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1、“在线分析仪器系统应用维护综合 技能培训班”技术讲座 （第二部分）3第三讲顺磁氧分析器主讲人：朱卫东 2012/5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 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。分类：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。气体的顺磁性或逆磁性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。气体的体积磁化率不
2、同物质受磁化的程度不同，可以用磁化强度M 来表示：M=kH 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，k0称为顺磁性物质，它们在外磁 场中被吸引；k0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
3、，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，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3.2.1热磁对流式氧分析器分类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 。3.2.2内对流式热磁氧分析器热磁对流在热敏组件（中间通道管）的内部进 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
4、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，一般量程测量，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
5、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。3.2.3外对流式热磁氧分析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
6、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
7、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。热磁对流式氧分析器主要技术指标如下： 1）测量范围 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）线性误差：2%FS 3）零
8、点漂移和量程漂移：不大于2%FS/7d4）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550 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3.3.1磁力机械式氧分析器检测结构及原理示意图参见下图。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
9、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= Fm2Rp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
10、度不同，这样，哑 铃偏转角度的大小，就反映了被测气体中氧含 量的多少。对哑铃偏转角度的测量，大多是采用光电系 统来完成的如上图所示，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
11、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，如右图所示。 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。 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。 在0100%O2范围内线性刻度，测量精度较高 ，测量误差可低至0.1%
12、O2。 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。3.3.2磁力机械式氧分析器使用注意事项：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。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
13、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，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。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Servomex 2200： 测量范围：0100%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
14、：0.05%O2/7天 响应时间：47s3.4磁压力式氧分析器3.4.1磁压力式氧分析器测量原理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。被测 气体进入磁场后气体压力将发生变化，气体在磁 场内和无磁场空间存在压力差。P=1/20H2k 式中 P-压差0-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P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 。P=1/20H2（kmkr） 式中 km被测气体的体积磁化率k
15、r参比气体的体积磁化率当分析器结构与参比气体确定后0、H、kr均 为已知量，km与P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 kmk1 c1 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：P=1/20H2（k1 c1kr）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P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。下图为采用微流量检测器的磁压力式氧分析器 （OXYMAT61型
16、）测量原理。采用微流量传感 器检测压差P，微流量传感器中有两个被加热 到120的镍隔栅电阻，和两个辅助电阻组成惠 斯通电桥，变化的气流导致镍隔栅电阻值发生变 化，使电桥发生偏移。测量开始前，两路参比气 压力相等，P=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，
