氧分析儀的種類及特點(diǎn)

郝繼運(yùn)

(莘縣華祥鹽化有限公司，山東 聊城 252429)

【分析與測試】

氧分析儀的種類及特點(diǎn)

郝繼運(yùn)*

(莘縣華祥鹽化有限公司，山東 聊城 252429)

氧分析儀；測量原理；種類；特點(diǎn)

介紹了幾類氧分析儀的工作原理，總結(jié)了各類氧分析儀的特點(diǎn)，綜合分析了介質(zhì)的組分、腐蝕性、測量范圍、定量還是定性監(jiān)測、防爆要求、是否連鎖控制、是否要安全認(rèn)證、在線分析還是取樣分析、重要程度等方面，提出在實(shí)際生產(chǎn)中要根據(jù)具體情況選擇合適的氧分析儀。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，氣體中氧含量的監(jiān)測越來越受到重視。如在鍋爐燃燒過程，通過監(jiān)測煙道中剩余氧氣含量，控制燃料與空氣的最佳比例，提高燃燒效率；在另外一些行業(yè)，氧的存在又是一種有害物質(zhì)，容易造成爆炸起火，人們又希望氧的含量越少越好。因此，如何根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的氧分析儀，及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測生產(chǎn)過程中的氧含量，保證安全生產(chǎn)，是一個(gè)值得關(guān)注的課題。

筆者結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，介紹幾種日常使用的氧分析儀種類及特點(diǎn)[1]，供大家參考。按照測量原理不同，氧分析儀一般可分為以下4類:磁氧分析儀、激光法氧分析儀、燃料電池法氧分析儀、氧化鋯法氧分析儀[2]。

1 磁氧分析儀

磁氧分析儀是基于氧的磁化率遠(yuǎn)大于其他氣體磁化率的現(xiàn)象來測量氣體中氧含量的物理式氣體分析儀，一般分為磁壓力式、磁機(jī)械式和熱磁式3種類型。

1.1磁壓力式

1.1.1 測量原理

筆者以西門子OXYMAT 6氧分析儀為例，說明氧分析儀的工作原理。氧分析儀正常工作時(shí)需要兩種氣體：①參比氣(N2、O2或者是空氣)；②樣氣。參比氣從雙通道進(jìn)入樣氣室中，其中一路參比氣在磁場區(qū)域內(nèi)與樣氣中的氧氣相遇，另一路需要參比氣不與氧氣相遇(或者僅僅遇到極少量氧氣)，這樣兩路參比氣的含氧量將不同。因?yàn)椴痪鶆虼艌龅拇嬖冢醴肿颖淮呕瑫?huì)朝著磁場增強(qiáng)的方向移動(dòng),氧氣分子明顯被吸引過去，密集地分布在兩個(gè)磁極周圍，形成氧壓力差，造成該通道阻力增大。部分樣氣就會(huì)通過微流量傳感器進(jìn)入另一側(cè)通道；微流量傳感器測得該氣流的大小，并將它轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)電信號；該信號大小正比于樣氣中的氧含量。

1.1.2 性能特點(diǎn)

(1)檢測元件跟樣氣不直接接觸，避免了樣氣對儀表的腐蝕，提高了儀表使用壽命。

(2)測量精度高、誤差可以達(dá)到量程的±0.1%。

(3)須用參比氣(參比氣的組分會(huì)影響測量精度)。

(4)樣氣的溫度、壓力、流量、雜質(zhì)等對測量結(jié)果影響很大，須采取恒溫措施、增加減壓閥、流量計(jì)、對樣氣進(jìn)行過濾和冷卻等預(yù)處理系統(tǒng)，成本增加， 維護(hù)量大。

(5)由于預(yù)處理系統(tǒng)的存在，測得的數(shù)據(jù)滯后，測量的穩(wěn)定性依賴于預(yù)處理系統(tǒng)的可靠性。

(6)主要應(yīng)用于常量氧的監(jiān)測。

(7)常采用生產(chǎn)過程中的連鎖控制。

1.2磁機(jī)械式

1.2.1 測量原理

筆者結(jié)合仕富梅OXY 1900測氧儀說明其工作原理。氧傳感器是一對充滿氮?dú)獾氖⒉Ａ♀徢颍粏♀徢驊覓煸诖艌鲋?球上纏有鉑絲，形成電反饋回路)，正中裝有一個(gè)小反射鏡。儀器內(nèi)置的光源發(fā)射光束，經(jīng)反射鏡反射后被光敏組件制成的光檢測器接收。當(dāng)啞鈴球周圍存在氧氣分子時(shí)，在磁場作用下，氧氣分子發(fā)生遷移，推動(dòng)啞鈴球體發(fā)生偏轉(zhuǎn)(氧濃度越高，偏轉(zhuǎn)角度越大)；這一偏轉(zhuǎn)將帶動(dòng)反射鏡，使射向光檢測器的光路也發(fā)生偏轉(zhuǎn)；光檢測器將會(huì)測出這一偏轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生電信號；此信號與氧含量成正比，通過測量該電流值即可得到樣氣中的氧含量。

1.2.2 性能特點(diǎn)

(1)線性度好、測量精度高、誤差可以達(dá)到量程的±0.1%。

(2)不需要參比氣，杜絕了參比氣引起的測量誤差。

(3)樣氣的溫度、壓力、流量、雜質(zhì)等對測量結(jié)果影響很大，須采取恒溫措施、增加減壓閥、流量計(jì)、對樣氣進(jìn)行過濾和冷卻等預(yù)處理系統(tǒng)，成本增加，維護(hù)量增大。

(4)檢測元件直接跟樣氣接觸，一旦預(yù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)故障，污染了啞鈴球，更換費(fèi)用昂貴。

(5)由于預(yù)處理系統(tǒng)的存在，測得的數(shù)據(jù)滯后(測量的穩(wěn)定性依賴于預(yù)處理系統(tǒng)的可靠性)。

(6)根據(jù)磁機(jī)械式分析儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，安裝時(shí)須保證儀器水平放置，避免振動(dòng)，防止振動(dòng)干擾。

(7)主要用于常量氧的監(jiān)測。

(8)常采用生產(chǎn)過程中的連鎖控制。

1.3熱磁式

1.3.1 測量原理

熱磁式氧分析儀是利用氣體磁化率變化所引起的熱磁對流或磁風(fēng)來測量含氧量的。氧氣在不均勻磁場中受到吸引而流向磁場較強(qiáng)處。如果在該處設(shè)加熱絲，使此處氧的溫度升高而磁化率下降，磁場吸引力減小，受后面磁化率較高的未被加熱的氧氣分子推擠而排出磁場，由此造成“熱磁對流”或“磁風(fēng)”。通過測量磁風(fēng)大小就可測得氧含量。

1.3.2 性能特點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)比較簡單，測量迅速。

(2)樣氣的流量、壓力、溫度等參數(shù)變化時(shí)，或樣氣中存在傳熱性比較好的氣體時(shí)，測量誤差大，精度低。

(3)一般用于常量氧的測量。

2 激光式

2.1測量原理

利用激光束穿過被測氣體且其能量被選頻吸收形成光譜的原理來測量氣體濃度的一種光譜分析方法。半導(dǎo)體激光器發(fā)射的特定波長的激光束穿過被測氣體時(shí)，被測氣體對激光束進(jìn)行吸收，導(dǎo)致激光強(qiáng)度衰減(激光強(qiáng)度的衰減與被測氣體的濃度成正比)。通過測量激光強(qiáng)度衰減情況，從而測得被測氣體的濃度。

2.2性能特點(diǎn)

(1)直接安裝，無須采樣，也無需樣氣處理系統(tǒng)，具有測量準(zhǔn)確、響應(yīng)快速、維護(hù)量小、操作簡單等特點(diǎn)。

(2)不須頻繁校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過程不需要停止生產(chǎn)，不需要標(biāo)準(zhǔn)氣體，方便快捷。

(3)介質(zhì)的壓力、流量、溫度對測量結(jié)果的影響，可通過內(nèi)置的補(bǔ)償措施得以消除，不增加硬件設(shè)備，方法簡單。

(4)激光束穿過區(qū)域內(nèi)的氣體均參與分析，比傳統(tǒng)采樣分析方法更能反映待測成分的真正濃度。

(5)通過對激光的調(diào)制，可以完全避免其他組分的交叉干擾，也可避免粉塵和水的存在對測量結(jié)果的影響。同一種設(shè)備可以監(jiān)測不同氣體的濃度，互換性好，節(jié)省成本。

(6)雖然激光分析儀有諸多優(yōu)勢，但在含塵量非常大的場合，激光的透光率會(huì)受到很大的影響，使得監(jiān)測效果變差。

(7)因?yàn)槲磳託膺M(jìn)行處理，須考慮介質(zhì)對設(shè)備材質(zhì)的腐蝕問題。

(8)主要用于常量氧和微量氧的監(jiān)測。

(9)常用生產(chǎn)過程中的連鎖控制。

3 燃料池式

3.1測量原理

基于電化學(xué)原理，利用氧在電池電極上發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電流的方法進(jìn)行測定。燃料池氧傳感器是由高活性的氧電極和鉛電極構(gòu)成，浸沒在KOH溶液中。樣氣中的O2通過高分子薄膜擴(kuò)散到陰極，O2得到電子，被還原成OH-，通過電解質(zhì)溶液到達(dá)陽極，被氧化而失去電子，生成氧分子。電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的電流決定于擴(kuò)散到氧電極的氧分子數(shù)，而氧的擴(kuò)散速率又正比于樣氣中的氧含量。該電流信號大小與樣氣中的氧含量相關(guān)，而與通過傳感器的氣體總量無關(guān)。

3.2性能特點(diǎn)

(1)精度高，分辨率可達(dá)量程的0.01%，特別適合于微量氧的監(jiān)測。

(2)溶液與外界有1層高分子薄膜隔開，樣氣不直接進(jìn)入傳感器，免去了樣氣處理系統(tǒng)。

(3)非常適于便攜使用。

(4)燃料電池為消耗型檢測器，其壽命決定于流經(jīng)傳感器的氧累積總量。陽極在測量中不斷反應(yīng)消耗，一旦耗盡，燃料電池即失效，須更換。

(5)當(dāng)電解質(zhì)為堿性時(shí)，不適用于酸性氣體監(jiān)測；當(dāng)電解質(zhì)為酸性時(shí)，不適用于堿性氣體監(jiān)測。

4 氧化鋯式

4.1測量原理

該方法是基于濃差電池法來測量氧含量的。氧化鋯材料摻以一定量的氧化釔或氧化鈣，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后形成穩(wěn)定的氧化鋯燒結(jié)體，它的立方晶格中含有氧離子空穴，在高溫下，它是良好的氧離子導(dǎo)體，呈現(xiàn)離子導(dǎo)電現(xiàn)象(利用氧化鋯的這一性質(zhì)，可以做成氧化鋯測氧儀)；在高溫下，氧分子在鉑電極的催化作用下，在富氧側(cè)發(fā)生還原反應(yīng)，得到的電子變成氧離子。鉑電極因?yàn)槭ル娮佣赎栃浴Ｑ蹼x子狀態(tài)進(jìn)入氧化鋯空穴，通過氧化鋯電解質(zhì)，在另一側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng)，氧離子失去電子變成氧分子析出。該側(cè)鉑電極因得到電子而呈陰性。這樣，在兩個(gè)電極上，由于正負(fù)電荷的堆積而形成一個(gè)電勢，稱之為氧濃差電動(dòng)勢。

當(dāng)用導(dǎo)線將兩個(gè)電極連成電路時(shí)，負(fù)極上的電子就會(huì)通過外電路流到正極，電路中就有電流通過，通過檢測該電流大小就可測得含氧量。

4.2性能特點(diǎn)

(1)氧化鋯測氧分析儀的性能特點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)時(shí)間短 (0.1～0.2 s)，測量范圍寬(10-6～10-2)，使用溫度高(600～1 200 ℃)，運(yùn)行可靠，安裝方便，維護(hù)量小等。

(2)由于必須在較高溫度下電子才能在氧化鋯材料中遷移，因此儀器內(nèi)部必須配備加熱爐，對氧化鋯管進(jìn)行加熱。

(3)氧化鋯法在測量氧濃度時(shí)會(huì)受到待測氣體中還原性氣體的影響，從而導(dǎo)致測量結(jié)果偏低，因此不適用于測量還原性氣體或還原性氣體含量較高的氣體樣品中的氧濃度。

(4)當(dāng)待測氣體中氧濃度高于空氣中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)20.6%時(shí)，須使用濃度更高的氣體作為參比氣，以保證濃差電勢為正。

(5)氧化鋯屬于陶瓷燒結(jié)體，安裝時(shí)避免大的機(jī)械振動(dòng)。

(6)主要用于常量氧的檢測，多用于燃燒領(lǐng)域。

5 結(jié)語

根據(jù)以上幾種氧分析儀的特點(diǎn)，氯堿企業(yè)應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)過程實(shí)際情況選擇最適宜的分析儀。

[1] 范玉久.化工測量與儀表[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：305 -309.

[2] 各種氧分析儀原理及應(yīng)用[M/OL].2014[2014-12-17]https://wenku.baidu.com/view/c058c2be240c844769eaeeae.html.

[編輯：費(fèi)紅麗]

Typesandcharacteristicsofoxygenanalyzer

HAOJiyun

(Shenxian Huaxiang Salt Chemicals Co.,Ltd.,Liaocheng 252429,China)

oxygen analyzer; measuring principle; type; characteristic

The working principles of several kinds of oxygen analyzer are introduced,and their characteristics are summarized. The medium composition,corrosion resistance,measurement range,quantitative or qualitative monitoring,explosion-proof requirements,whether interlock control or not,whether needing secure certification or not,online analysis or sampling analysis,important degree，etc.,are analyzed comprehensively. The suitable oxygen analyzer should be chosen according to the actual production situations.

TQ014

B

1008-133X(2017)07-0038-03

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郝繼運(yùn)(1969—)，男，高級工程師，1992年畢業(yè)于山東紡織工學(xué)院(現(xiàn)青島大學(xué))，2005年進(jìn)入莘縣華祥鹽化有限公司從事電氣、儀表技術(shù)管理工作，多次參加公司改擴(kuò)建項(xiàng)目建設(shè)。

2017-02-08