順磁式氧分析儀是根據(jù)氧氣的體積磁化率比一般氣體高得多，在磁場(chǎng)中具有的順磁特性的原理制成的一種測(cè)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，我們通常通稱(chēng)為磁氧分析儀。它一般分為磁機(jī)械式、磁壓力式和氧熱磁對(duì)流式分析儀三種。

任何物質(zhì)，在外界磁場(chǎng)的作用下，都會(huì)被磁化，呈現(xiàn)出一定的磁特性。物質(zhì)在外磁場(chǎng)中被磁化，其本身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加磁場(chǎng)，附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相同，該物質(zhì)被吸引，表現(xiàn)為順磁性；方向相反，該物質(zhì)被排斥，表現(xiàn)為逆磁性。氣體介質(zhì)處于磁場(chǎng)也會(huì)被磁化，而且根據(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。體積磁化率——任何物質(zhì)，在外界磁場(chǎng)的作用下，都會(huì)被磁化，不同物質(zhì)受磁化的程度不同，可以用磁化強(qiáng)度M來(lái)表示：

                         M＝kH

        式中    M——磁化強(qiáng)度;

                H——外磁場(chǎng)強(qiáng)度;

                 K——物質(zhì)的體積磁化率；

K的物理意義是指在單位磁場(chǎng)作用下，單位體積的物質(zhì)的磁化強(qiáng)度。磁化率為正(k＞0)稱(chēng)為順磁性物質(zhì)，它們?cè)谕獯艌?chǎng)中被吸引；k＜0則稱(chēng)為逆磁性物質(zhì)，它在外磁場(chǎng)中被排斥；k值愈大，則受吸引和排斥的力愈大。常見(jiàn)氣體的體積磁化率(0℃)

從上表可以看出，氧是順磁性物質(zhì)，其體積磁化率要比其他氣體的體積磁化率大的多。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(chǎng)中具有的順磁特性的原理制成的一種測(cè)量氣體中含氧量的分析儀器。本項(xiàng)目中采用了重慶川儀九廠的PA200—CJ磁力機(jī)械式氣體分析儀。

4.1磁力機(jī)械式氣體分析儀的工作原理

在一個(gè)封閉的氣室中，裝有兩對(duì)不均勻的磁極，它們的磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度正好相反。兩個(gè)空心球（俗稱(chēng)啞鈴）置于兩對(duì)磁極的間隙中，用彈性金屬帶固定在殼體上，這樣，啞鈴只能以金屬帶為軸轉(zhuǎn)到而不能上下移動(dòng)。在啞鈴與金屬帶交點(diǎn)處裝一平面反射鏡。被測(cè)樣氣由入口進(jìn)入氣室后，它就充滿(mǎn)了氣室。兩個(gè)空心球被樣氣所包圍，被測(cè)樣氣的氧含量不同其體積磁化率k值也不同，球體所受到的作用力就不同。如果啞鈴了的兩個(gè)空心球體積相同，體積磁化值相等，兩個(gè)球體受到的力大小相等、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)力偶的作用，這個(gè)力偶促使啞鈴以金屬帶為軸心偏轉(zhuǎn)，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，與轉(zhuǎn)動(dòng)力矩相平衡，被測(cè)樣氣中的氧含量不同，旋轉(zhuǎn)力矩和恢復(fù)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(cè)氣體中氧含量的多少。

磁力機(jī)械式氧分析儀測(cè)量部件示意圖

對(duì)啞鈴球偏轉(zhuǎn)角度的測(cè)量，大多是采用下圖所示的光電系統(tǒng)來(lái)完成的。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)光電元件（如硅光電池、硒光電池）上。在被測(cè)樣氣不含氧時(shí)，空心球處于磁場(chǎng)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光電元件上，兩個(gè)光電元件接收的光能相等。一般兩個(gè)光電采用差動(dòng)方式連接，因此，光電組件輸出為零，儀器終輸出也為零。

當(dāng)被測(cè)樣氣中有氧存在時(shí)，氧分子受磁場(chǎng)吸引，沿磁場(chǎng)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(chǎng)中心位置，于是，啞鈴球偏轉(zhuǎn)了一個(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)光電元件接收到的光能量出現(xiàn)差值，光電組件有毫伏電壓信號(hào)輸出。被測(cè)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)反饋放大器放大作為儀器檢測(cè)輸出。
   為了改善儀器的輸出特性，空心球上環(huán)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(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

磁力機(jī)械式氧分析儀光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)原理圖

4.2磁力機(jī)械式氧分析儀的主要特點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)
1、主要特點(diǎn)：
與熱磁式分析儀相比，磁力機(jī)械式氧分析儀有如下特點(diǎn)：
   ①它是對(duì)氧的順磁性直接測(cè)量的分析儀，在測(cè)量中，不受被測(cè)氣體導(dǎo)熱性變化、密度變化等影響。
   ②在0…O2范圍內(nèi)線性刻度、測(cè)量精度較高，測(cè)量誤差可低至±0.1%O2。
   ③靈敏度高，除了用于常量的測(cè)量以外，還可用于微量氧（O2‰）的測(cè)量。
2、注意事項(xiàng)：
   ①磁力機(jī)械式氧分析儀基于對(duì)磁化率的直接測(cè)量，像氧氮等一些強(qiáng)磁性氣體會(huì)對(duì)測(cè)量帶來(lái)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)引起較大的測(cè)量誤差。如氙氣，若樣品中含有較多的這類(lèi)氣體，也應(yīng)予以清除或?qū)y(cè)量結(jié)果采取修正措施。
   ②氧氣的體積磁化率是壓力、溫度的函數(shù)，樣氣壓力、溫度的變化以及環(huán)境溫度的變化，都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)影響。因此，必須穩(wěn)定樣氣的壓力，使其符合調(diào)校儀器時(shí)的壓力值。環(huán)境溫度和整個(gè)檢修部件，均應(yīng)工作在設(shè)計(jì)的溫度范圍內(nèi)，一般來(lái)說(shuō)，各種型號(hào)的磁力機(jī)械式氧分析儀均帶有溫度控制系統(tǒng)，以維持檢測(cè)部件在恒溫條件下工作。
   ③無(wú)論是短時(shí)間的劇烈振動(dòng)，輕微的持續(xù)振動(dòng)，都會(huì)削弱磁性材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此，該類(lèi)儀器多將檢測(cè)器等敏感部件安裝在防振裝置中。當(dāng)然，儀器安裝位置也應(yīng)避開(kāi)振源并采取適當(dāng)?shù)姆勒翊胧Ａ硗?，任何電氣線路不允許穿過(guò)這些敏感部分，以防電磁干擾和振動(dòng)干擾。

4.3磁力機(jī)械式氧分析儀的檢修

檢修內(nèi)容：

①更換光源；

②更換檢測(cè)器；

③檢查儀表的氣密性。

④檢查儀表的絕緣電阻；

⑤測(cè)量交流紋波電壓；

⑥測(cè)試計(jì)算反饋增益；

調(diào)零方法

一般的分析器都是以電的形式調(diào)節(jié)零位，而磁力機(jī)械式氧分析儀卻是以機(jī)械方式調(diào)節(jié)零點(diǎn)，稱(chēng)為機(jī)械調(diào)零。其實(shí)質(zhì)是保證氣樣不含氧時(shí)硅光電池對(duì)左右兩塊的光照面積相等，儀器輸出為零，為此，測(cè)量池可以轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)合適的位置固定之，使反射光束以恰當(dāng)?shù)慕嵌日丈湓诠怆姵厣?，這可稱(chēng)為粗調(diào)。另外通過(guò)機(jī)械調(diào)節(jié)螺釘改變光電池的位置，仔細(xì)調(diào)整，稱(chēng)之為細(xì)調(diào)。

在裝拆測(cè)量池和更換光源燈泡，儀器長(zhǎng)期運(yùn)行、測(cè)量過(guò)程中組分的變化、環(huán)境的變化等情況下需進(jìn)行調(diào)零操作。

4.4磁壓力式氧分析儀

測(cè)量原理：

根據(jù)被測(cè)氣體在磁場(chǎng)作用下壓力的變化量來(lái)測(cè)量氧含的儀器，我們叫做磁壓力式氧分析儀。被測(cè)氣體進(jìn)入磁場(chǎng)后，在磁場(chǎng)作用下氣體的壓力將發(fā)生變化，致使氣體在磁場(chǎng)內(nèi)和無(wú)磁場(chǎng)空間存在著壓力差：

請(qǐng)看下面的公式：

ΔP=1/2U₀H²k                                        

ΔP……壓差；

 U₀……真空磁導(dǎo)率；

 H……磁場(chǎng)強(qiáng)度；

k……被測(cè)氣體的體積磁化率；   

由上式中可以看出，壓差△p與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的平方及被測(cè)氣體的體積磁化率k的差值也同樣存在正比關(guān)系：

ΔP=1/2U₀H²(km-kr)

km……被測(cè)氣體的體積磁化率；

kr……參比氣體的體積磁化率；

   由上式中可以知道，當(dāng)分析室結(jié)構(gòu)和參比氣體確定后，U₀、H、kr均為已知量，km與ΔP有著嚴(yán)格的線性關(guān)系。因此可以得出：

K m≈k1c1

 k1……被測(cè)混合氣體中氧的體積磁化率；

 c1……被測(cè)混合氣體中氧的體積分?jǐn)?shù)；

上面兩式合并，得出下式：

ΔP=1/2U₀H²(k1c1-kr)    

這樣，被測(cè)氣體氧的體積分?jǐn)?shù)c1與壓差△p有線性關(guān)系。這就是磁壓分析儀的測(cè)量原理。在磁壓力式氧分析儀中，測(cè)量室中被測(cè)氣體的壓力變化量被傳遞到磁場(chǎng)外部的檢測(cè)器中，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。目前使用的檢測(cè)器主要有薄膜電容檢測(cè)器和微流量檢測(cè)器兩種。為了便于信號(hào)的檢測(cè)和調(diào)制放大，采用一定頻率的通斷電流，對(duì)磁鐵線圈反復(fù)激勵(lì)，使之產(chǎn)生交替變化的磁場(chǎng)，則檢測(cè)器測(cè)得的信號(hào)就變成了交流波動(dòng)信號(hào)了。

4.5磁壓力式氧分析儀的工作原理

氧氣有順磁性。OXYMAT6型氧分析儀正是利用了這一原理來(lái)測(cè)量O₂濃度的。在不均勻磁場(chǎng)中，氧分子由于其順磁性，會(huì)朝磁場(chǎng)增強(qiáng)方向移動(dòng)。當(dāng)不同氧氣濃度的二種氣體在同一磁場(chǎng)相遇時(shí)，他們之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力差。

樣品氣經(jīng)5進(jìn)入測(cè)量腔6。參比氣經(jīng)入口1和兩個(gè)參比氣通道3（左3和右3）進(jìn)入測(cè)量腔。微流傳感器中有兩個(gè)被加熱到120℃的鎳格柵電阻，和兩個(gè)輔助電阻組成惠斯通電橋，變化的氣流導(dǎo)致鎳格柵的阻值發(fā)生變化，使電橋產(chǎn)生偏移。
參比氣可以在鎳格柵中通過(guò)，所以左右兩個(gè)參比氣通道是相通的。測(cè)量開(kāi)始前，兩路參比氣壓力相等，△p = 0，所以測(cè)量電橋無(wú)信號(hào)輸出。
當(dāng)電磁鐵8通電勵(lì)磁時(shí)，在其周?chē)纬梢粋€(gè)磁場(chǎng)，樣氣中的氧分子被吸引，朝磁場(chǎng)強(qiáng)度較大的右側(cè)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一定的氣阻，并推動(dòng)參比氣右3逆時(shí)針流動(dòng)，通過(guò)微流傳感器4，并產(chǎn)生輸出信號(hào)。
當(dāng)電磁鐵8斷電去磁時(shí)，磁場(chǎng)消失，右3參比通道氣阻消失，氣路通，參比氣順時(shí)針流動(dòng)，反向經(jīng)4流向測(cè)量室，輸出信號(hào)恢復(fù)。
采用一定頻率的通斷電流，對(duì)電磁鐵反復(fù)勵(lì)磁和消磁，便可以在測(cè)量橋路中得到交流波動(dòng)信號(hào)。信號(hào)強(qiáng)度與樣氣中氧含量成正比。
還可以這樣理解：受交替變化的磁場(chǎng)影響，A、B兩點(diǎn)樣氣的壓力差也交替變化，微量傳感器兩邊的壓差 △p也隨之變化，參比氣反復(fù)流過(guò)傳感器，便在測(cè)量電橋中產(chǎn)生交流波動(dòng)信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度與參比氣壓力變化量成正比。而這個(gè)壓力變化量，又與通道阻力大小成正比，通道阻力大小又與磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)弱成正比，磁場(chǎng)強(qiáng)弱與樣氣中的氧含量成正比。一句話：△p與樣氣中的氧含量成正比。
微流傳感器位于參比氣路中，不直接接觸樣品氣，所以樣氣的導(dǎo)熱、比熱容和樣氣的內(nèi)部摩擦對(duì)測(cè)量結(jié)果都不會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)，也避免了樣氣的腐蝕，使傳感器的抗腐蝕性能大大提高。
由于測(cè)量地點(diǎn)可能存在振動(dòng)，并由此造成測(cè)量誤差（噪聲），所以?xún)x器額外增加了一個(gè)振動(dòng)傳感器10，該傳感器無(wú)氣體流通，其信號(hào)可用來(lái)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。

西門(mén)子OXYMAT 6磁壓力式氧分析儀原理圖

4.6磁壓力式氧分析儀的校準(zhǔn)

校準(zhǔn)方法和參比氣的選擇

磁壓力式氧分析儀的校準(zhǔn)方法和一般氧分析儀不同，儀器運(yùn)行和校準(zhǔn)需通入?yún)⒈葰怏w。

根據(jù)測(cè)量范圍不同，磁壓力式氧分析儀分別采用N2、O2和空氣作參比氣。

①當(dāng)測(cè)量范圍為0…X%O2（測(cè)量下限為0%O2）時(shí)，用氮作參比氣；

②當(dāng)測(cè)量范圍為X…O2（測(cè)量上限為O2）時(shí)，用氧作參比氣；

③當(dāng)測(cè)量范圍為20.95%O2附近時(shí)（如：20…30%O2）時(shí)，用空氣作參比氣

磁壓力式分析儀參比氣選擇表
量程        參考點(diǎn)        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(duì)流式氧分析儀

結(jié)構(gòu)類(lèi)型：

熱磁對(duì)流式氧分析儀根據(jù)其對(duì)流形式的不同，可分為內(nèi)對(duì)流式和外對(duì)流式兩種。兩檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)不同，但檢測(cè)機(jī)理均基于熱磁對(duì)流產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

內(nèi)對(duì)流式和外對(duì)流式主要區(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(duì)流式檢測(cè)器的熱敏元件與被測(cè)氣體之間是隔絕的，它們通過(guò)薄壁石英玻璃管進(jìn)行熱交換；而外對(duì)流式檢測(cè)的熱敏元件與被測(cè)氣體之間是直接接觸換熱。

②熱磁對(duì)流的位置不同；

內(nèi)對(duì)流式檢測(cè)器，熱磁對(duì)流在熱敏元件（中間通道管）內(nèi)部進(jìn)行；而外對(duì)流式檢測(cè)器，熱磁對(duì)流在熱敏元件外部進(jìn)行；內(nèi)對(duì)流式檢測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(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，但熱量傳遞會(huì)受影響，增加了測(cè)量滯后時(shí)間，靈敏度相對(duì)較低。

外對(duì)流式檢測(cè)器則與此相反，由于被測(cè)氣體與熱敏元件直接接觸換熱，所以測(cè)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(bǔ)償環(huán)境溫度、電源電壓、樣氣壓力、檢測(cè)器不水平等因素給測(cè)量帶來(lái)的影響，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不便于制造和調(diào)整。

4.8 內(nèi)對(duì)流式熱磁氧分析儀

熱磁對(duì)流

一個(gè)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(duì)小磁極，以形成一恒定的外磁場(chǎng)。在這種設(shè)置下，磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線和溫度場(chǎng)曲線就很清楚了。

1——T型薄壁石英管；2——加熱絲；3——磁鐵；

熱磁對(duì)流示意圖

   通過(guò)示意圖，我們可以看到，磁場(chǎng)強(qiáng)度沿X方向按一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度衰減，H（X）是變化的。對(duì)于水平通道而言，處于不均勻磁場(chǎng)之中，通道左端磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)，越往右，磁場(chǎng)強(qiáng)度越弱，而溫度場(chǎng)基本上是均勻的。它們之間的相對(duì)位置關(guān)系是：在磁場(chǎng)強(qiáng)度大值區(qū)域開(kāi)始建立均勻的溫度場(chǎng)。當(dāng)有順磁性氣體在垂直管道沿Y方向自下而上運(yùn)動(dòng)到水平管道入口時(shí)，由于受到磁場(chǎng)的吸引而進(jìn)入水平管道。在其處于磁場(chǎng)強(qiáng)度大區(qū)域的同時(shí)，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(jìn)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(chǎng)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(chǎng)作用下繼續(xù)被吸引到水平通道磁場(chǎng)強(qiáng)度大的區(qū)域，就會(huì)對(duì)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(yùn)動(dòng)而脫離磁場(chǎng)強(qiáng)度大區(qū)域。后進(jìn)入磁場(chǎng)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(dòng)，脫離磁場(chǎng)。如此過(guò)程連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，在水平管道就會(huì)有氣體自左向右地流動(dòng)，這種氣體的流動(dòng)就稱(chēng)為熱磁對(duì)流，或稱(chēng)為磁風(fēng)。

內(nèi)對(duì)流式熱磁氧分析儀的工作原理：

其檢測(cè)器是一個(gè)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(guò)電流后，既起到加熱作用，又起到測(cè)量溫度變化的感溫作用。電阻絲從中間一分為二，作為兩個(gè)相鄰的橋臂電阻r1/r2與與固定電阻R1/R2組成測(cè)量電橋。在中間通道的左端設(shè)置一對(duì)小磁極，以形成恒定的不均勻磁場(chǎng)。內(nèi)對(duì)流式熱磁氧分析儀的工作原理如圖所示，

待測(cè)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(cè)混合氣體中沒(méi)有

                        熱磁式檢測(cè)器示意圖(環(huán)形水平通道)

順磁氣體存在，這是中間通道內(nèi)沒(méi)有氣體通過(guò)，電阻絲r1、r2沒(méi)有熱量損失，電阻絲由于流過(guò)恒定電流而保持一定的阻值。當(dāng)被測(cè)氣體中含有氧氣時(shí)，左側(cè)支流中的氧受到磁場(chǎng)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，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(yuǎn)離磁場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域，受不到磁場(chǎng)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(jìn)入中間通道。

由于熱磁對(duì)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(méi)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(cè)量電橋失去平衡，有輸出信號(hào)產(chǎn)生。被測(cè)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(cè)量電橋的輸出信號(hào)就越大。由此可見(jiàn)，測(cè)量電橋輸出信號(hào)的大小就反映了被測(cè)氣體中氧含量多少。

環(huán)形垂直通道檢測(cè)器

環(huán)形垂直檢測(cè)器與環(huán)形水平通道檢測(cè)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(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)了90℃。這樣做的目的是為了提高分析儀的測(cè)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(duì)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(duì)流作用力Fr，，兩個(gè)作用力的方向正好相反。在被測(cè)氣體沒(méi)有氧氣存在時(shí)，中間通道沒(méi)有熱磁對(duì)流，只有自下而上的自然對(duì)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(méi)有熱量損失。為了使儀器刻度始點(diǎn)為零，此時(shí)應(yīng)將電橋調(diào)至平衡，測(cè)量電橋輸出信號(hào)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(duì)流產(chǎn)生，此時(shí)的熱磁對(duì)流會(huì)削弱自然對(duì)流。隨著熱磁電流的逐漸加強(qiáng)，自然對(duì)流的作用會(huì)越來(lái)越小，電阻絲r2的熱量損失也越來(lái)越小，其阻值逐漸加大，測(cè)量電橋失去平衡而有信號(hào)輸出。氧含量越高，輸出信號(hào)越大。當(dāng)氧含量由0達(dá)到某一值時(shí)：FM=Fr，熱磁對(duì)流*抵消自然對(duì)流，此時(shí)，中間通道內(nèi)沒(méi)有氣體流動(dòng)，檢測(cè)器輸出特性曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，曲線斜率大，檢測(cè)

器的靈敏度達(dá)到大值。當(dāng)氧含量繼續(xù)增加，F(xiàn)M > Fr，熱磁對(duì)流大于自然對(duì)流，這時(shí)，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(jiàn)，在環(huán)形垂直通道檢測(cè)器的中間通道中，由于自然的存在，削弱了熱磁對(duì)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(kuò)展了儀器測(cè)量上限值。實(shí)驗(yàn)證明：這種檢測(cè)器，在氧含量的情況下，仍能保持較高的靈敏度。

                       熱磁式檢測(cè)器示意圖(環(huán)形垂直通道)

環(huán)形水平通道和垂直通道檢測(cè)器在測(cè)量范圍上的區(qū)別如下：

1.對(duì)于環(huán)形水平通道，其測(cè)量上限不能超過(guò)40%O2。這是因?yàn)?，?dāng)氧含量增大時(shí)，磁風(fēng)也增大，水平通道中的氣體流速同樣也增大，氣體來(lái)不及與r1進(jìn)行充分的熱交換就已到達(dá)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(huì)越來(lái)越小。當(dāng)氧含量達(dá)到50%時(shí)，檢測(cè)器的靈敏度就會(huì)慢慢接近0。

2.對(duì)于環(huán)形垂直通道檢測(cè)器，其檢測(cè)上限可達(dá)到O2，但是對(duì)低含量氧進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其檢測(cè)靈敏度很低，甚至不能測(cè)量，這是因?yàn)闊岽艑?duì)流受到自然對(duì)流干擾較大引起的。儀器選型時(shí)，要多加注意。

兩種檢測(cè)器的安裝注意事項(xiàng)：

內(nèi)對(duì)流式熱磁氧分析儀安裝時(shí)，必須保證檢測(cè)器處于水平位置，否則，會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。其原因是：檢測(cè)室稍有傾斜，就可能改變檢測(cè)器內(nèi)的熱磁對(duì)流和自然對(duì)流的相互關(guān)系，熱磁對(duì)流矢量和自然對(duì)流矢量形成的夾角不同，檢測(cè)器的輸出值也會(huì)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。

4.9外對(duì)流式熱磁氧分析儀

工作原理：

檢測(cè)器由測(cè)量氣室和參比氣室組成，兩個(gè)氣室在結(jié)構(gòu)上*一樣。其中，在測(cè)量氣室的底部裝有一對(duì)磁極，以形成非均勻磁場(chǎng)，在參比氣室中不設(shè)置磁場(chǎng)。在兩個(gè)氣室的底部裝有既用來(lái)加熱，又用來(lái)測(cè)量的熱敏元件，兩熱敏元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)*相同。

被測(cè)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(cè)氣體沒(méi)有氧的存在，那么兩個(gè)氣室的狀況是相同的，擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的氣體與熱敏元件直接接觸進(jìn)行熱交換，氣體溫度

得以提高，溫度升高導(dǎo)致氣體相對(duì)密度下降而向上運(yùn)動(dòng)，主氣道中較冷的氣體向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(yùn)動(dòng)回到主氣道，如此循環(huán)不斷，就形成了自然對(duì)流。由于兩個(gè)氣室的結(jié)構(gòu)參數(shù)*相同，兩個(gè)熱敏元件單位時(shí)間內(nèi)的熱量損失也相同，其阻值也就相等。當(dāng)被測(cè)氣體有氧存在時(shí)，主氣道中氧分子在流經(jīng)測(cè)量氣室上端時(shí)，受到磁場(chǎng)的吸引進(jìn)入測(cè)量氣室并向磁極方向運(yùn)動(dòng)。在磁極上方安裝有加熱元件（熱

熱磁外對(duì)流式氧分析儀檢測(cè)器示意圖

敏元件），因此，在氧分子向磁極靠近的同時(shí)，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(chǎng)的吸引力減弱，較冷氣體的氧分子不斷地被磁場(chǎng)吸引進(jìn)測(cè)量氣室。在向磁極方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，把氣室中先前溫度已升高的氧分子擠出測(cè)量氣室。于是，在測(cè)量氣室中形成熱磁對(duì)流。這樣，在測(cè)量氣室中便存在有自然對(duì)流和熱磁對(duì)流兩種對(duì)流形成，測(cè)量氣室的熱敏元件的熱量損失，是由這兩種對(duì)流形式共同造成的。而參比氣室由于不存在磁場(chǎng)，所以只有自然對(duì)流，其熱敏元件的熱量損失，也只是由自然對(duì)流造成的，與被測(cè)氣體的氧含量無(wú)關(guān)。這樣，由于測(cè)量氣室和參比氣室中的熱敏零件散熱情況的不同，兩個(gè)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(cè)氣體中氧含量的多少。

若把兩個(gè)熱敏元件置于測(cè)量電橋中作為相鄰的兩個(gè)橋臂，那么，橋路的輸出信號(hào)就代表了被測(cè)氣體中的氧含量。

雙臂單電橋測(cè)量原理圖

測(cè)量電路：

為了更好地補(bǔ)償由于環(huán)境溫度變化、電源電壓波動(dòng)、檢測(cè)器傾斜等因素給測(cè)量帶來(lái)的影響，外對(duì)流式檢測(cè)器一般都采用雙電橋結(jié)構(gòu)。如圖：

圖中四個(gè)氣室分為兩組，分別置于兩個(gè)電橋中，每組兩個(gè)氣室中各有一個(gè)氣室底部裝有磁極，氣室中的熱敏元件作為線路中測(cè)量電橋和參比電橋的橋臂。而參比氣室則通過(guò)氧含量為定值的空氣作為參比氣。

外熱磁對(duì)流式氧分析儀檢測(cè)過(guò)程：分析儀采用外對(duì)流檢測(cè)器和直流雙電橋補(bǔ)償測(cè)量系統(tǒng)。工作電橋和參比電橋在結(jié)構(gòu)與性能上*對(duì)稱(chēng)。

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(chǎng)中，R2沒(méi)有磁場(chǎng)。工作時(shí)，空氣進(jìn)入?yún)⒈葰馐?、2，從R1、R2周?chē)鬟^(guò)。由于空氣中的含氧量為一定值（20.9%），而熱磁對(duì)流在電橋的輸出端ab間產(chǎn)生一定值電勢(shì)Uab。

                   熱磁外對(duì)流式發(fā)送器氣路連接圖

交流雙電橋原理圖

測(cè)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(chǎng)中，R5沒(méi)有磁場(chǎng)。工作時(shí)，被分析混合氣體進(jìn)入測(cè)量氣室3、4，從R5、R6周?chē)鬟^(guò)。由于熱磁對(duì)流的結(jié)果，使電橋輸出端cd間產(chǎn)生電勢(shì)Ucd。Ucd的大小與熱磁對(duì)流的強(qiáng)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(cè)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(guò)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(shí)，雖然兩端的的輸出電壓會(huì)發(fā)生變化，但兩者比值變化較小，測(cè)量指示受環(huán)境因素影響較小，因?yàn)闇y(cè)量精度較高。若儀器中設(shè)計(jì)有控溫電路和溫度補(bǔ)償，可大限度地減少溫漂。

這種雙電橋結(jié)構(gòu)的檢測(cè)器的測(cè)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(cè)量上限就不能超過(guò)21%O2。

4.10順磁式氧分析儀測(cè)量誤差分析

分析儀在使用過(guò)程中，會(huì)遇到使用環(huán)境、操作人員、操作程序不同而造成的各種情況，產(chǎn)生的測(cè)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

理論推斷出的居里公式可知，的示值與樣氣溫度的平方成反比，但在實(shí)際運(yùn)用中，溫度變化造成的影響比理論推導(dǎo)出的結(jié)論要嚴(yán)重的多。有國(guó)外文獻(xiàn)認(rèn)為，順磁氧分析儀的示值和樣氣溫度的4次方成反比。但實(shí)驗(yàn)證明，在常溫情況下，樣氣溫度每變化1℃，熱磁氧測(cè)量示值變化可達(dá)1%…1.5%。對(duì)磁機(jī)氧而言，短時(shí)間偏差也能達(dá)到0.02%…0.05%，隨著時(shí)間延長(zhǎng)和溫度升高，其溫漂現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重。所以，溫度變化是測(cè)量中產(chǎn)生誤差的重要原因。在順磁氧分析儀中普通采用了恒溫措施，設(shè)置了溫控系統(tǒng)，恒溫一般在60℃左右，溫控精度在±0.1℃以?xún)?nèi)。

樣氣壓力變化引起的誤差

理論推斷出的居里公式可知，順磁性氣體的磁化率與壓力成正比，而與熱力學(xué)溫度的平方成反比。由于樣氣測(cè)量后，直接放空，大氣壓力或放空背壓的變化都會(huì)使檢測(cè)器中的樣氣壓力發(fā)生變化，從而影響到輸出數(shù)值。

大氣壓力的變化，一是指季節(jié)或氣候變化導(dǎo)致的氣壓變化，在同一地點(diǎn)，這種變化通常是很微弱的，對(duì)測(cè)量誤差的影響一般可忽略不計(jì)，但在精密測(cè)量中仍需要考慮其影響；二是指儀器安裝地點(diǎn)的海拔高度不同帶來(lái)的測(cè)量誤差。如：大氣壓力由101.3KPA（760mmHg）變化到99.7KPA（740mmHg）時(shí)，儀器的示值降低2.63%。要消除這種誤差，只需在儀器投用前，對(duì)儀器重新校準(zhǔn)，就可解決此誤差問(wèn)題。

放空背壓的變化，通常發(fā)生在分析后樣氣管堵和多臺(tái)儀器共用一根放空管線的氣堵而造成的變化，若頻繁發(fā)生氣堵現(xiàn)象，可通過(guò)加裝背壓調(diào)節(jié)閥或其它穩(wěn)壓措施來(lái)解決。

為了克服上述因素引起的測(cè)量誤差，有些精度的氧分析儀中帶有壓力補(bǔ)償措施。

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(dāng)流量波動(dòng)±10%時(shí)，示值誤差可達(dá)1%…5%.為了減少這種影響，在熱磁式分析儀樣品處理系統(tǒng)中需要加裝穩(wěn)壓裝置，對(duì)于你低量程的測(cè)量，還需要配置穩(wěn)流閥，有的儀器采用擴(kuò)散式結(jié)構(gòu)的測(cè)量室來(lái)減少流量波動(dòng)的影響。

對(duì)于磁力機(jī)械式和磁壓力式氧分析儀來(lái)說(shuō)，若樣氣密度和空氣相差較大時(shí)，需要重新尋找佳流速，既可以使響應(yīng)達(dá)到大，又可以使流速在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)輸出無(wú)影響。樣氣中背景氣成分引起的誤差

磁力機(jī)械式和磁壓力式氧分析儀基于對(duì)磁化率的直接測(cè)量，像氧化氮等一些強(qiáng)磁性氣體會(huì)對(duì)測(cè)量帶來(lái)嚴(yán)重干擾，所以不宜測(cè)量含有氧化氮成分的樣氣，如果氧化氮含量很少，可設(shè)法將其除掉后再進(jìn)行測(cè)量。此外，一些較強(qiáng)逆磁性性氣體也會(huì)引起不容忽視的測(cè)量誤差。如氙等，若樣氣中含有較多的這類(lèi)氣體時(shí)，也應(yīng)予以清除或?qū)y(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

對(duì)于熱磁式氧分析儀來(lái)說(shuō)，其測(cè)量原理不僅基于氣體的磁效應(yīng)，還與氣體的熱效應(yīng)有關(guān)，氣體熱導(dǎo)率以及密度等因素都會(huì)對(duì)熱傳導(dǎo)帶來(lái)影響，尤其是熱導(dǎo)率高而密度小的氫和密度很大的二氧化碳的影響更為顯著。如：氫含量增加0.5%時(shí)，儀器測(cè)量數(shù)值將降低0.1%O2；CO2含量增加1.5%時(shí)，儀器測(cè)量數(shù)值將增加0.1%O2。

樣氣預(yù)處理后，由于背景氣體成分的變化而造成的誤差

樣品預(yù)處理系統(tǒng)的任務(wù)是將樣氣中對(duì)檢測(cè)器有害的組分（如水分、腐蝕性氣體等）以及干擾測(cè)量的組分除掉。如果這些除掉的組分含量較高，勢(shì)必會(huì)引起樣品組成發(fā)生變化，氧含量亦隨之變化，從而造成測(cè)量誤差。這種情況對(duì)氧分析儀的測(cè)量，尤其是低量程測(cè)量影響十分嚴(yán)重。因此，要充分考慮其影響程度，采取措施盡量加以避免或?qū)x器示值進(jìn)行修正。

一般情況下，工藝操作關(guān)心的是被測(cè)氣體的主要組成，或被測(cè)氣體在常溫下的組成。高溫工藝氣體中往往含有常溫下過(guò)飽和水，將其降溫除水后不會(huì)影響到樣品的組成。但如果除水方法不當(dāng)，也會(huì)破壞其組成。例如，在高溫?zé)煹罋庵?，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(jīng)氣水分離器加以分離，這實(shí)際上是一種水洗的處理方法。CO2和SO2易溶于水，經(jīng)過(guò)水洗處理后，一部分CO2和SO2溶于水中，改變了樣品組成，加之冷卻水中一部分溶解氧釋放出來(lái)，這些都會(huì)使樣品氣中的氧含量增高，造成氧分析儀測(cè)量值虛高。所以，不應(yīng)采用這種方法處理煙道氣樣品，正確的方法是用壓縮機(jī)或半導(dǎo)體冷卻器降溫除水。

 標(biāo)準(zhǔn)氣組成引起的誤差

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)氣中的非氧組分與被測(cè)樣品氣的背景組分相一致時(shí)，可使測(cè)量誤差減至小。但這樣的標(biāo)準(zhǔn)氣來(lái)源困難，一般均采用來(lái)源方便的N2用零點(diǎn)氣，并以氮為本底配置量程氣。當(dāng)被測(cè)樣氣背景組分的體積磁化率與N2的體積磁化率有較大差異時(shí)，這樣校準(zhǔn)的分析儀零點(diǎn)和量程必然存在誤差。對(duì)磁機(jī)氧和磁壓氧來(lái)說(shuō)，其零點(diǎn)的微小變化都會(huì)給測(cè)量帶來(lái)較大的誤差。所以，針對(duì)這種情況須采用零點(diǎn)遷移方法進(jìn)行修正。

安裝不合適對(duì)指示的影響

安裝時(shí)主要是發(fā)送器必須處于水平位置，所以在發(fā)送器設(shè)置一個(gè)水平儀，以校準(zhǔn)工作室的水平。安裝不水平會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，并影響儀器的測(cè)量精度。其原因是，工作室稍有傾斜后，改變了分析室中熱磁對(duì)流和自然對(duì)流的相互關(guān)系，熱磁對(duì)流和自然對(duì)流矢量夾角的不同，發(fā)生器將有不同的餓輸出特性。