磁动式测氧仪数据特性的分析

　　氧含量测量仪是工业生产自动控制中应用较多的在线分析仪表，如监视燃烧过程，通过分析烟道气体剩余氧含量控制燃料与空气的最佳比例，保证燃烧效率;空分制氧系统中氧气纯度的分析;化肥生产中，通过测量氧气含量得到空分提取氮气的纯度等。

　　CCD磁动式测氧仪利用氧气是顺磁性物质，且磁化率远大于其它气体的特点，以充氮铂丝哑铃球为测量气体氧含量的传感部件，用线阵CCD接收信号，由单片机系统处理并显示结果。分析CCD像元值的数据特性，寻找CCD像元随氧气含量和环境温度的变化规律，观测CCD像元值随时间的变化特性，是确定仪器定标、温度补偿和校正调零方案的依据，是保障测氧仪精确度的重要环节。

　　1 CCD像元值随气体氧含量变化特性

　　1.1 磁动式测氧仪的原理

　　磁动式测氧仪主要由 3 个部分构成：测量池、CCD数据采集处理电路和气体过滤装置。其中测量池是以氧气的顺磁性、氮气的抗磁性为原理，制成的测定氧含量的传感部件。

　　图1所示，将一对充氮铂丝哑铃球反射镜系统悬挂在非均匀磁场中，系统将受到磁场的转动力矩。令磁场强度为H，梯度为бHбx，可以推导出它所受到的转动力矩为:

　　式中:

　　Fn为每个充氮小球受到的磁场作用力;

　　R伪两充氮小球的间距;

　　1%J氮的磁化率;

　　无为哑铃球所处环境的磁化率;

　　P为玻璃小球的体积。

　　哑铃球系统在力矩作用下将绕悬丝转动，直到力矩与悬丝的扭转阻力矩平衡，让一束光线射向小镜，用线阵CCD在固定的位置接收反射光斑。线阵CCD采用TCD1500C，其驱动电路采用可编程逻辑器件CPLD作为硬件设计平台，在MAX+PLUSII的开发环境中实现。通入不同含氧量气体，哑铃球系统所处环境磁化率不同，由式(1)得出转动力矩发生变化，哑铃球系统的扭转角度变化，投射到CCD上光点位置也变化。通过对CCD接收的反射光点位置进行探测，可确定气体的含氧量。

　　1.2 CCD像元值随气体氧含量变化特性

　　根据式(1)，若磁场变化梯度为常数，即：

　　考虑到由磁场中心向外方向磁场变化梯度C<0，则哑铃球系统受到力矩大小随小球所处周围空间气体的体积磁化率增大而增大。由于气体的磁化率与氧含量成正比，因此，铂丝哑铃球系统的扭转角度与氧含量基本成线性关系。表1为21℃时实验得到的一组CCD像点随氧含量变化的数据，表中CCD像点读数取反射光斑前后沿的平均值。

　　作出CCD像元读数Y随氧百分含量X变化曲线，如图 2 所示。经分析CCD像元值随氧百分含量X变化关系在全量程基本是线性的，因此，在仪器定标时对数据的处理采用二次曲线拟合即可获得较高的测量精度，而且定标数据点也无需太密。