順磁式氧分析儀是根據(jù)氧氣的體積磁化率比一般氣體高得多，在磁場(chǎng)中具有的順磁特性的原理制成的一種測(cè)量氣體中含氧量的分析儀器。

順磁式氧分析儀，也可叫做磁效應(yīng)式氧分析儀、或磁式氧分析儀，我們通常通稱為磁氧分析儀。它一般分為磁機(jī)械式、磁壓力式和氧熱磁對(duì)流式分析儀三種。

任何物質(zhì)，在外界磁場(chǎng)的作用下，都會(huì)被磁化，呈現(xiàn)出一定的磁特性。物質(zhì)在外磁場(chǎng)中被磁化，其本身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加磁場(chǎng)，附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相同，該物質(zhì)被吸引，表現(xiàn)為順磁性；方向相反，該物質(zhì)被排斥，表現(xiàn)為逆磁性。氣體介質(zhì)處于磁場(chǎng)也會(huì)被磁化，而且根據(jù)氣體的不同也分別表現(xiàn)出順磁性或逆磁性。如O2、NO、NO2等是順磁性氣體,H2、N2、CO2、CH4等是逆磁性氣體。體積磁化率——任何物質(zhì)，在外界磁場(chǎng)的作用下，都會(huì)被磁化，不同物質(zhì)受磁化的程度不同，可以用磁化強(qiáng)度M來表示：

M＝kH

式中M——磁化強(qiáng)度;

H——外磁場(chǎng)強(qiáng)度;

K——物質(zhì)的體積磁化率；

K的物理意義是指在單位磁場(chǎng)作用下，單位體積的物質(zhì)的磁化強(qiáng)度。磁化率為正(k＞0)稱為順磁性物質(zhì)，它們?cè)谕獯艌?chǎng)中被吸引；k＜0則稱為逆磁性物質(zhì)，它在外磁場(chǎng)中被排斥；k值愈大，則受吸引和排斥的力愈大。常見氣體的體積磁化率(0℃)

氣體名稱

化學(xué)符號(hào)

體積磁化率

K×10-6（C.G.S.M.）

氧

O2

+146

一氧化碳

NO

+53

空氣

--

+30.8

二氧化碳

NO2

+9

氧化亞氮

N2O

+3

乙烯

C2H4

+3

乙炔

C2H6

+1

甲烷

CH4

-1

從上表可以看出，氧是順磁性物質(zhì)，其體積磁化率要比其他氣體的體積磁化率大的多。順磁式氧分析器：根據(jù)氧氣的體積磁化率比一般氣體高得多，在磁場(chǎng)中具有的順磁特性的原理制成的一種測(cè)量氣體中含氧量的分析儀器。

磁力機(jī)械式氣體分析儀的工作原理

在一個(gè)封閉的氣室中，裝有兩對(duì)不均勻的磁極，它們的磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度正好相反。兩個(gè)空心球（俗稱啞鈴）置于兩對(duì)磁極的間隙中，用彈性金屬帶固定在殼體上，這樣，啞鈴只能以金屬帶為軸轉(zhuǎn)到而不能上下移動(dòng)。在啞鈴與金屬帶交點(diǎn)處裝一平面反射鏡。被測(cè)樣氣由入口進(jìn)入氣室后，它就充滿了氣室。兩個(gè)空心球被樣氣所包圍，被測(cè)樣氣的氧含量不同其體積磁化率k值也不同，球體所受到的作用力就不同。如果啞鈴了的兩個(gè)空心球體積相同，體積磁化值相等，兩個(gè)球體受到的力大小相等、方向相反，對(duì)于中心支撐點(diǎn)金屬帶而言，它受到的是一個(gè)力偶的作用，這個(gè)力偶促使啞鈴以金屬帶為軸心偏轉(zhuǎn)，在啞鈴做角位移的同時(shí)，金屬帶會(huì)產(chǎn)生一個(gè)抵抗啞鈴偏轉(zhuǎn)的復(fù)位力矩，與轉(zhuǎn)動(dòng)力矩相平衡，被測(cè)樣氣中的氧含量不同，旋轉(zhuǎn)力矩和恢復(fù)力矩的平衡位置不同，也就是啞鈴的偏轉(zhuǎn)角度不同，這樣，啞鈴偏轉(zhuǎn)角度的大小，就反映了被測(cè)氣體中氧含量的多少。

磁力機(jī)械式氧分析儀測(cè)量部件示意圖

對(duì)啞鈴球偏轉(zhuǎn)角度的測(cè)量，大多是采用下圖所示的光電系統(tǒng)來完成的。由光源發(fā)出的光投射在平面反射鏡上，反射鏡再把光束反射到兩個(gè)光電元件（如硅光電池、硒光電池）上。在被測(cè)樣氣不含氧時(shí)，空心球處于磁場(chǎng)的中間位置，此時(shí)，平面反射鏡將光源發(fā)出的光束均衡地反射在兩光電元件上，兩個(gè)光電元件接收的光能相等。一般兩個(gè)光電采用差動(dòng)方式連接，因此，光電組件輸出為零，儀器終輸出也為零。

當(dāng)被測(cè)樣氣中有氧存在時(shí)，氧分子受磁場(chǎng)吸引，沿磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度方向形成氧分壓差，其大小隨氧含量不同而異，該壓力差驅(qū)動(dòng)空心球移出磁場(chǎng)中心位置，于是，啞鈴球偏轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，反射鏡隨之偏轉(zhuǎn)，反射出的光束也隨之偏移，這時(shí)，兩個(gè)光電元件接收到的光能量出現(xiàn)差值，光電組件有毫伏電壓信號(hào)輸出。被測(cè)氣體中氧含量越高，光電組件輸出信號(hào)越大。該信號(hào)經(jīng)反饋放大器放大作為儀器檢測(cè)輸出。

為了改善儀器的輸出特性，空心球上環(huán)繞一匝金屬線圈。該金屬線圈在電路上接收輸出電流的反饋，對(duì)啞鈴產(chǎn)生一個(gè)附加復(fù)位力矩，從而使啞鈴的偏轉(zhuǎn)角度大大減小

磁力機(jī)械式氧分析儀光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)原理圖

磁力機(jī)械式氧分析儀的主要特點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)

1、主要特點(diǎn)：

與熱磁式分析儀相比，磁力機(jī)械式氧分析儀有如下特點(diǎn)：

①它是對(duì)氧的順磁性直接測(cè)量的分析儀，在測(cè)量中，不受被測(cè)氣體導(dǎo)熱性變化、密度變化等影響。

②在0…O2范圍內(nèi)線性刻度、測(cè)量精度較高，測(cè)量誤差可低至±0.1%O2。

③靈敏度高，除了用于常量的測(cè)量以外，還可用于微量氧（O2‰）的測(cè)量。

2、注意事項(xiàng)：

①磁力機(jī)械式氧分析儀基于對(duì)磁化率的直接測(cè)量，像氧氮等一些強(qiáng)磁性氣體會(huì)對(duì)測(cè)量帶來嚴(yán)重干擾，所以應(yīng)將這些干擾組分除掉。此外，一些較強(qiáng)逆磁性氣體也會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。如氙氣，若樣品中含有較多的這類氣體，也應(yīng)予以清除或?qū)y(cè)量結(jié)果采取修正措施。

②氧氣的體積磁化率是壓力、溫度的函數(shù)，樣氣壓力、溫度的變化以及環(huán)境溫度的變化，都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來影響。因此，必須穩(wěn)定樣氣的壓力，使其符合調(diào)校儀器時(shí)的壓力值。環(huán)境溫度和整個(gè)檢修部件，均應(yīng)工作在設(shè)計(jì)的溫度范圍內(nèi)，一般來說，各種型號(hào)的磁力機(jī)械式氧分析儀均帶有溫度控制系統(tǒng)，以維持檢測(cè)部件在恒溫條件下工作。

③無論是短時(shí)間的劇烈振動(dòng)，輕微的持續(xù)振動(dòng)，都會(huì)削弱磁性材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此，該類儀器多將檢測(cè)器等敏感部件安裝在防振裝置中。當(dāng)然，儀器安裝位置也應(yīng)避開振源并采取適當(dāng)?shù)姆勒翊胧?。另外，任何電氣線路不允許穿過這些敏感部分，以防電磁干擾和振動(dòng)干擾。

磁力機(jī)械式氧分析儀的檢修

檢修內(nèi)容：

①更換光源；

②更換檢測(cè)器；

③檢查儀表的氣密性。

④檢查儀表的絕緣電阻；

⑤測(cè)量交流紋波電壓；

⑥測(cè)試計(jì)算反饋增益；

調(diào)零方法

一般的分析器都是以電的形式調(diào)節(jié)零位，而磁力機(jī)械式氧分析儀卻是以機(jī)械方式調(diào)節(jié)零點(diǎn)，稱為機(jī)械調(diào)零。其實(shí)質(zhì)是保證氣樣不含氧時(shí)硅光電池對(duì)左右兩塊的光照面積相等，儀器輸出為零，為此，測(cè)量池可以轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)合適的位置固定之，使反射光束以恰當(dāng)?shù)慕嵌日丈湓诠怆姵厣?，這可稱為粗調(diào)。另外通過機(jī)械調(diào)節(jié)螺釘改變光電池的位置，仔細(xì)調(diào)整，稱之為細(xì)調(diào)。

在裝拆測(cè)量池和更換專用光源燈泡，儀器長期運(yùn)行、測(cè)量過程中組分的變化、環(huán)境的變化等情況下需進(jìn)行調(diào)零操作。

磁壓力式氧分析儀

測(cè)量原理：

根據(jù)被測(cè)氣體在磁場(chǎng)作用下壓力的變化量來測(cè)量氧含的儀器，我們叫做磁壓力式氧分析儀。被測(cè)氣體進(jìn)入磁場(chǎng)后，在磁場(chǎng)作用下氣體的壓力將發(fā)生變化，致使氣體在磁場(chǎng)內(nèi)和無磁場(chǎng)空間存在著壓力差：

請(qǐng)看下面的公式：

ΔP=1/2U0H2k

ΔP……壓差；

U0……真空磁導(dǎo)率；

H……磁場(chǎng)強(qiáng)度；

k……被測(cè)氣體的體積磁化率；

由上式中可以看出，壓差△p與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的平方及被測(cè)氣體的體積磁化率k的差值也同樣存在正比關(guān)系：

ΔP=1/2U0H2(km-kr)

km……被測(cè)氣體的體積磁化率；

kr……參比氣體的體積磁化率；

由上式中可以知道，當(dāng)分析室結(jié)構(gòu)和參比氣體確定后，U0、H、kr均為已知量，km與ΔP有著嚴(yán)格的線性關(guān)系。因此可以得出：

K m≈k1c1

k1……被測(cè)混合氣體中氧的體積磁化率；

c1……被測(cè)混合氣體中氧的體積分?jǐn)?shù)；

上面兩式合并，得出下式：

ΔP=1/2U0H2(k1c1-kr)

這樣，被測(cè)氣體氧的體積分?jǐn)?shù)c1與壓差△p有線性關(guān)系。這就是磁壓分析儀的測(cè)量原理。在磁壓力式氧分析儀中，測(cè)量室中被測(cè)氣體的壓力變化量被傳遞到磁場(chǎng)外部的檢測(cè)器中，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。目前使用的檢測(cè)器主要有薄膜電容檢測(cè)器和微流量檢測(cè)器兩種。為了便于信號(hào)的檢測(cè)和調(diào)制放大，采用一定頻率的通斷電流，對(duì)磁鐵線圈反復(fù)激勵(lì)，使之產(chǎn)生交替變化的磁場(chǎng)，則檢測(cè)器測(cè)得的信號(hào)就變成了交流波動(dòng)信號(hào)了。

磁壓力式氧分析儀的工作原理

氧氣有順磁性。OXYMAT 6型氧分析儀正是利用了這一原理來測(cè)量O2濃度的。在不均勻磁場(chǎng)中，氧分子由于其順磁性，會(huì)朝磁場(chǎng)增強(qiáng)方向移動(dòng)。當(dāng)不同氧氣濃度的二種氣體在同一磁場(chǎng)相遇時(shí)，他們之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力差。

樣品氣經(jīng)5進(jìn)入測(cè)量腔6。參比氣經(jīng)入口1和兩個(gè)參比氣通道3（左3和右3）進(jìn)入測(cè)量腔。微流傳感器中有兩個(gè)被加熱到120℃的鎳格柵電阻，和兩個(gè)輔助電阻組成惠斯通電橋，變化的氣流導(dǎo)致鎳格柵的阻值發(fā)生變化，使電橋產(chǎn)生偏移。

參比氣可以在鎳格柵中通過，所以左右兩個(gè)參比氣通道是相通的。測(cè)量開始前，兩路參比氣壓力相等，△p = 0，所以測(cè)量電橋無信號(hào)輸出。

當(dāng)電磁鐵8通電勵(lì)磁時(shí)，在其周圍形成一個(gè)磁場(chǎng)，樣氣中的氧分子被吸引，朝磁場(chǎng)強(qiáng)度較大的右側(cè)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一定的氣阻，并推動(dòng)參比氣右3逆時(shí)針流動(dòng)，通過微流傳感器4，并產(chǎn)生輸出信號(hào)。

當(dāng)電磁鐵8斷電去磁時(shí)，磁場(chǎng)消失，右3參比通道氣阻消失，氣路通，參比氣順時(shí)針流動(dòng)，反向經(jīng)4流向測(cè)量室，輸出信號(hào)恢復(fù)。

采用一定頻率的通斷電流，對(duì)電磁鐵反復(fù)勵(lì)磁和消磁，便可以在測(cè)量橋路中得到交流波動(dòng)信號(hào)。信號(hào)強(qiáng)度與樣氣中氧含量成正比。

還可以這樣理解：受交替變化的磁場(chǎng)影響，A、B兩點(diǎn)樣氣的壓力差也交替變化，微量傳感器兩邊的壓差 △p也隨之變化，參比氣反復(fù)流過傳感器，便在測(cè)量電橋中產(chǎn)生交流波動(dòng)信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度與參比氣壓力變化量成正比。而這個(gè)壓力變化量，又與通道阻力大小成正比，通道阻力大小又與磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)弱成正比，磁場(chǎng)強(qiáng)弱與樣氣中的氧含量成正比。一句話：△p與樣氣中的氧含量成正比。

微流傳感器位于參比氣路中，不直接接觸樣品氣，所以樣氣的導(dǎo)熱、比熱容和樣氣的內(nèi)部摩擦對(duì)測(cè)量結(jié)果都不會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)，也避免了樣氣的腐蝕，使傳感器的抗腐蝕性能大大提高。

由于測(cè)量地點(diǎn)可能存在振動(dòng)，并由此造成測(cè)量誤差（噪聲），所以儀器額外增加了一個(gè)振動(dòng)傳感器10，該傳感器無氣體流通，其信號(hào)可用來測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。