連續(xù)順磁氧氣測(cè)量解決方案

文/Michael Kamphus 博士

在氧氣生產(chǎn)及其后續(xù)使用期間，必須監(jiān)控流路狀況，才能確保氣體最佳質(zhì)量。本文討論了使用連續(xù)順磁氧氣測(cè)量賦予流程工業(yè)的優(yōu)勢(shì)。

在許多行業(yè)中，氧氣都是重要的過程氣體。在食品工業(yè)中，二氧化碳或氮?dú)庾畛Ｓ米魇称钒b中的保護(hù)氣體。但是，在肉類和香腸包裝中，氧氣含量卻高達(dá)80%，以確保肉類保持代表新鮮的粉紅色。在金屬工業(yè)中，氧氣與乙炔等燃?xì)饨Y(jié)合，用于焊接、切割或熔化金屬。在鋼鐵廠中，氧氣被用于提高燃燒溫度；在醫(yī)療領(lǐng)域，氧氣被用于輔助呼吸等其他用途。

由于氧氣有如此廣泛的用途，對(duì)氧氣的需求也相應(yīng)較高——2021 年，德國(guó)有57 臺(tái)工業(yè)空氣分離器生產(chǎn)了約60 億m3的氧氣。如圖1 所示，空氣分離器利用膜分離法或低溫林德－漢普遜循環(huán)從周圍空氣中提取氧氣。林德－漢普遜循環(huán)首先將空氣液化，然后將其分離成氧氣、氮?dú)夂推渌栊詺怏w。為了保證生產(chǎn)的氣體的質(zhì)量，至關(guān)重要的是需要對(duì)液體精餾分離過程進(jìn)行計(jì)量控制和監(jiān)測(cè)。如果精餾分離過程用時(shí)過短，氧氣中的雜質(zhì)（例如氮?dú)饣蚨趸迹┖靠赡軙?huì)增大。水分、碳?xì)浠衔铩⒊粞鹾土蚧蚵鹊雀g性成分也可能進(jìn)入氧氣中。

圖1 僅在德國(guó)就有大約1 000 萬個(gè)壓縮氣瓶在流通

1 過程控制，確保優(yōu)質(zhì)

為了獲得優(yōu)質(zhì)氣體，必須連續(xù)在線監(jiān)控生產(chǎn)過程。例如，甚至在開始精餾之前就可以測(cè)量純度，并采用初步清洗優(yōu)化將氣體污染降至最低。純度為99.95%（3.5 級(jí)）意味著氣體中含有500 ppm 的雜質(zhì)。對(duì)于6.0 級(jí)高純度氧氣（＞99.9999%純度，例如用作化學(xué)過程中的氧化劑或儀器分析中的工作氣體），雜質(zhì)含量要求不高于10 ppm，因此其純度難以分析。為此，通常使用高度靈敏的非分散紅外吸收法，來檢測(cè)一氧化碳和二氧化碳等污染物。

數(shù)十年來，在固定污染源和無組織排放的應(yīng)用中，國(guó)際社會(huì)廣泛認(rèn)可HORIBA 對(duì)空氣質(zhì)量和廢氣排放的測(cè)量方法。HORIBA 提供緊湊型測(cè)量設(shè)備產(chǎn)品，使用兩種不同的順磁測(cè)量方法（使用或不使用參比氣體）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)和高精度測(cè)量，用于氧氣的生產(chǎn)過程管理和品質(zhì)監(jiān)控。由于HORIBA 設(shè)備能快速響應(yīng)，因此過程稍有異常，就會(huì)立即反映。終端用戶例如食品生產(chǎn)商、工業(yè)公司和醫(yī)用氣體供應(yīng)商，可以測(cè)試其購(gòu)入的氣體純度。

2 順磁測(cè)量的工作原理

氧氣分析設(shè)備使用的測(cè)量原理基于氧氣的特殊性質(zhì)：氧氣具有順磁性，即它會(huì)受到磁體的磁極吸引或排斥。利用這種效應(yīng)，可以定量測(cè)量氧氣，并且可以輕易區(qū)分氧氣與其他氣體。

在使用“啞鈴”法的順磁測(cè)量中，將兩個(gè)充氮玻璃球放置在磁場(chǎng)中并相互連接，類似于啞鈴，如圖2 所示。當(dāng)氧氣流過周圍的測(cè)量單元時(shí)，它會(huì)受到磁場(chǎng)吸引，玻璃球會(huì)從磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)。啞鈴旋轉(zhuǎn)軸上的反射鏡將光束反射到光電管上，光電管激活反饋電流，使啞鈴返回到其起始位置。所需的電流與氧氣濃度成正比：氧氣濃度越高，使啞鈴返回起始位置所需的力和電流越大。HORIBA VA-5006R 中使用的順磁啞鈴法不需要參比氣體，適合標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量，足以滿足氧氣生產(chǎn)或技術(shù)應(yīng)用的需求。

圖2 順磁測(cè)量法與磁壓法的比較

3 醫(yī)用氧氣的高精度測(cè)量

HORIBA 中使用的磁壓法適用于高精度純度測(cè)量。在測(cè)量中，氧氣流入VA-5003R 上的測(cè)量單元，可在測(cè)量單元中激活磁場(chǎng)。磁場(chǎng)激活時(shí)會(huì)將氧氣流推向充滿參比氣體的檢測(cè)器。氧氣含量越高，檢測(cè)器內(nèi)膜的偏轉(zhuǎn)越大。VA-5003RH 不是產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，而是產(chǎn)生兩個(gè)交替激活的磁場(chǎng)，從而獲得更高的精度。借助雙磁場(chǎng)，測(cè)量設(shè)備的重復(fù)性達(dá)到0.005%。這使得測(cè)量設(shè)備能夠監(jiān)測(cè)99.995%的氧氣純度；相當(dāng)于4.5 級(jí)，甚至超過了《歐洲藥典》的規(guī)格（規(guī)格要求醫(yī)療應(yīng)用的氧氣純度至少為99.5%）。

《歐洲藥典》收集了關(guān)于藥品及其生產(chǎn)中使用的物質(zhì)的質(zhì)量、測(cè)試、儲(chǔ)存、分配和標(biāo)簽的公認(rèn)藥品法規(guī)，由德國(guó)聯(lián)邦藥品與醫(yī)療器械管理局、德國(guó)保羅· 埃爾利希研究所以及德國(guó)聯(lián)邦消費(fèi)者保護(hù)和食品安全辦公室共同出版。《歐洲藥典》還規(guī)定了測(cè)量方法：用于測(cè)試氧氣純度的設(shè)備必須基于順磁測(cè)量原理，正是HORIBA 設(shè)備采用的方法。

4 啞鈴法還是磁壓法？

磁壓法可用來測(cè)量氧氣濃度的細(xì)微變化，即使在絕對(duì)濃度非常高的情況下也可以實(shí)現(xiàn)。磁壓法采用高純氧氣作為參比氣體；流量為12 mL/min，消耗量非常低。磁壓法除了測(cè)量精度更高之外，比順磁“啞鈴”法更大的優(yōu)勢(shì)在于被測(cè)氣體不會(huì)與檢測(cè)器接觸。而在啞鈴法中，被測(cè)氣體直接流過反射鏡和玻璃球。隨著時(shí)間的推移，殘留物可能會(huì)輕微影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

氧氣雜質(zhì)的測(cè)量意味著必須在高濃度水平上測(cè)量非常小的濃度變化。因此，溫度和壓力的變化對(duì)測(cè)量精度的影響起著非常重要的作用。只有對(duì)這些影響進(jìn)行精確的補(bǔ)償，才能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。

最終，氧氣測(cè)量方法的選擇取決于多種因素。然而，無論您選擇啞鈴法還是磁壓法，HORIBA 的VA-5000模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品組合均可以滿足您的分析測(cè)試需求。

為了快速反映過程變化，HORIBA測(cè)量設(shè)備提供連續(xù)分析，可以每天24 h 監(jiān)控生產(chǎn)過程，并在30 s 內(nèi)檢測(cè)測(cè)量值的變化。借助以太網(wǎng)/Modbus，48.26 cm（19 英寸）機(jī)架中的緊湊型設(shè)備可以集成到現(xiàn)有的分析系統(tǒng)中。此外，設(shè)備還提供八通道模擬輸出。軟件確保定期自動(dòng)校準(zhǔn)。

第一款順磁氧傳感器于20 世紀(jì)30年代在德國(guó)上市。盡管技術(shù)不斷優(yōu)化，但測(cè)量原理不變。除了細(xì)微的技術(shù)優(yōu)化之外，數(shù)字維護(hù)概念中的設(shè)備功能和集成會(huì)在不久的將來發(fā)揮更重要的作用。