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關(guān)于氧分析儀熱磁氧原理的概論探究

關(guān)于氧分析儀熱磁氧原理的概論探究
**節(jié)：簡述
　　
　　順磁式氧分析器：根據(jù)氧氣的體積磁化率比一般氣體高得多，在磁場中具有極高的順磁特性的原理制成的一種測量氣體中含氧量的分析儀器。
　　
　　順磁式氧分析儀，也可叫做磁效應(yīng)式氧分析儀、或磁式氧分析儀濕度傳感器探頭, ,不銹鋼電熱管 PT100傳感器, ,鑄鋁加熱器,加熱圈流體電磁閥，我們通常通稱為磁氧分析儀。它一般分為熱磁對流式、壓力機械式和磁壓力式氧分析儀三種。關(guān)于氧分析儀熱磁氧原理的概論探究
　　
　　**節(jié)：物質(zhì)的磁特性和各類氣體的體積磁化率
　　
　　一、物質(zhì)的磁特性
　　
　　任何物質(zhì)在外界磁場的作用下都會被磁化，呈現(xiàn)出一定的磁特性。物質(zhì)在外加磁場中被磁化，其本身就會產(chǎn)生一個附加磁場，附加磁場與外磁場方向相同時，該物質(zhì)就被外磁場吸引；附加磁場與外磁場方向相反時，則被外磁場排斥。因此，我們通常會將被外磁場吸引的物質(zhì)稱為順磁性物質(zhì)，或者說該物質(zhì)具有順磁性；而把被磁場排斥的物質(zhì)稱為逆磁性物質(zhì)，或者說該物質(zhì)具有逆磁性。關(guān)于氧分析儀熱磁氧原理的概論探究
　　
　　氣體介質(zhì)處于磁場中也會被磁化，我們根據(jù)氣體組分對磁場的吸引和排斥的不同，也將氣體分為順磁性和逆磁性。順磁性氣體有：O2、NO、NO2等；逆磁性氣體有：H2、N2、CO2、CH4等。關(guān)于氧分析儀熱磁氧原理的概論探究
　　
　　不同物質(zhì)受磁化的程度不同，可以用磁化強度M來表示：
　　
　　M=kH
　　
　　式中：M……物質(zhì)的磁化強度；
　　
　　H……外磁場強度；
　　
　　k……物質(zhì)的體積磁化率；
　　
　　k的物理意義是指在單位磁場強度作用下，單位體積物質(zhì)的磁化強度。
　　
　　磁化率為正(k>0)時，稱為順磁性物質(zhì)，它們在外磁場中被吸引；磁化率為負(k<0)時，稱為逆磁性物質(zhì)，它們在外磁場中被排斥。|k|值越大，則受到磁場吸引或排斥的力越大。
　　
　　氧氣是順磁性物質(zhì)，其體積磁化率要比其它氣體的體積磁化率大得多。某種氣體的磁化率與氧氣的體積磁化率的比值，稱為相對磁化率，又稱比磁化率。氧氣的相對磁化率為100。
　　
　　注意：由于參數(shù)條件的不同(如溫度、壓力)，其體積磁化率也不完全相同。若拿到的磁化率與你所知不同，請仔細查看其參數(shù)。
　　
　　二、混合氣體的體積磁化率
　　
　　如果是多組分混合氣體，它的體積磁化率k，可以看成是各組分體積磁化率的算術(shù)平均值。即：
　　
　　式中：ki……混合氣體中第i組分的體積磁化率；
　　
　　ci……混合氣體中第i組分的體積分?jǐn)?shù)；
　　
　　因為在含氧的氣體中(含有大量NO和NO2等氮氧化物的情況除外)，除氧以外，其余組分的體積磁化率都很小，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也相互抵消，上式就可簡化為：
　　
　　式中：k……混合氣體的體積磁化率；
　　
　　K1……氧氣的體積磁化率；
　　
　　C1……混合氣體中氧氣有體積分?jǐn)?shù)(氧含量)；
　　
　　K2、K3……混合氣體中氧氣以外的其它氣體的體積磁化率；
　　
　　C2、C3……混合氣體中氧氣以外的其它氣體的體積分?jǐn)?shù)；
　　
　　說明：混合氣體的體積磁化率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是一個已知的固定值，我們只要測出混合氣體的體積磁化率，就可以得出混合氣體中氧的體積分?jǐn)?shù)。
　　
　　三、常用氣體的磁化率
　　
　　表1：常用氣體的磁化率(0℃)
　　
　　序號氣體名稱化學(xué)符號體積磁化率
　　
　　K*10-6(C.G.S.M)相對磁化率
　　
　　1氧O2 146 100
　　
　　2一氧化氮NO 53 36.3
　　
　　3二氧化氮NO2 9 6.16
　　
　　4空氣… 30.8 21.1
　　
　　5氧化亞氮N2O 3-0.58
　　
　　6乙烯C2H4 3…
　　
　　7乙炔C2H2 10.38
　　
　　8甲烷CH4-1-0.68
　　
　　9乙烷C2H6…-0.83
　　
　　10氦He-0.083-0.06
　　
　　11氫H2-0.164-0.11
　　
　　12氖Ne-0.32-0.22
　　
　　13氮N2-0.58-0.40
　　
　　14水蒸汽H2O-0.58-0.40
　　
　　15氯CL2-0.6-0.41
　　
　　16二氧化碳CO2-0.84-0.57
　　
　　17氨氣NH3-0.84-0.57
　　
　　18氬Ar…-0.59
　　
　　四、氣體的磁化率與溫度和壓力的關(guān)系
　　
　　由居里定律可知，順磁性氣體的體積磁化率K與溫度T之間的關(guān)系為：
　　
　　式中：K……氣體的體積磁化率；
　　
　　P……氣體的密度；
　　
　　T……氣體的熱力學(xué)溫度；
　　
　　C……居里常數(shù)；
　　
　　根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：
　　
　　而氣體的密度方程為：
　　
　　將代入居里方程為：
　　
　　式中：P…氣體的壓力；
　　
　　V…氣體的體積；
　　
　　N…氣體的摩爾數(shù)；
　　
　　M…氣體摩爾質(zhì)量；
　　
　　R…氣體常數(shù)；
　　
　　因為式中C、M、R均為常數(shù)，所以：順磁性氣體的體積磁化率與壓力成比，而與熱力學(xué)溫度的平方成反比。在氣體壓力增高時，其體積磁化率相應(yīng)增大；而氣體溫度升高時，其體積磁化率就急劇下降。
　　
　　第三節(jié)：熱磁對流式氧分析儀
　　
　　一、結(jié)構(gòu)類型：
　　
　　熱磁對流式氧分析儀根據(jù)其對流形式的不同，可分為內(nèi)對流式和外對流式兩種。兩種檢測器的結(jié)構(gòu)不同，但檢測機理均基于熱磁對流產(chǎn)生的熱效應(yīng)。主要區(qū)別有：1、熱敏元件與被氣體之間的熱交換方式不同；
　　
　　內(nèi)對流式檢測器的熱敏元件與被測氣體之間是隔絕的，它們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被測氣體之間是直接接觸換熱。
　　
　　2、熱磁對流的位置不同；
　　
　　內(nèi)對流式檢測器，熱磁對流在熱敏元件(中間通道管)內(nèi)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(nèi)對流式檢測器結(jié)構(gòu)簡單，便于制造和調(diào)整。其熱敏元件不與樣氣直接接觸，因此不會與樣氣發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，也不會受到樣氣的玷污和侵蝕，但熱量傳遞會受影響，增加了測量滯后時間，靈敏度相對較低。
　　
　　外對流式檢測器則與此相反，由于被測氣體與熱敏元件直接接觸換熱，所以測量滯后小、靈敏度較高。輸出線性好。另外，它采用雙橋結(jié)構(gòu)，能有效地補償環(huán)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不便于制造和調(diào)整。
　　
　　二、內(nèi)對流式熱磁氧分析儀
　　
　　1、熱磁對流
　　
　　一個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；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(shè)置下，磁場強度曲線和溫度場曲線就很清楚了。
　　
　　當(dāng)有順磁性氣體在垂直管道沿Y方向自下而上運動到水平管道入口時，由于受到磁場的吸引而進入水平管道。在其處于磁場強度*大區(qū)域的同時，也就置身于加熱絲的加熱區(qū)。在加熱區(qū)，順磁性氣體與加熱絲進行熱交換而使自身溫度升高，其體積磁化率隨之急劇下降，受磁場的吸引也隨之減弱。而在其后面處于冷態(tài)順磁性氣體，在其磁場作用下繼續(xù)被吸引到水平通道磁場強度*大的區(qū)域，就會對先前已經(jīng)受熱的順磁性氣體產(chǎn)生向右方向的推力，使其向右運動而脫離磁場強度*大區(qū)域。后進入磁場的順磁性氣體同樣被熱絲加熱，體積磁化率下降，其后，又被后面冷態(tài)的順磁性氣體向右推動，脫離磁場。如此過程連續(xù)不斷地進行下去，在水平管道就會有氣體自左向右地流動，這種氣體的流動就稱為熱磁對流，或稱為磁風(fēng)。
　　
　　2、工作原理：
　　
　　內(nèi)對流式熱磁氧分析儀的工作原理如圖所示，其檢測器是一個中間有道通的環(huán)形氣室，外面均勻地繞有電阻絲。電阻絲通過電流后，既起到加熱作用，又起到測量溫度變化的感溫作用。電阻絲從中間一分為二，作為兩個相鄰的橋臂電阻r1/r2與與固定電阻R1/R2組成測量電橋。在中間通道的左端設(shè)置一對小磁極，以形成恒定的不均勻磁場。
　　
　　待測氣體從底部入口進入環(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氣體存在，這是中間通道內(nèi)沒有氣體通過，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的阻值。當(dāng)被測氣體中含有氧氣時，左側(cè)支流中的氧受到磁場吸引而進入中間通道，從而形成熱磁對流，然后由通道右側(cè)排出，隨右側(cè)支流流向上端出口。環(huán)形氣室右側(cè)支流的氧因遠離磁場強度區(qū)域，受不到磁場的吸引，加之磁風(fēng)的方向是自左向右的，所以不可能由右端進入中間通道。
　　
　　由于熱磁對流的結(jié)果，左半邊電阻絲r1的熱量有一部分被氣流帶走而產(chǎn)熱量損失。流經(jīng)右半邊電阻絲r2的氣體已經(jīng)是受熱氣體，所以r2沒有或略有熱量損失。這樣就造成電阻絲r1和r2因溫度不同產(chǎn)生的阻值差異，從而導(dǎo)致測量電橋失去平衡，有輸出信號產(chǎn)生。被測氣體中氧含量越高，磁風(fēng)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中氧含量多少。
　　
　　3、環(huán)形垂直通道檢測器
　　
　　環(huán)形垂直檢測器與環(huán)形水平通道檢測器的結(jié)構(gòu)是一樣的，只是將環(huán)形氣室的中間通道沿順時針方向旋轉(zhuǎn)了90℃。這樣做的目的是為了提高分析儀的測量上限。中間通道為垂直狀態(tài)后，在通道中除有自上而下的的熱磁對流作用力FM外，還有熱氣體上升而產(chǎn)生的由下而上自然對流作用力Fr，，兩個作用力的方向正好相反。
　　
　　在被測氣體沒有氧氣存在時，中間通道沒有熱磁對流，只有自下而上的自然對流，此上升氣流先流經(jīng)橋臂電阻r2，使r2產(chǎn)生熱量損失，而r1沒有熱量損失。為了使儀器刻度始點為零，此時應(yīng)將電橋調(diào)至平衡，測量電橋輸出信號為零。隨著被濁氣體氧含量的增加，中間通道就有了自上而下的熱磁對流產(chǎn)生，此時的熱磁對流會削弱自然對流。隨著熱磁電流的逐漸加強，自然對流的作用會越來越小，電阻絲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(dāng)氧含量由0達到某一值時：FM=Fr，熱磁對流完全抵消自然對流，此時，中間通道內(nèi)沒有氣體流動，檢測器輸出特性曲線出現(xiàn)拐點，曲線斜率*大，檢測器的靈敏度達到*大值。當(dāng)氧含量繼續(xù)增加，F(xiàn)M>Fr，熱磁對流大于自然對流，這時，中間通道內(nèi)的氣流方向改為由上而下，之后的情況與水平通道相似。
　　
　　由此可見，在環(huán)形垂直通道檢測器的中間通道中，由于自然的存在，削弱了熱磁對流，以至在氧含量很高的情況下，中間通道內(nèi)的磁風(fēng)流速不是很大，從而擴展了儀器測量上限值。實驗證明：這種檢測器，在氧含量100%的情況下，仍能保持較高的靈敏度。
　　
　　環(huán)形水平通道和垂直通道檢測器在測量范圍上的區(qū)別如下：
　　
　　①、對于環(huán)形水平通道，其測量上限不能超過40%O2。這是因為，當(dāng)氧含量增大時，磁風(fēng)也增大，水平通道中的氣體流速同樣也增大，氣體來不及與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，兩者間電阻的差值就會越來越小。當(dāng)氧含量達到50%時，檢測器的靈敏度就會慢慢接近0。
　　
　　②、對于環(huán)形垂直通道檢測器，其檢測上限可達到100%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，這是因為熱磁對流受到自然對流干擾較大引起的。儀器選型時，要多加注意。
　　
　　4、兩種檢測器的安裝注意事項：
　　
　　內(nèi)對流式熱磁氧分析儀安裝時，必須保證檢測器處于水平位置，否則，會引起較大的測量誤差。其原因是：檢測室稍有傾斜，就可能改變檢測器內(nèi)的熱磁對流和自然對流的相互關(guān)系，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發(fā)生變化。
　　
　　安裝后要注意檢查分析儀的水平度：一般熱磁式氧分析儀都裝有水準(zhǔn)儀，檢查水準(zhǔn)儀的氣泡是否處在標(biāo)記中間，如有偏移，則調(diào)節(jié)水平螺釘，使水準(zhǔn)儀的氣泡正好處在標(biāo)記中間。
　　
　　三、外對流式熱磁氧分析儀
　　
　　1、工作原理：
　　
　　檢測器由測量氣室和參比氣室組成，兩個氣室在結(jié)構(gòu)上完全一樣。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(shè)置磁場。在兩個氣室的底部裝有既用來加熱，又用來測量的熱敏元件，兩熱敏元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同。
　　
　　被測氣體由入口進入主氣道，依靠分子擴散進入兩個氣室。如果被測氣體沒有氧的存在，那么兩個氣室的狀況是相同的，擴散進來的氣體與熱敏元件直接接觸進行熱交換，氣體溫度得以提高，溫度升高導(dǎo)致氣體相對密度下降而向上運動，主氣道中較冷的氣體向下運動進入氣室填充，冷氣體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(huán)不斷，就形成了自然對流。由于兩個氣室的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，兩個熱敏元件單位時間內(nèi)的熱量損失也相同，其阻值也就相等。
　　
　　當(dāng)被測氣體有氧存在時，主氣道中氧分子在流經(jīng)測量氣室上端時，受到磁場的吸引進入測量氣室并向磁極方向運動。在磁極上方安裝有加熱元件(熱敏元件)，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(dǎo)致其體積磁化率下降，受磁場的吸引力減弱，較冷氣體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。于是，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種對流形成，測量氣室的熱敏元件的熱量損失，是由這兩種對流形式共同造成的。而參比氣室由于不存在磁場，所以只有自然對流，其熱敏元件的熱量損失，也只是由自然對流造成的，與被測氣體的氧含量無關(guān)。這樣，由于測量氣室和參比氣室中的熱敏零件散熱情況的不同，兩個氣室的熱敏元件的溫度出現(xiàn)差別，其阻值也就不再相等，兩者阻值相差多少取決于被測氣體中氧含量的多少。
　　
　　若把兩個熱敏元件置于測量電橋中作為相鄰的兩個橋臂，那么，橋路的輸出信號就代表了被測氣體中的氧含量。
　　
　　2、測量電路：
　　
　　為了更好地補償由于環(huán)境溫度變化、電源電壓波動、檢測器傾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(jié)構(gòu)。
　　
　　外熱磁對流式氧分析儀檢測過程：分析儀采用外對流檢測器和直流雙電橋補償測量系統(tǒng)。工作電橋和參比電橋在結(jié)構(gòu)與性能上完全對稱。
　　
　　參比電橋由R1、R2、R3、R4組成，其中，R3、R4為兩只固定的錳銅電阻，R1、R2為敏感元件。R1處于磁場中，R2沒有磁場。工作時，空氣進入?yún)⒈葰馐?、2，從R1、R2周圍流過。由于空氣中的含氧量為一定值(20.9%)，而熱磁對流在電橋的輸出端ab間產(chǎn)生一定值電勢Uab。
　　
　　測量電橋由R5、R6、R7、R8組成，其中，R7、R8為兩只固定的錳銅電阻，R5、R6為敏感元件。R6處于磁場中，R5沒有磁場。工作時，被分析混合氣體進入測量氣室3、4，從R5、R6周圍流過。由于熱磁對流的結(jié)果，使電橋輸出端cd間產(chǎn)生電勢Ucd。Ucd的大小與熱磁對流的強弱有關(guān)，亦即Ucd的大小隨著被分析混合氣體中的氧含量(氧濃度)而變化。
　　
　　測量數(shù)值取決于工作電橋和參比電橋兩端輸出電壓的比值：即：
　　
　　X=K(Ucd/Uab)
　　
　　通過上式我們可以看出，由于環(huán)境溫度、大氣壓力、電源電壓等有變化時，雖然兩端的的輸出電壓會發(fā)生變化，但兩者比值變化較小，測量指示受環(huán)境因素影響較小，因為測量精度較高。若儀器中設(shè)計有控溫電路和溫度補償，可*大限度地減少溫漂。
　　
　　這種雙電橋結(jié)構(gòu)的檢測器的測量上限將受到參比氣體中氧含量的限制。若選用空氣做參比氣，儀器的測量上限就不能超過21%O2。
　　
　　四、常見故障、原因和處理方法
　　
　　這種老式儀器，沒有自診斷功能，許多故障現(xiàn)象都需要現(xiàn)場分析人員進行判斷、處理。
　　
　　1、測量數(shù)值無規(guī)則漂移
　　
　　原因①：樣氣壓力、流量不穩(wěn)。
　　
　　處理①：設(shè)置穩(wěn)壓、穩(wěn)流閥，確保進入分析儀的樣品氣壓力、流量恒定。
　　
　　原因②：測量回路零位或量程電位器接觸**，造成輸出信號漂移。處理②：檢測維護或更換電位器。
　　
　　2、測量數(shù)值不穩(wěn)或反復(fù)擺動
　　
　　原因①：直流穩(wěn)壓電源性能不好，致使測量電橋工作電流不穩(wěn)。
　　
　　處理①：檢修或更換穩(wěn)壓電源，提高穩(wěn)壓精度。
　　
　　原因②：檢測器恒溫性能不好，溫度波動幅度太大，由于熱絲的散熱條件不穩(wěn)定，導(dǎo)致儀器輸出不穩(wěn)定。
　　
　　處理②：檢修恒溫控制系統(tǒng)，提高恒溫精度。
　　
　　原因③：樣氣回路穩(wěn)壓、穩(wěn)流閥件性能不好，或管路有液堵現(xiàn)象，造成樣氣流量發(fā)生脈動。
　　
　　處理③：清洗、檢修恒溫部件和更新閥件。
　　
　　在使用中，為保證閥件發(fā)揮正常的工作性能，閥的進出口要有足夠的壓力降，即出口通暢。針對液堵現(xiàn)象，可用儀表空氣吹除辦法或卸管吹掃方法解決。
　　
　　3、測量數(shù)值反應(yīng)慢
　　
　　原因：樣品氣流量太小，檢測器氣室內(nèi)氣體的轉(zhuǎn)換速度慢。
　　
　　處理：調(diào)整樣品氣流量至規(guī)定值。若流量不能調(diào)大，則需要查明原因，看看是否前后管線有無堵、漏，查出原因進行解決。若確實壓力低，而測量又需要一定正壓力，可加泵抽吸解決。
　　
　　4、儀器校準(zhǔn)后，仍有偏差
　　
　　原因①：儀器校準(zhǔn)時，示值未穩(wěn)定就進行校準(zhǔn)。
　　
　　處理：重新蘇區(qū)校準(zhǔn)，嚴(yán)格按操作規(guī)范進行。
　　
　　原因②：標(biāo)準(zhǔn)氣失效或失準(zhǔn)、背景氣體與測量條件不一致。
　　
　　處理：更換標(biāo)氣，滿足其標(biāo)定儀器要求。
　　
　　5、電位器調(diào)整不能使測量值到位。
　　
　　原因1：零位電位器失靈或接觸不好。
　　
　　處理：更換或維護。
　　
　　原因2：檢測器內(nèi)有水霧或液滴。
　　
　　處理：儀器斷電，干燥空氣吹掃或清洗檢測器。吹掃壓力：0.05MPA.
　　
　　水霧和液滴會造成熱敏元件的損壞。
　　
　　原因3：檢測器進油性或黏性物質(zhì)。
　　
　　處理：儀器斷電，檢測器降至常溫后，用洗滌液清洗、清潔，然后用干燥空氣吹干。
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