抽取式氧气测量技术.pdf

附 录 A抽取式氧气测量技术 B.1 基于顺磁法、氧化锆法和电化学电池法的测量原理 2 B.1.1 顺磁法 (O ) 氧是强顺磁性的， 能被外磁场吸引。 除了少数几种物质， 其它所有气体都是弱顺磁性或 逆磁性。利用该特性，可以生产专用于氧气的分析仪。 本标准以三种基本检测技术为例： a）哑铃式分析仪（参见参考文献 [7] ） 一个元件，通常是一个扭力天平，形成一个带有抗磁性玻璃球的哑铃，悬浮在一个强且 不均匀的磁场中。 哑铃球被推离磁场最强的部分。 当哑铃周围的气体含有氧气时， 由于顺磁 氧引起的磁场变化，球体被推离磁场更远。 该系统最初是在不含样品气体的情况下建立的， 这样光线就会从反射镜反射到光电池上。 在反馈回路中， 电流通过环绕哑铃的铂丝传递， 产生电磁复位力矩。 该复位力矩使镜面位置 复位，因此光电池将再次检测到反射光。氧气存在时所需的复位量 (通过导线的电流 )与氧气 浓度有关。 典型的哑铃式分析仪的结构示意图如图 B.1所示。 1 反馈线圈 5 反馈电路 2 哑铃 6 灯 3 反射镜 7 光电池 (检测器 ) 4 测量室 a 样品气进口 b 样品气出口 图B.1 - 顺磁法示意图 (哑铃式 ) b）磁风式分析仪 第二种技术使用顺磁效应的温度系数。 顺磁系数与绝对温度成反比。 如果将强磁场与温 度梯度相结合，则会产生氧气流。流量（磁风）是氧气浓度的函数，可以可通过诸如热导率 技术进行测量。 磁风型分析仪典型结构示意图如图 B.2所示。 1 加热丝 2 磁铁 3 磁风 4 电阻 5 桥接电流 图B.2 顺磁法示意图（磁风型） c）磁气动式分析仪 第三种技术利用强磁场穿过管道。 如果氧气处于不均匀磁场中， 因其顺磁性， 则会被吸 引到磁场较强的位置，从而使此处压力增加。此时的压力增加通过载气（ N2 ）从磁场中带 出，并通过薄膜电容 /麦克风检测器进行检测。 磁气动式分析仪的典型结构示意图如图 B.3所示。 1 检测器 2 电磁铁 a 样品气 b 载气 c 排气口 图 B.3 顺磁法示意图（磁气动式） B.1.2 氧化锆法 (O2 ) 氧化锆法使用一种经氧化钇稳定后的氧化锆电池（多孔的铂电极覆盖于其内外表面）测 量气体中的过量氧气。当电池被加热到 600 ℃以上的高温，可允许氧离子渗透进入，其晶格 层的空位允许氧离子移动，使电池变成一个氧离子导电的固体电解质。 电池的两个铂电极为氧分子和氧离子互相转化提供了一个催化表面，电池中，高浓度参 比气体的一侧氧分子获得电子变成氧离子进入到电解质中。 同时，在另一个电极， 氧离子失 去电子变成氧分子从电极表面释放。 当电池两测的氧离子浓度不同时，氧离子就会从高浓度一侧迁移至低浓度一侧，这种离 子流动造成电子不平衡， 导致电极间产生电势差， 电势差是电池的温度和电池两测氧气分压 比值的函数。 输出电压是温度和样品气体与参比气体中氧气浓度的函数，根据能斯