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，在磁場中具有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，我們通常通稱為磁氧分析儀。它一般分為磁機(jī)械式、磁壓力式和氧熱磁對流式分析儀三種。

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)在外磁場中被磁化，其本身會產(chǎn)生一個附加磁場，附加磁場與外磁場方向相同，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)處于磁場也會被磁化，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)，在外界磁場的作用下，都會被磁化，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；

K的物理意義是指在單位磁場作用下，單位體積的物質(zhì)的磁化強(qiáng)度。磁化率為正(k＞0)稱為順磁性物質(zhì)，它們在外磁場中被吸引；k＜0則稱為逆磁性物質(zhì)，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，在磁場中具有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。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

在一個封閉的氣室中，裝有兩對不均勻的磁極，它們的磁場強(qiáng)度梯度正好相反。兩個空心球（俗稱啞鈴）置于兩對磁極的間隙中，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。在啞鈴與金屬帶交點(diǎn)處裝一平面反射鏡。被測樣氣由入口進(jìn)入氣室后，它就充滿了氣室。兩個空心球被樣氣所包圍，被測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。如果啞鈴了的兩個空心球體積相同，體積磁化值相等，兩個球體受到的力大小相等、方向相反，對于中心支撐點(diǎn)金屬帶而言，它受到的是一個力偶的作用，這個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，金屬帶會產(chǎn)生一個抵抗啞鈴偏轉(zhuǎn)的復(fù)位力矩，與轉(zhuǎn)動力矩相平衡，被測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，就反映了被測氣體中氧含量的多少。

磁力機(jī)械式氧分析儀測量部件示意圖

對啞鈴球偏轉(zhuǎn)角度的測量，大多是采用下圖所示的光電系統(tǒng)來完成的。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光電元件（如硅光電池、硒光電池）上。在被測樣氣不含氧時，空心球處于磁場的中間位置，此時，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，兩個光電元件接收的光能相等。一般兩個光電采用差動方式連接，因此，光電組件輸出為零，儀器終輸出也為零。

當(dāng)被測樣氣中有氧存在時，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)動空心球移出磁場中心位置，于是，啞鈴球偏轉(zhuǎn)了一個角度，反射鏡隨之偏轉(zhuǎn)，反射出的光束也隨之偏移，這時，兩個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輸出。被測氣體中氧含量越高，光電組件輸出信號越大。該信號經(jīng)反饋放大器放大作為儀器檢測輸出。
   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，對啞鈴產(chǎn)生一個附加復(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它是對氧的順磁性直接測量的分析儀，在測量中，不受被測氣體導(dǎo)熱性變化、密度變化等影響。
   ②在0…O2范圍內(nèi)線性刻度、測量精度較高，測量誤差可低至±0.1%O2。
   ③靈敏度高，除了用于常量的測量以外，還可用于微量氧（O2‰）的測量。
2、注意事項(xiàng)：
   ①磁力機(jī)械式氧分析儀基于對磁化率的直接測量，像氧氮等一些強(qiáng)磁性氣體會對測量帶來嚴(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，也應(yīng)予以清除或?qū)y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，都會對測量結(jié)果帶來影響。因此，必須穩(wěn)定樣氣的壓力，使其符合調(diào)校儀器時的壓力值。環(huán)境溫度和整個檢修部件，均應(yīng)工作在設(shè)計的溫度范圍內(nèi)，一般來說，各種型號的磁力機(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(xù)振動，都會削弱磁性材料的磁場強(qiáng)度，因此，該類儀器多將檢測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更換檢測器；

③檢查儀表的氣密性。

④檢查儀表的絕緣電阻；

⑤測量交流紋波電壓；

⑥測試計算反饋增益；

調(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)，稱為機(jī)械調(diào)零。其實(shí)質(zhì)是保證氣樣不含氧時硅光電池對左右兩塊的光照面積相等，儀器輸出為零，為此，測量池可以轉(zhuǎn)動到一個合適的位置固定之，使反射光束以恰當(dāng)?shù)慕嵌日丈湓诠怆姵厣?，這可稱為粗調(diào)。另外通過機(jī)械調(diào)節(jié)螺釘改變光電池的位置，仔細(xì)調(diào)整，稱之為細(xì)調(diào)。

在裝拆測量池和更換光源燈泡，儀器長期運(yùn)行、測量過程中組分的變化、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

測量原理：

根據(jù)被測氣體在磁場作用下壓力的變化量來測量氧含的儀器，我們叫做磁壓力式氧分析儀。被測氣體進(jìn)入磁場后，在磁場作用下氣體的壓力將發(fā)生變化，致使氣體在磁場內(nèi)和無磁場空間存在著壓力差：

請看下面的公式：

ΔP=1/2U₀H²k                                        

ΔP……壓差；

 U₀……真空磁導(dǎo)率；

 H……磁場強(qiáng)度；

k……被測氣體的體積磁化率；   

由上式中可以看出，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的差值也同樣存在正比關(guān)系：

ΔP=1/2U₀H²(km-kr)

km……被測氣體的體積磁化率；

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)；

上面兩式合并，得出下式：

ΔP=1/2U₀H²(k1c1-kr)    

這樣，被測氣體氧的體積分?jǐn)?shù)c1與壓差△p有線性關(guān)系。這就是磁壓分析儀的測量原理。在磁壓力式氧分析儀中，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。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。為了便于信號的檢測和調(diào)制放大，采用一定頻率的通斷電流，對磁鐵線圈反復(fù)激勵，使之產(chǎn)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測量O₂濃度的。在不均勻磁場中，氧分子由于其順磁性，會朝磁場增強(qiáng)方向移動。當(dāng)不同氧氣濃度的二種氣體在同一磁場相遇時，他們之間就會產(chǎn)生一個壓力差。

樣品氣經(jīng)5進(jìn)入測量腔6。參比氣經(jīng)入口1和兩個參比氣通道3（左3和右3）進(jìn)入測量腔。微流傳感器中有兩個被加熱到120℃的鎳格柵電阻，和兩個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，所以左右兩個參比氣通道是相通的。測量開始前，兩路參比氣壓力相等，△p = 0，所以測量電橋無信號輸出。
當(dāng)電磁鐵8通電勵磁時，在其周圍形成一個磁場，樣氣中的氧分子被吸引，朝磁場強(qiáng)度較大的右側(cè)運(yùn)動，產(chǎn)生一定的氣阻，并推動參比氣右3逆時針流動，通過微流傳感器4，并產(chǎn)生輸出信號。
當(dāng)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(jīng)4流向測量室，輸出信號恢復(fù)。
采用一定頻率的通斷電流，對電磁鐵反復(fù)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(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)流過傳感器，便在測量電橋中產(chǎn)生交流波動信號，信號強(qiáng)度與參比氣壓力變化量成正比。而這個壓力變化量，又與通道阻力大小成正比，通道阻力大小又與磁場強(qiáng)度強(qiáng)弱成正比，磁場強(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)部摩擦對測量結(jié)果都不會產(chǎn)生影響。同時，也避免了樣氣的腐蝕，使傳感器的抗腐蝕性能大大提高。
由于測量地點(diǎn)可能存在振動，并由此造成測量誤差（噪聲），所以儀器額外增加了一個振動傳感器10，該傳感器無氣體流通，其信號可用來測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。

西門子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)測量范圍為0…X%O2（測量下限為0%O2）時，用氮作參比氣；

②當(dāng)測量范圍為X…O2（測量上限為O2）時，用氧作參比氣；

③當(dāng)測量范圍為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熱磁對流式氧分析儀

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。兩檢測器的結(jié)構(gòu)不同，但檢測機(jī)理均基于熱磁對流產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

內(nèi)對流式和外對流式主要區(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(jìn)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(jìn)行；而外對流式檢測器，熱磁對流在熱敏元件外部進(jìn)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(bǔ)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。

4.8 內(nèi)對流式熱磁氧分析儀

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(qiáng)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；3——磁鐵；

熱磁對流示意圖

   通過示意圖，我們可以看到，磁場強(qiáng)度沿X方向按一定的磁場強(qiáng)度梯度衰減，H（X）是變化的。對于水平通道而言，處于不均勻磁場之中，通道左端磁場強(qiáng)度強(qiáng)，越往右，磁場強(qiáng)度越弱，而溫度場基本上是均勻的。它們之間的相對位置關(guān)系是：在磁場強(qiáng)度大值區(qū)域開始建立均勻的溫度場。當(dāng)有順磁性氣體在垂直管道沿Y方向自下而上運(yùn)動到水平管道入口時，由于受到磁場的吸引而進(jìn)入水平管道。在其處于磁場強(qiáng)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(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(qiáng)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(yùn)動而脫離磁場強(qiáng)度大區(qū)域。后進(jìn)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(jìn)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)。

內(nèi)對流式熱磁氧分析儀的工作原理：

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。內(nèi)對流式熱磁氧分析儀的工作原理如圖所示，

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

                        熱磁式檢測器示意圖(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(jìn)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(yuǎn)離磁場強(qiáng)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(jìn)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。

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(diǎn)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(qiáng)，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(dá)到某一值時：FM=Fr，熱磁對流*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(diǎn)，曲線斜率大，檢測

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(kuò)展了儀器測量上限值。實(shí)驗(yàn)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(huán)形垂直通道)

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?yàn)?，?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(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越來越小。當(dāng)氧含量達(dá)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(dá)到O2，但是對低含量氧進(jìn)行測量時，其檢測靈敏度很低，甚至不能測量，這是因?yàn)闊岽艑α魇艿阶匀粚α鞲蓴_較大引起的。儀器選型時，要多加注意。

兩種檢測器的安裝注意事項(xiàng)：

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。

4.9外對流式熱磁氧分析儀

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*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)*相同。

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(kuò)散進(jìn)來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)致氣體相對密度下降而向上運(yùn)動，主氣道中較冷的氣體向下運(yùn)動進(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)*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(jìn)入測量氣室并向磁極方向運(yùn)動。在磁極上方安裝有加熱元件（熱

熱磁外對流式氧分析儀檢測器示意圖

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(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(jìn)測量氣室。在向磁極方向運(yùn)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。

雙臂單電橋測量原理圖

測量電路：

為了更好地補(bǔ)償由于環(huán)境溫度變化、電源電壓波動、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)。如圖：

圖中四個氣室分為兩組，分別置于兩個電橋中，每組兩個氣室中各有一個氣室底部裝有磁極，氣室中的熱敏元件作為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定值的空氣作為參比氣。

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(bǔ)償測量系統(tǒng)。工作電橋和參比電橋在結(jié)構(gòu)與性能上*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(jìn)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。

                   熱磁外對流式發(fā)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(jìn)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(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?yàn)闇y量精度較高。若儀器中設(shè)計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。

4.10順磁式氧分析儀測量誤差分析

分析儀在使用過程中，會遇到使用環(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℃，熱磁氧測量示值變化可達(dá)1%…1.5%。對磁機(jī)氧而言，短時間偏差也能達(dá)到0.02%…0.05%，隨著時間延長和溫度升高，其溫漂現(xiàn)象會更加嚴(yán)重。所以，溫度變化是測量中產(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℃以內(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。由于樣氣測量后，直接放空，大氣壓力或放空背壓的變化都會使檢測器中的樣氣壓力發(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；二是指儀器安裝地點(diǎn)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，儀器的示值降低2.63%。要消除這種誤差，只需在儀器投用前，對儀器重新校準(zhǔn)，就可解決此誤差問題。

放空背壓的變化，通常發(fā)生在分析后樣氣管堵和多臺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，可通過加裝背壓調(diào)節(jié)閥或其它穩(wěn)壓措施來解決。

為了克服上述因素引起的測量誤差，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±10%時，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，對于你低量程的測量，還需要配置穩(wěn)流閥，有的儀器采用擴(kuò)散式結(jié)構(gòu)的測量室來減少流量波動的影響。

對于磁力機(jī)械式和磁壓力式氧分析儀來說，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(yīng)達(dá)到大，又可以使流速在一定范圍內(nèi)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(jī)械式和磁壓力式氧分析儀基于對磁化率的直接測量，像氧化氮等一些強(qiáng)磁性氣體會對測量帶來嚴(yán)重干擾，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(shè)法將其除掉后再進(jìn)行測量。此外，一些較強(qiáng)逆磁性性氣體也會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時，也應(yīng)予以清除或?qū)y量結(jié)果進(jìn)行修正。

對于熱磁式氧分析儀來說，其測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對熱傳導(dǎo)帶來影響，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，儀器測量數(shù)值將降低0.1%O2；CO2含量增加1.5%時，儀器測量數(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)是將樣氣中對檢測器有害的組分（如水分、腐蝕性氣體等）以及干擾測量的組分除掉。如果這些除掉的組分含量較高，勢必會引起樣品組成發(fā)生變化，氧含量亦隨之變化，從而造成測量誤差。這種情況對氧分析儀的測量，尤其是低量程測量影響十分嚴(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)心的是被測氣體的主要組成，或被測氣體在常溫下的組成。高溫工藝氣體中往往含有常溫下過飽和水，將其降溫除水后不會影響到樣品的組成。但如果除水方法不當(dāng)，也會破壞其組成。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，這些都會使樣品氣中的氧含量增高，造成氧分析儀測量值虛高。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(biāo)準(zhǔn)氣來源困難，一般均采用來源方便的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，這樣校準(zhǔn)的分析儀零點(diǎn)和量程必然存在誤差。對磁機(jī)氧和磁壓氧來說，其零點(diǎn)的微小變化都會給測量帶來較大的誤差。所以，針對這種情況須采用零點(diǎn)遷移方法進(jìn)行修正。

安裝不合適對指示的影響

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