CCD磁动式氧含量分析仪的分析与设计

　　1　引　　言

　　氧含量分析仪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;空分制氧、制氮中监视氧气和氮气的纯度;炼油工艺中氧浓度的检测等[123]。

　　磁动式氧含量分析仪利用氧气的顺磁性,且磁化率明显高于其他气体的物理特性,对混合气体的氧含量进行测量,具有反应速度快、测量范围宽、稳定性好、能适时在线测量,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、热容的干扰等优点。本文将介绍磁动式测氧仪的原理,阐述对磁动式测氧仪的设计思路,分析磁动式测氧仪的应用环境,并通过实验分析其CCD像元位置随气体氧含量、温度变化的特性。

　　2　磁动式测量气体氧含量的原理分析

　　由于物质的结构组成不同,各种物质的磁化率(k)也不同。按磁化强度矢量的方向,气体可分为顺磁性和抗磁性2大类,磁化率k>0时为顺磁性物质,k<0时为抗磁性物质。常见气体的磁化率如表1[2]所示。

　　由表1可知,常见气体中只有O2的磁化率最大,除了NO、NO2外,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。可利用这一特性对混合气体中的含氧量进行分析。

　　几种不同的气体组成的混合气体的体积磁化率为:

　　当被测气体中不具有NO、NO2或它们含量很少时,由于氧气的磁化率远比其他气体的高,所以有:

　　式(1)表明,混合气体中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。

　　如图1所示,在不均匀磁场中置一小玻璃球。

　　根据可以推出球体在磁场中所受的吸引力或排斥力为:

　　如图2所示,将一对充氮气的哑铃球用铂丝悬挂在不均匀磁场中,可以得到一对哑铃球所受的力矩为:

　　因此,被测气体的氧含量不同,哑铃球系统受到不同的转动力矩,悬丝复位力矩和小球的平衡位置也不同,即哑铃球扭转的角度φ不同,这样转角φ也就反映了氧气含量的多少。

　　3　CCD磁动式测氧仪的方案设计

　　磁动式氧分析仪主要由3个部分组成,如图3所示。其中测量池是以氧气的顺磁性,氮气的抗磁性为原理,制成测定氧含量的传感部件;气体过滤装置是为了确保测量池干燥清洁,可靠工作;数据采集采用了线阵CCD,并由单片机对数据进行处理。

　　3. 1　测量池系统

　　测量池是分析仪是最关键、最精密的系统,它的结构一般采用如图4所示的形式。在密封室1中装有两对产生不均匀磁场的磁极2,将充有氮气的一对玻璃哑铃球3用铂丝悬吊于两对磁极的间隙之间,在哑铃球与铂丝的交点处装有一平面反射镜5。哑铃球只能以铂丝为轴旋转,不能上下移动。