无参比气磁压力过程氧分析器

    在很多工业部门与研究领域需要对过程气体中氧气浓度进行连续自动分析。目前,氧气的自动分析方法大致可分为两大类。一类是化学法,利用氧气和某种介质起化学反应后产生的物性变化对氧气进行分析;另一类是物理分析法,利用氧气的顺磁性对氧气进行分析。两种方法各有独特之处,但物理方法反应快、稳定性好、使用维护方便,目前得到广泛的应用。

    基于气体磁性原理,作者研制了一种磁压力过程氧分析器。该仪器除具有一般磁压力氧分析器的受背景气体影响小、测量速度快、测量准确性高特点之外,还具有不需要精氧作参比气,运行成本低;采用微机控制与数值处理,操作简单,数据可靠;能连续定量测定混合气体中的氧含量。可广泛用于工业生产过程、生物过程、大气污染监测等各个领域。

    1　测量原理

    各种气体分子在磁场中会呈现不同的磁性。氧气是顺磁性的气体,并有较高的磁化率。除NO,NO₂等少数气体之外,大多数气体是抗磁性,有较低的磁化率。对于含氧混合气体,总的体积磁化率X_M与氧气的体积磁化率、背景气的体积磁化率有如下关系:

由于X_O与X_B是已知的,由式(2)可知,X_M与样品气中氧的百分浓度C_O存在严格的线性关系,测定X_M即可确定混合气体中氧的浓度。

    虽然氧气的磁化率很高,但是其绝对值仍然很小,尤其是对含氧量较小的混合气体,直接测量很困难。为了测量X_M,将测量气体导入磁场中,利用非均匀磁场下作用在氧分子上的磁力导致压力变化,致使有磁场空间与无磁场空间产生压差Δp(如图1),Δp与磁场强度H关系如下:

式中　μ₀———真空磁导率。

测量气体压差Δp,即可确定气体中氧气浓度。

    2　仪器工作过程

    过程微氧分析器工作流程如图2所示。当测量气接入仪器入口GI,经过滤片对测量气体中的灰尘、水气等杂质进行净化,净化后的气体进入气体分配器F1,对测量气进行稳压与稳流,并将多余的气体经GO排出。来自F1的稳定气流一部分经由毛细管K1进入无磁场参比池中,另一部分经由毛细管K2进入以12·5Hz激振的磁靴测量池中。当磁靴无磁场时,测量池与参比池两者差压为零;当磁靴有磁场时,测量池与参比池之间产生差压Δp。此差压加在由间隙电容器构成的接收器E1的电极上,间隙电容电极发生位移,引起电容值变化,将差压信号转换成电信号,信号经放大调理、A/D转换、数据处理,可确定出气体中氧气浓度。

    在该测量方式中,由于用测量气作为参比气,不仅省去用精氧、精氮作参比气,降低了运行成本,而且参比气与测量气静态气压严格一致,外界压力波动对测量结果影响小,提高了测量精度。