摘要：目前应用比较广泛的测量气体含氧量分析仪主要分为两大类：一类是电化学法原理制成的，如氧化锆分析仪等；另一类是物理法制成的，如热磁式、磁力机械式等。本文主要介绍了氧化锆氧分析仪和磁氧分析仪的原理以及应用。
关键词：氧化锆 固体电解质 顺磁性
1 氧化锆氧量分析仪
1.1 原理
因为氧化锆本身是一种固体电解质，具有在高温下传导氧离子特性，在它两侧涂上多孔铂电极，当两侧气体中浓度不同时，就产生下列反应：
氧浓度高侧：O2+4e→2O2-
氧浓度低侧：2O2--4e→O2
这样就构成了以氧化锆管为电解质的浓度电池，电极间电势服从能斯特方程：
E=（RT/nF）lnPo/Px （1）
当两侧气体总压力相同时，上式可写成：
E=（RT/nF）lnco/cx （2）
式中：R为气体常数；T为绝对温度，K；n为参加反应的电子参数（4）；F为法拉第常数；Po、co为分别为参比侧氧分压及浓度；Px、cx为分别为测量侧氧分压及浓度。
当参比侧氧浓度co为已知常数时，电势E与cx成单值函数关系。因此，氧化锆分析仪原理就是以氧化锆作固体电解质构成浓度差电池，产生的浓度差电势与两侧氧浓度有关，当固定一侧氧浓度时，通过测量输出电势E，就可以测得另一侧氧浓度。从式（2）看出，输出电势与绝对温度T也成正比，所以在测量过程中温度必须恒定，或采取温度补偿的措施。
流程型氧化锆分析仪的传感器一般做成管状结构。
其直接插入被测高温气体中。用空气作参比气，通入氧化锆管外侧，被测气体经由过滤器除去机械杂质后进入管内。可以用泵吸被测气样和空气，使它们流速一定，并且使两相流的总压力基本相同。在管外装有测量氧化锆管工作温度的热电偶，输出热电势信号送入温控器中，实现定温控制。也可以不用定温加热炉，将测出的工作温度的热电势送入除法线路，对输出浓度差电势进行温度补偿。因此直插式氧化锆分析仪的特点是反应迅速，加装过滤器后响应时间也只有3s左右。
1.2 应用
氧化锆氧量分析仪测量范围一般在0～10%O2或者ppm级，误差在±5左右。其应用于燃烧过程中烟道气分析和高温炉中气体氧分析，适用于燃烧过程中的监测和控制；特别是用于锅炉烟气中氧含量测定。
以兰炼富士的氧化锆分析仪为例，主要由检测器（传感器）和转化器（变送器）两部分。其次还有与这两部分配套使用的校验箱，其是为了完成对分析仪零点和量程的校验。在实际应用选型过程中要注意：（1）如果测量气体中存在易燃气体（CO、H2等），由于在传感器出可能会有燃烧现象，因而使测量不准确。（2）如果测量有腐蚀性气体（如碱金属，硅蒸汽，Pb等），有可能会腐蚀镐头，而缩短传感器使用的寿命。（3）当气体温度较高（300℃时）时，检测器法兰应与炉壁隔开，以确保检测器法兰表面温度低于规定值125℃，调整导流管的安装方向，使被测气体进入检测器的流量减少。当测量气体温度高于600℃时，则需采用散热型导流管。（4）在被测气体中的灰尘较多时，导流管的安装应有个倾斜角，以使烟气的流动方向由下而上；调整导流管的入口方向，使被测气体进入检测器的流量减少。综上，选用氧化锆分析仪时，要注意两点：一是样气的组分构成；二是样气的温度。
2 磁氧分析仪
2.1 原理
首先，我们要了解任何物质都是具有一定磁性的，在外磁场作用下都能被磁化。由于物质的结构组成不同，所以各种物质磁化率（k）不同，根据磁化率大小，物质可以分为反磁性的、顺磁性的和铁磁性的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆顺磁性气体的体积磁化率公式为：
k=（CM/R）*（P/T2） （3）
式中C为居里常数；R为气体常数；M为气体分子量；P为压力；T为绝对温度，K。
从（3）式可见，气体磁化率与压力成正比，而与温度平方成反比。从大量实验数据表明，只有O2、NO、NO2是顺磁性气体，而其中O2的磁化率最大。但由于磁化率的变化微小，直接测量非常困难，因此在实际应用中主要是利用气体磁性变化时所引起的有关规律作间接测量的。
磁氧分析仪主要有磁力机械式和热磁式两种。其中磁力机械式氧分析仪依据在不均匀磁场中，被顺磁性气体包围的物体所受吸引力随该气体磁化率的变化而变化的原理制成的；而热磁式氧分析仪依据在不均匀磁场中，顺磁性气体被发热元件加热后，磁化率显著降低而形成热电磁效应的原理制成的。
本文着重介绍一下磁力机械式氧分析仪的原理。顺磁性气体在非均匀磁场中被磁场吸引，产生了沿磁场方向分布的密度梯度，从而导致压力差。当混合气体中含有氧气时，此混合气体的顺磁性大小就取决于含氧量的大小，所以在非均匀磁场中沿着磁场梯度方向上形成的气体密度差或者压力差，也就取决于混合气体中氧含量的浓度。当磁化率为ko的物体与周围的混合气体放入上述磁场中，物体就会受到这个压力差的推力，该推力F与磁场强度H、磁场梯度dH/dx成正比，即：
（4）
式中k为混合气体的体积磁化率；V为物体的体积。
当（4）式中ko、dH/dx、H、及V固定后，只要测得机械力F，就可求得混合气体的磁化率，从而确定混合气体中的氧含量。
综上，无论是热磁式还是磁力机械式分析仪，都要考虑温度和压力变化对气体磁化率的影响。所以为了减小环境温度变化导致氧磁化率改变所引起的附加误差，需要采用恒温装置或温度补偿措施；另外，大气压变化也会引入附加误差，在测量要求高的场合，还要进行必要修正。
2.2 应用
磁氧分析仪测量范围为0～100%O2，误差有±2、±2.5、±5等，可以连续测量分析样气中氧含量，而且不受背景气体导热率，热容等因素的干扰，具有精度高、测量范围广、响应快、线性刻度等特点，在各种生产和科研项目中都有广泛的应用。
以西门子的OXYMAT61为例，是采用测量顺磁压力变化的方法来测量氧浓度。它主要特点是集成性高、线性度高、一体式设计、物理消耗为零。这款分析仪主要两部分构成：一是测量部分；二是电气部分。测量部分集成了参比气路等、可进行自动标定、温压补偿、交叉干扰校正等；电气部分包括多参数的LCD显示，模拟信号、通信信号等多种信号输出模式。因此，它广泛应用于化工厂、环境保护、质量检测等场合。但是同样它在选型过程中也要注意样气的组分构成及样气工作压力和温度。
3 结语
综上氧化锆氧分析仪灵敏度高、选择性好、但存在响应速度慢，使用维护工作量大的特点；磁氧分析仪相应时间快，不消耗被分析气体，稳定性好，使用维护简便，但同时要考虑经济成本因素。因此在实际选型过程中时，我们要根据具体工况和样气实际情况，综合氧分析仪各自的特点，选择一款合适的氧量分析仪。
参考文献：
[1]国家石油和化学工业局.HG/T 20507-2000自动化仪表选型设计规定[S].北京：化工工程建设编辑中心，2016.
[2]国家石油和化学工业局.SH 3005-1999石油化工自动化仪表选型设计规定[S].北京：中国石化出版社，2017.
[3]陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].北京：化学工业出版社，2015.
[4]赵宝珍，张宏建，等.过程控制工程手册[M].北京：化学工业出版社，2016.
[5]吴勤勤.过程仪表及装置[M].2版.北京：化学工业出版社，2016.
[6]王永红.过程检测仪表[M].北京：化学工业出版社，2015.
[7]施仁，等.自动化仪表及过程控制[M].3版.北京：电子工业出版社，2017.
论文作者:伍朝银1,张汉军2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/20
标签：气体论文; 分析仪论文; 氧化锆论文; 测量论文; 浓度论文; 电势论文; 磁场论文; 《基层建设》2019年第19期论文;