磁动式氧含量分析仪的研制

　　1　引　言

　　氧含量分析仪是目前工业生产自动控制中应用较多的在线分析仪表[1,2],主要用来分析混合气体中的含氧量。如监视燃烧过程,通过分析烟道气体剩余氧含量,以控制燃料与空气的最佳比例,保证燃烧效率等。

　　磁动式氧含量分析仪以气体磁性为原理,属于磁力机械式,光、机、电结合的一种仪器。磁动式测量气体的含氧量与化学法相比,具有响应速度快、测量范围宽、能适时在线测量等优点。与热磁风、氧化锆等其他物理方法相比[3],具有基本不受混合气体中非测量组份变化的影响,不受背景气体导热率、热容的干扰,反应速度快,稳定性好等优点,是一种理想的氧含量测量设备。CCD磁动式测氧仪利用了氧气是顺磁性物质,且磁化率远大于其它气体的物理特性,以充氮铂丝哑铃球悬挂在非均匀磁场中构成测量池,作为测量气体氧气含量的传感部件,用线阵CCD接收信号[4],由单片机系统处理并显示结果。本文将从气体磁性出发,分析磁动式测量气体中氧含量的基本原理,全面阐述磁动式测氧仪的测量池系统、光路系统和CCD数据处理系统的实现方案,分析仪器的校正要求与方法,并通过实验测试仪器的性能。

　　2　磁动式测量气体中氧含量的基本原理

　　氧气是顺磁性物质,它的体积磁化率在20℃时为k=106.2×;氮气是抗磁性物质,在20℃时体积磁化率为k=-0.34×10-5;各种常见气体中只有O2的磁化率最大,除了NO、NO2外,其它各种气体的体积磁化率与氧气的体积磁化率相比,其值甚小,可以忽略不计[5]。彼此不进行化学反应的混合气体的磁化率由下式求得:

　　式中ni为第i种气体的百分含量,ki为第i种气体的体积磁化率,nO2为氧在混合气体的百分含量,kO2为氧气的体积磁化率,为混合气体中非氧气体的平均体积磁化率。

　　由于氧气的磁化率远比其他气体的高,上式中第二项值是微不足道的,可以忽略不计,因此,混合气体的体积磁化率主要由氧气的体积磁化率及其百分含量所决定,只要能测出混合气体的体积磁化率k混,就可以求出混合气体中氧气的百分含量。利用氧的顺磁性且磁化率显著高于其它气体的物理特性,可以有效地分析它在混合气体中的含量。

　　如图1一小球置于不均匀磁场中,球体受到的磁场力F为

　　若球体的磁导率为μP,球体的体积为VP,球体周围的磁场中充满了介质,其磁导率为μ,则利用[6]可求得

　　若将一对充氮气的哑铃球用铂丝悬挂在不均匀磁场中,则它所受到的力矩为

　　若沿x方向的磁场强度梯度为一常数,即,则有

　　以上各式中kP为球体的磁化率,k为球体周围介质磁化率。VP为球体的体积,RP为铂丝到哑铃球中心的距离。