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氧分析仪/氧气分析仪
简介

    氧分仪是一种工业在线过程分析仪表,不仅广泛应用于加热炉、化学反应容器、地井、工业制氮等场合中混合气体内氧气浓度的检测,还大量用于锅炉内水中溶解氧、污水处理装置外排水溶解氧的检测。

工作原理

    1、电化学氧分析仪
    相当一部分的可燃性的、有毒有害气体都有电化学活性,可以被电化学氧化或者还原。利用这些反应,可以分辨气体成份、检测气体浓度。电化学气体传感器分很多子类:
    (1) 原电池型气体传感器(也称:加伏尼电池型气体传感器,也有称燃料电池型气体传感器,也有称自发电池型气体传感器),原理行同我们用的干电池,只是,电池的碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例,氧在阴极被还原,电子通过电流表流到阳极,在那里铅金属被氧化。电流的大小与氧气的浓度直接相关。这种传感器可以有效地检测氧气、二氧化硫、氯气等。
    (2) 恒定电位电解池型气体传感器,这种传感器用于检测还原性气体非常有效,它的原理与原电池型传感器不一样,它的电化学反应是在电流强制下发生的,是一种真正的库仑分析的传感器。这种传感器已经成功地用于:一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体的检测之中,是目前有毒有害气体检测的主流传感器。
    (3) 浓差电池型气体传感器,具有电化学活性的气体在电化学电池的两侧,会自发形成浓差电动势,电动势的大小与气体的浓度有关,这种传感器的成功实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。
    (4) 极限电流型气体传感器,有一种测量氧气浓度的传感器利用电化池中的极限电流与载流子浓度相关的原理制备氧(气)浓度传感器,用于汽车的氧气检测,和钢水中氧浓度检测。
   
    2、顺磁式氧分析仪:
    根据氧气的体积磁化率比一般气体高得多,在磁场中具有极高的顺磁特性的原理制成的一种测量气体中含氧量的分析仪。
    顺磁式氧分析仪,也可叫做磁效应式氧分析仪、或磁式氧分析仪,我们通常通称为磁氧分析仪。它一般分为热磁对流式、压力机械式和磁压力式氧分析仪三种。
    物质的磁特性:任何物质在外界磁场的作用下都会被磁化,呈现出一定的磁特性。物质在外加磁场中被磁化,其本身就会产生一个附加磁场,附加磁场与外磁场方向相同时,该物质就被外磁场吸引;附加磁场与外磁场方向相反时,则被外磁场排斥。因此,我们通常会将被外磁场吸引的物质称为顺磁性物质,或者说该物质具有顺磁性;而把被磁场排斥的物质称为逆磁性物质,或者说该物质具有逆磁性。
    气体介质处于磁场中也会被磁化,我们根据气体组分对磁场的吸引和排斥的不同,也将气体分为顺磁性和逆磁性。顺磁性气体有:O2、NO、NO2等;逆磁性气体有:H2、N2、CO2、CH4等。
    磁性氧气传感器是磁性氧气分析仪的核心,但是目前也已经实现了“传感器化”进程。这种传感器只能用于氧气的检测,选择性极好。大气环境中只有氮氧化物能够产生微小的影响,但是由于这些干扰气体的含量往往很少,所以,磁氧分析技术的选择性几乎是唯一的!
    磁氧根据传感器类型,又分为磁力机械式,热磁式氧分析仪。
    与热磁式分析仪相比,磁力机械式氧分析仪有如下特点:
    (1) 它是对氧的顺磁性直接测量的分析仪,在测量中,不受被测气体导热性变化、密度变化等影响。
    (2) 在0-100% O2范围内线性刻度、测量精度较高,测量误差可低至±0.1% O2
    (3) 灵敏度高,除了用于常量的测量以外,还可用于微量氧(O2‰)的测量。
    注意事项:
    (1) 磁力机械式氧分析仪基于对磁化率的直接测量,像氧氮等一些强磁性气体会对测量带来严重干扰,所以应将这些干扰组分除掉。此外,一些较强逆磁性气体也会引起较大的测量误差。如氙气,若样品中含有较多的这类气体,也应予以清除或对测量结果采取修正措施。
    (2) 氧气的体积磁化率是压力、温度的函数,样气压力、温度的变化以及环境温度的变化,都会对测量结果带来影响。因此,必须稳定样气的压力,使其符合调校仪器时的压力值。环境温度和整个检修部件,均应工作在设计的温度范围内,一般来说,各种型号的磁力机械式氧分析仪均带有温度控制系统,以维持检测部件在恒温条件下工作。
    (3) 无论是短时间的剧烈振动,轻微的持续振动,都会削弱磁性材料的磁场强度,因此,该类仪器多将检测器等敏感部件安装在防振装置中。另外,仪器安装位置也应避开振源并采取适当的防振措施。另外,任何电气线路不允许穿过这些敏感部分,以防电磁干扰和振动干扰。

    3、氧化锆氧分析仪
    氧化锆氧量分析仪,又被称为氧化锆氧分析仪,氧化锆分析仪、氧化锆氧量计、氧化锆氧量表等。较多用于测量燃烧过程中烟气的含氧浓度,同样也适用于非燃烧气体氧浓度测量。
    其原理是在传感器内温度恒定的电化学电池(氧浓差电池,也简称锆头)产生一个毫伏电势,这个电势直接反应出烟气中含氧浓度值。
    氧传感器的关键部件是氧化锆,在氧化锆元件的内外两侧涂上多孔性铂电极制成氧浓度差电池。它位于传感器的顶端。为了使电池保持额定的工作温度,在传感器中设置了加热器。用氧分析仪内的温度控制器控制氧化锆温度恒定。
    氧化锆氧量分析仪的构成是由氧传感器(又称氧探头、氧检测器)、氧分析仪(又称变送器、变送单元、转换器、分析仪)以及它们之间的连接电缆等组成。
    氧化锆探头是利用氧化锆浓差电势来测定氧含量的传感器,其核心的氧化锆管安置在一微型电炉内,位于整个探头的顶端。氧化锆管是由氧化锆材料掺以一定量的氧化钇或氧化钙经高温烧结后形成的稳定的氧化锆陶瓷烧结体。由于它的立方晶格中含有氧离子空穴,因此在高温下它是良好的氧离子导体。因其这一特性,在一定高温下,当锆管两边的氧含量不同时,它便是一个典型的氧浓差电池,在此电池中,空气是参比气,它与烟气分别位于内外电极。在实际的氧探头中,空气流经外电极,烟气流经内电极,当烟气氧含量P小于空气氧含量P0(20.6% O2)时,空气中的氧分子从外电极上夺取4个电子形成2个氧离子,发生如下电极反应:

O(P0)+4e-→2O-2

氧离子在氧化锆管中迅速迁移到烟气边,在内电极上发生相反的电极反应:

2O-2 →O(P0)+4e-

由于氧浓差导致氧离子从空气边迁移到烟气边,因而产生的电势又导致氧离子从烟气边反向迁移到空气边,当这两种迁移达到平衡后,便在两电极间产生一个与氧浓差有关的电势信号E,该电势信号符合"能斯特"方程:

E=(RT/4F)Ln(P0 /P) (1)

    式中R、F分别是气体常数和法拉第常数,T是锆管绝对温度(K), P0是空气氧含量(20.6% O2), P 是烟气含量。
    由(1)式可见,在一定的高温条件下(一般600℃),一定的烟气氧含量便会有一对应的电势输出,在理想状态下,其电势值在高温区域内对应氧含量。
    在理想状态下,当被测烟气与参比气浓度一样时,其输出电势E值为 0 mV, 但在实际应用中,锆管实际条件和现场情况均不是理想状态。故事实上的锆管是偏离此值的。实际上,一定氧含量锆管输出的电势为理论值和本底电势的和,我们称为无浓差条件下锆管输出的电势值为本底电势或称为零位电势, 此值的大小又在不同温度下呈不同的值,并且随锆管使用期延长而变化。


    4、激光氧分析仪
    激光气体分析仪采用的是TDLAS光谱吸收技术,通过分析激光被气体的选择性吸收来获得气体的浓度。它与传统红外光谱吸收技术的不同之处在于,半导体激光光谱宽度远小于气体吸收谱线的展宽(测量范围更窄,更有针对性,自然抗干扰能力强)。因此,TDLAS技术是一种高分辨率的光谱吸收技术。相对于红外的气体分析仪,激光抗干扰性强很多,不受H2O和CO2的影响,测量更准确。
    激光分析仪比起传统的抽取式的分析仪有他本身自有的优势。首先,激光分析仪采用原位式安装,直接安装于工艺管道上,省去了采样探头、采样管线和预处理系统。其次,激光分析仪维护起来非常简便,降低了维护费用。最后,激光分析仪的响应时间最低可达1秒,为安全保护系统及时提供数据,可以胜任关键点的测量。值得一提的是,虽然激光分析仪有诸多优势,但其不能完全代替传统的分析仪表。在一些测量点上,比如磨煤机出口,煤粉仓等,由于含尘量非常大,激光的透光率会受到很大的影响,从而使得测量效果变差。这个时候只能采用传统抽取式分析仪来测量。

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