強度曲線和溫度場曲線就很清楚了。

1——T型薄壁石英管；2——加熱絲(si) ；3——磁鐵；

熱磁對流示意圖

   通過示意圖，我們(men) 可以看到，磁場強度沿X方向按一定的磁場強度梯度衰減，H（X）是變化的。對於(yu) 水平通道而言，處於(yu) 不均勻磁場之中，通道左端磁場強度強，越往右，磁場強度越弱，而溫度場基本上是均勻的。它們(men) 之間的相對位置關(guan) 係是：在磁場強度大值區域開始建立均勻的溫度場。當有順磁性氣體(ti) 在垂直管道沿Y方向自下而上運動到水平管道入口時，由於(yu) 受到磁場的吸引而進入水平管道。在其處於(yu) 磁場強度大區域的同時，也就置身於(yu) 加熱絲(si) 的加熱區。在加熱區，順磁性氣體(ti) 與(yu) 加熱絲(si) 進行熱交換而使自身溫度升高，其體(ti) 積磁化率隨之急劇下降，受磁場的吸引也隨之減弱。而在其後麵處於(yu) 冷態順磁性氣體(ti) ，在其磁場作用下繼續被吸引到水平通道磁場強度大的區域，就會(hui) 對先前已經受熱的順磁性氣體(ti) 產(chan) 生向右方向的推力，使其向右運動而脫離磁場強度大區域。後進入磁場的順磁性氣體(ti) 同樣被熱絲(si) 加熱，體(ti) 積磁化率下降，其後，又被後麵冷態的順磁性氣體(ti) 向右推動，脫離磁場。如此過程連續不斷地進行下去，在水平管道就會(hui) 有氣體(ti) 自左向右地流動，這種氣體(ti) 的流動就稱為(wei) 熱磁對流，或稱為(wei) 磁風。

內(nei) 對流式熱磁氧分析儀(yi) 的工作原理：

其檢測器是一個(ge) 中間有道通的環形氣室，外麵均勻地繞有電阻絲(si) 。電阻絲(si) 通過電流後，既起到加熱作用，又起到測量溫度變化的感溫作用。電阻絲(si) 從(cong) 中間一分為(wei) 二，作為(wei) 兩(liang) 個(ge) 相鄰的橋臂電阻r1/r2與(yu) 與(yu) 固定電阻R1/R2組成測量電橋。在中間通道的左端設置一對小磁極，以形成恒定的不均勻磁場。內(nei) 對流式熱磁氧分析儀(yi) 的工作原理如圖所示，

待測氣體(ti) 從(cong) 底部入口進入環形氣室後，沿兩(liang) 側(ce) 流向上端出口。如果被測混合氣體(ti) 中沒有

                        熱磁式檢測器示意圖(環形水平通道)

順磁氣體(ti) 存在，這是中間通道內(nei) 沒有氣體(ti) 通過，電阻絲(si) r1、r2沒有熱量損失，電阻絲(si) 由於(yu) 流過恒定電流而保持一定的阻值。當被測氣體(ti) 中含有氧氣時，左側(ce) 支流中的氧受到磁場吸引而進入中間通道，從(cong) 而形成熱磁對流，然後由通道右側(ce) 排出，隨右側(ce) 支流流向上端出口。環形氣室右側(ce) 支流的氧因遠離磁場強度區域，受不到磁場的吸引，加之磁風的方向是自左向右的，所以不可能由右端進入中間通道。

由於(yu) 熱磁對流的結果，左半邊電阻絲(si) r1的熱量有一部分被氣流帶走而產(chan) 熱量損失。流經右半邊電阻絲(si) r2的氣體(ti) 已經是受熱氣體(ti) ，所以r2沒有或略有熱量損失。這樣就造成電阻絲(si) r1和r2因溫度不同產(chan) 生的阻值差異，從(cong) 而導致測量電橋失去平衡，有輸出信號產(chan) 生。被測氣體(ti) 中氧含量越高，磁風的流速就越大，r1和r2的阻值相差就越大。測量電橋的輸出信號就越大。由此可見，測量電橋輸出信號的大小就反映了被測氣體(ti) 中氧含量多少。

環形垂直通道檢測器

環形垂直檢測器與(yu) 環形水平通道檢測器的結構是一樣的，隻是將環形氣室的中間通道沿順時針方向旋轉了90℃。這樣做的目的是為(wei) 了提高分析儀(yi) 的測量上限。中間通道為(wei) 垂直狀態後，在通道中除有自上而下的的熱磁對流作用力FM外，還有熱氣體(ti) 上升而產(chan) 生的由下而上自然對流作用力Fr，，兩(liang) 個(ge) 作用力的方向正好相反。在被測氣體(ti) 沒有氧氣存在時，中間通道沒有熱磁對流，隻有自下而上的自然對流，此上升氣流先流經橋臂電阻r2，使r2產(chan) 生熱量損失，而r1沒有熱量損失。為(wei) 了使儀(yi) 器刻度始點為(wei) 零，此時應將電橋調至平衡，測量電橋輸出信號為(wei) 零。隨著被濁氣體(ti) 氧含量的增加，中間通道就有了自上而下的熱磁對流產(chan) 生，此時的熱磁對流會(hui) 削弱自然對流。隨著熱磁電流的逐漸加強，自然對流的作用會(hui) 越來越小，電阻絲(si) r2的熱量損失也越來越小，其阻值逐漸加大，測量電橋失去平衡而有信號輸出。氧含量越高，輸出信號越大。當氧含量由0達到某一值時：FM=Fr，熱磁對流*抵消自然對流，此時，中間通道內(nei) 沒有氣體(ti) 流動，檢測器輸出特性曲線出現拐點，曲線斜率大，檢測

器的靈敏度達到大值。當氧含量繼續增加，FM > Fr，熱磁對流大於(yu) 自然對流，這時，中間通道內(nei) 的氣流方向改為(wei) 由上而下，之後的情況與(yu) 水平通道相似。

   由此可見，在環形垂直通道檢測器的中間通道中，由於(yu) 自然的存在，削弱了熱磁對流，以至在氧含量很高的情況下，中間通道內(nei) 的磁風流速不是很大，從(cong) 而擴展了儀(yi) 器測量上限值。實驗證明：這種檢測器，在氧含量的情況下，仍能保持較高的靈敏度。

                       熱磁式檢測器示意圖(環形垂直通道)

環形水平通道和垂直通道檢測器在測量範圍上的區別如下：

1.對於(yu) 環形水平通道，其測量上限不能超過40%O2。這是因為(wei) ，當氧含量增大時，磁風也增大，水平通道中的氣體(ti) 流速同樣也增大，氣體(ti) 來不及與(yu) r1進行充分的熱交換就已到達r2，造成r2的熱量損失。隨著氧含量增加，r1、r2的熱量損失逐漸接近，兩(liang) 者間電阻的差值就會(hui) 越來越小。當氧含量達到50%時，檢測器的靈敏度就會(hui) 慢慢接近0。

2.對於(yu) 環形垂直通道檢測器，其檢測上限可達到O2，但是對低含量氧進行測量時，其檢測靈敏度很低，甚至不能測量，這是因為(wei) 熱磁對流受到自然對流幹擾較大引起的。儀(yi) 器選型時，要多加注意。

兩(liang) 種檢測器的安裝注意事項：

內(nei) 對流式熱磁氧分析儀(yi) 安裝時，必須保證檢測器處於(yu) 水平位置，否則，會(hui) 引起較大的測量誤差。其原因是：檢測室稍有傾(qing) 斜，就可能改變檢測器內(nei) 的熱磁對流和自然對流的相互關(guan) 係，熱磁對流矢量和自然對流矢量形成的夾角不同，檢測器的輸出值也會(hui) 發生變化。

安裝後要注意檢查分析儀(yi) 的水平度：一般熱磁式氧分析儀(yi) 都裝有水準儀(yi) ，檢查水準儀(yi) 的氣泡是否處在標記中間，如有偏移，則調節水平螺釘，使水準儀(yi) 的氣泡正好處在標記中間。

4.9外對流式熱磁氧分析儀(yi)

工作原理：

檢測器由測量氣室和參比氣室組成，兩(liang) 個(ge) 氣室在結構上*一樣。其中，在測量氣室的底部裝有一對磁極，以形成非均勻磁場，在參比氣室中不設置磁場。在兩(liang) 個(ge) 氣室的底部裝有既用來加熱，又用來測量的熱敏元件，兩(liang) 熱敏元件的結構參數*相同。

被測氣體(ti) 由入口進入主氣道，依靠分子擴散進入兩(liang) 個(ge) 氣室。如果被測氣體(ti) 沒有氧的存在，那麽(me) 兩(liang) 個(ge) 氣室的狀況是相同的，擴散進來的氣體(ti) 與(yu) 熱敏元件直接接觸進行熱交換，氣體(ti) 溫度

得以提高，溫度升高導致氣體(ti) 相對密度下降而向上運動，主氣道中較冷的氣體(ti) 向下運動進入氣室填充，冷氣體(ti) 在熱敏元件上獲得能量，溫度升高，又向上運動回到主氣道，如此循環不斷，就形成了自然對流。由於(yu) 兩(liang) 個(ge) 氣室的結構參數*相同，兩(liang) 個(ge) 熱敏元件單位時間內(nei) 的熱量損失也相同，其阻值也就相等。當被測氣體(ti) 有氧存在時，主氣道中氧分子在流經測量氣室上端時，受到磁場的吸引進入測量氣室並向磁極方向運動。在磁極上方安裝有加熱元件（熱

熱磁外對流式氧分析儀(yi) 檢測器示意圖

敏元件），因此，在氧分子向磁極靠近的同時，必然要吸收加熱元件的熱量而使溫度升高，導致其體(ti) 積磁化率下降，受磁場的吸引力減弱，較冷氣體(ti) 的氧分子不斷地被磁場吸引進測量氣室。在向磁極方向運動的同時，把氣室中先前溫度已升高的氧分子擠出測量氣室。於(yu) 是，在測量氣室中形成熱磁對流。這樣，在測量氣室中便存在有自然對流和熱磁對流兩(liang) 種對流形成，測量氣室的熱敏元件的熱量損失，是由這兩(liang) 種對流形式共同造成的。而參比氣室由於(yu) 不存在磁場，所以隻有自然對流，其熱敏元件的熱量損失，也隻是由自然對流造成的，與(yu) 被測氣體(ti) 的氧含量無關(guan) 。這樣，由於(yu) 測量氣室和參比氣室中的熱敏零件散熱情況的不同，兩(liang) 個(ge) 氣室的熱敏元件的溫度出現差別，其阻值也就不再相等，兩(liang) 者阻值相差多少取決(jue) 於(yu) 被測氣體(ti) 中氧含量的多少。

若把兩(liang) 個(ge) 熱敏元件置於(yu) 測量電橋中作為(wei) 相鄰的兩(liang) 個(ge) 橋臂，那麽(me) ，橋路的輸出信號就代表了被測氣體(ti) 中的氧含量。

雙臂單電橋測量原理圖

測量電路：

為(wei) 了更好地補償(chang) 由於(yu) 環境溫度變化、電源電壓波動、檢測器傾(qing) 斜等因素給測量帶來的影響，外對流式檢測器一般都采用雙電橋結構。如圖：

圖中四個(ge) 氣室分為(wei) 兩(liang) 組，分別置於(yu) 兩(liang) 個(ge) 電橋中，每組兩(liang) 個(ge) 氣室中各有一個(ge) 氣室底部裝有磁極，氣室中的熱敏元件作為(wei) 線路中測量電橋和參比電橋的橋臂。而參比氣室則通過氧含量為(wei) 定值的空氣作為(wei) 參比氣。

外熱磁對流式氧分析儀(yi) 檢測過程：分析儀(yi) 采用外對流檢測器和直流雙電橋補償(chang) 測量係統。工作電橋和參比電橋在結構與(yu) 性能上*對稱。

參比電橋由R1、R2、R3、R4組成，其中，R3、R4為(wei) 兩(liang) 隻固定的錳銅電阻，R1、R2為(wei) 敏感元件。R1處於(yu) 磁場中，R2沒有磁場。工作時，空氣進入參比氣室1、2，從(cong) R1、R2周圍流過。由於(yu) 空氣中的含氧量為(wei) 一定值（20.9%），而熱磁對流在電橋的輸出端ab間產(chan) 生一定值電勢Uab。

                   熱磁外對流式發送器氣路連接圖

交流雙電橋原理圖

測量電橋由R5、R6、R7、R8組成，其中，R7、R8為(wei) 兩(liang) 隻固定的錳銅電阻，R5、R6為(wei) 敏感元件。R6處於(yu) 磁場中，R5沒有磁場。工作時，被分析混合氣體(ti) 進入測量氣室3、4，從(cong) R5、R6周圍流過。由於(yu) 熱磁對流的結果，使電橋輸出端cd間產(chan) 生電勢Ucd。Ucd的大小與(yu) 熱磁對流的強弱有關(guan) ，亦即Ucd的大小隨著被分析混合氣體(ti) 中的氧含量（氧濃度）而變化。測量數值取決(jue) 於(yu) 工作電橋和參比電橋兩(liang) 端輸出電壓的比值：即：

X =K（ Ucd / Uab ）

通過上式我們(men) 可以看出，由於(yu) 環境溫度、大氣壓力、電源電壓等有變化時，雖然兩(liang) 端的的輸出電壓會(hui) 發生變化，但兩(liang) 者比值變化較小，測量指示受環境因素影響較小，因為(wei) 測量精度較高。若儀(yi) 器中設計有控溫電路和溫度補償(chang) ，可大限度地減少溫漂。

這種雙電橋結構的檢測器的測量上限將受到參比氣體(ti) 中氧含量的限製。若選用空氣做參比氣，儀(yi) 器的測量上限就不能超過21%O2。

4.10順磁式氧分析儀(yi) 測量誤差分析

分析儀(yi) 在使用過程中，會(hui) 遇到使用環境、操作人員、操作程序不同而造成的各種情況，產(chan) 生的測量誤差也各不同，提供幾條給各位參詳。

氣樣溫度變化引起的誤差

理論推斷出的居裏公式可知，的示值與(yu) 樣氣溫度的平方成反比，但在實際運用中，溫度變化造成的影響比理論推導出的結論要嚴(yan) 重的多。有國外文獻認為(wei) ，順磁氧分析儀(yi) 的示值和樣氣溫度的4次方成反比。但實驗證明，在常溫情況下，樣氣溫度每變化1℃，熱磁氧測量示值變化可達1%…1.5%。對磁機氧而言，短時間偏差也能達到0.02%…0.05%，隨著時間延長和溫度升高，其溫漂現象會(hui) 更加嚴(yan) 重。所以，溫度變化是測量中產(chan) 生誤差的重要原因。在順磁氧分析儀(yi) 中普通采用了恒溫措施，設置了溫控係統，恒溫一般在60℃左右，溫控精度在±0.1℃以內(nei) 。

樣氣壓力變化引起的誤差

理論推斷出的居裏公式可知，順磁性氣體(ti) 的磁化率與(yu) 壓力成正比，而與(yu) 熱力學溫度的平方成反比。由於(yu) 樣氣測量後，直接放空，大氣壓力或放空背壓的變化都會(hui) 使檢測器中的樣氣壓力發生變化，從(cong) 而影響到輸出數值。

大氣壓力的變化，一是指季節或氣候變化導致的氣壓變化，在同一地點，這種變化通常是很微弱的，對測量誤差的影響一般可忽略不計，但在精密測量中仍需要考慮其影響；二是指儀(yi) 器安裝地點的海拔高度不同帶來的測量誤差。如：大氣壓力由101.3KPA（760mmHg）變化到99.7KPA（740mmHg）時，儀(yi) 器的示值降低2.63%。要消除這種誤差，隻需在儀(yi) 器投用前，對儀(yi) 器重新校準，就可解決(jue) 此誤差問題。

放空背壓的變化，通常發生在分析後樣氣管堵和多台儀(yi) 器共用一根放空管線的氣堵而造成的變化，若頻繁發生氣堵現象，可通過加裝背壓調節閥或其它穩壓措施來解決(jue) 。

為(wei) 了克服上述因素引起的測量誤差，有些精度的氧分析儀(yi) 中帶有壓力補償(chang) 措施。

樣氣流量變化引起的誤差

樣氣流量變化引起的誤差較大，當流量波動±10%時，示值誤差可達1%…5%.為(wei) 了減少這種影響，在熱磁式分析儀(yi) 樣品處理係統中需要加裝穩壓裝置，對於(yu) 你低量程的測量，還需要配置穩流閥，有的儀(yi) 器采用擴散式結構的測量室來減少流量波動的影響。

對於(yu) 磁力機械式和磁壓力式氧分析儀(yi) 來說，若樣氣密度和空氣相差較大時，需要重新尋找佳流速，既可以使響應達到大，又可以使流速在一定範圍內(nei) 變化時，對輸出無影響。樣氣中背景氣成分引起的誤差

磁力機械式和磁壓力式氧分析儀(yi) 基於(yu) 對磁化率的直接測量，像氧化氮等一些強磁性氣體(ti) 會(hui) 對測量帶來嚴(yan) 重幹擾，所以不宜測量含有氧化氮成分的樣氣，如果氧化氮含量很少，可設法將其除掉後再進行測量。此外，一些較強逆磁性性氣體(ti) 也會(hui) 引起不容忽視的測量誤差。如氙等，若樣氣中含有較多的這類氣體(ti) 時，也應予以清除或對測量結果進行修正。

對於(yu) 熱磁式氧分析儀(yi) 來說，其測量原理不僅(jin) 基於(yu) 氣體(ti) 的磁效應，還與(yu) 氣體(ti) 的熱效應有關(guan) ，氣體(ti) 熱導率以及密度等因素都會(hui) 對熱傳(chuan) 導帶來影響，尤其是熱導率高而密度小的氫和密度很大的二氧化碳的影響更為(wei) 顯著。如：氫含量增加0.5%時，儀(yi) 器測量數值將降低0.1%O2；CO2含量增加1.5%時，儀(yi) 器測量數值將增加0.1%O2。

樣氣預處理後，由於(yu) 背景氣體(ti) 成分的變化而造成的誤差

樣品預處理係統的任務是將樣氣中對檢測器有害的組分（如水分、腐蝕性氣體(ti) 等）以及幹擾測量的組分除掉。如果這些除掉的組分含量較高，勢必會(hui) 引起樣品組成發生變化，氧含量亦隨之變化，從(cong) 而造成測量誤差。這種情況對氧分析儀(yi) 的測量，尤其是低量程測量影響十分嚴(yan) 重。因此，要充分考慮其影響程度，采取措施盡量加以避免或對儀(yi) 器示值進行修正。

一般情況下，工藝操作關(guan) 心的是被測氣體(ti) 的主要組成，或被測氣體(ti) 在常溫下的組成。高溫工藝氣體(ti) 中往往含有常溫下過飽和水，將其降溫除水後不會(hui) 影響到樣品的組成。但如果除水方法不當，也會(hui) 破壞其組成。例如，在高溫煙道氣中，除含水以外還含有大量的CO2和部分SO2，以前曾采用水力抽氣器取樣，再經氣水分離器加以分離，這實際上是一種水洗的處理方法。CO2和SO2易溶於(yu) 水，經過水洗處理後，一部分CO2和SO2溶於(yu) 水中，改變了樣品組成，加之冷卻水中一部分溶解氧釋放出來，這些都會(hui) 使樣品氣中的氧含量增高，造成氧分析儀(yi) 測量值虛高。所以，不應采用這種方法處理煙道氣樣品，正確的方法是用壓縮機或半導體(ti) 冷卻器降溫除水。

 標準氣組成引起的誤差

當標準氣中的非氧組分與(yu) 被測樣品氣的背景組分相一致時，可使測量誤差減至小。但這樣的標準氣來源困難，一般均采用來源方便的N2用零點氣，並以氮為(wei) 本底配置量程氣。當被測樣氣背景組分的體(ti) 積磁化率與(yu) N2的體(ti) 積磁化率有較大差異時，這樣校準的分析儀(yi) 零點和量程必然存在誤差。對磁機氧和磁壓氧來說，其零點的微小變化都會(hui) 給測量帶來較大的誤差。所以，針對這種情況須采用零點遷移方法進行修正。

安裝不合適對指示的影響

安裝時主要是發送器必須處於(yu) 水平位置，所以在發送器設置一個(ge) 水平儀(yi) ，以校準工作室的水平。安裝不水平會(hui) 引起較大的測量誤差，並影響儀(yi) 器的測量精度。其原因是，工作室稍有傾(qing) 斜後，改變了分析室中熱磁對流和自然對流的相互關(guan) 係，熱磁對流和自然對流矢量夾角的不同，發生器將有不同的餓輸出特性。