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，在磁場中具有的順磁特性的原理制成的一種測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。它一般分為磁機械式、磁壓力式和氧熱磁對流式分析儀三種。

任何物質(zhì)，在外界磁場的作用下，都會被磁化，呈現(xiàn)出一定的磁特性。物質(zhì)在外磁場中被磁化，其本身會產(chǎn)生一個附加磁場，附加磁場與外磁場方向相同，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)處于磁場也會被磁化，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)，在外界磁場的作用下，都會被磁化，不同物質(zhì)受磁化的程度不同，可以用磁化強度M來表示：

M＝kH

式中M——磁化強度;

H——外磁場強度;

K——物質(zhì)的體積磁化率；

K的物理意義是指在單位磁場作用下，單位體積的物質(zhì)的磁化強度。磁化率為正(k＞0)稱為順磁性物質(zhì)，它們在外磁場中被吸引；k＜0則稱為逆磁性物質(zhì)，它在外磁場中被排斥；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

化學符號

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，在磁場中具有的順磁特性的原理制成的一種測量氣體中含氧量的分析儀器。

磁力機械式氣體分析儀的工作原理

在一個封閉的氣室中，裝有兩對不均勻的磁極，它們的磁場強度梯度正好相反。兩個空心球（俗稱啞鈴）置于兩對磁極的間隙中，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到而不能上下移動。在啞鈴與金屬帶交點處裝一平面反射鏡。被測樣氣由入口進入氣室后，它就充滿了氣室。兩個空心球被樣氣所包圍，被測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。如果啞鈴了的兩個空心球體積相同，體積磁化值相等，兩個球體受到的力大小相等、方向相反，對于中心支撐點金屬帶而言，它受到的是一個力偶的作用，這個力偶促使啞鈴以金屬帶為軸心偏轉，在啞鈴做角位移的同時，金屬帶會產(chǎn)生一個抵抗啞鈴偏轉的復位力矩，與轉動力矩相平衡，被測樣氣中的氧含量不同，旋轉力矩和恢復力矩的平衡位置不同，也就是啞鈴的偏轉角度不同，這樣，啞鈴偏轉角度的大小，就反映了被測氣體中氧含量的多少。

磁力機械式氧分析儀測量部件示意圖

對啞鈴球偏轉角度的測量，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光電元件（如硅光電池、硒光電池）上。在被測樣氣不含氧時，空心球處于磁場的中間位置，此時，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，兩個光電元件接收的光能相等。一般兩個光電采用差動方式連接，因此，光電組件輸出為零，儀器最終輸出也為零。

當被測樣氣中有氧存在時，氧分子受磁場吸引，沿磁場強度梯度方向形成氧分壓差，其大小隨氧含量不同而異，該壓力差驅動空心球移出磁場中心位置，于是，啞鈴球偏轉了一個角度，反射鏡隨之偏轉，反射出的光束也隨之偏移，這時，兩個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輸出。被測氣體中氧含量越高，光電組件輸出信號越大。該信號經(jīng)反饋放大器放大作為儀器檢測輸出。

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，對啞鈴產(chǎn)生一個附加復位力矩，從而使啞鈴的偏轉角度大大減小

磁力機械式氧分析儀光學測量系統(tǒng)原理圖

磁力機械式氧分析儀的主要特點和使用注意事項

1、主要特點：

與熱磁式分析儀相比，磁力機械式氧分析儀有如下特點：

①它是對氧的順磁性直接測量的分析儀，在測量中，不受被測氣體導熱性變化、密度變化等影響。

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

③靈敏度高，除了用于常量的測量以外，還可用于微量氧（O2‰）的測量。

2、注意事項：

①磁力機械式氧分析儀基于對磁化率的直接測量，像氧氮等一些強磁性氣體會對測量帶來嚴重干擾，所以應將這些干擾組分除掉。此外，一些較強逆磁性氣體也會引起較大的測量誤差。如氙氣，若樣品中含有較多的這類氣體，也應予以清除或對測量結果采取修正措施。

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，都會對測量結果帶來影響。因此，必須穩(wěn)定樣氣的壓力，使其符合調(diào)校儀器時的壓力值。環(huán)境溫度和整個檢修部件，均應工作在設計的溫度范圍內(nèi)，一般來說，各種型號的磁力機械式氧分析儀均帶有溫度控制系統(tǒng)，以維持檢測部件在恒溫條件下工作。

③無論是短時間的劇烈振動，輕微的持續(xù)振動，都會削弱磁性材料的磁場強度，因此，該類儀器多將檢測器等敏感部件安裝在防振裝置中。當然，儀器安裝位置也應避開振源并采取適當?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干擾。

磁力機械式氧分析儀的檢修

檢修內(nèi)容：

①更換光源；

②更換檢測器；

③檢查儀表的氣密性。

④檢查儀表的絕緣電阻；

⑤測量交流紋波電壓；

⑥測試計算反饋增益；

調(diào)零方法

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

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

磁壓力式氧分析儀

測量原理：

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

請看下面的公式：

ΔP=1/2U0H2k

ΔP……壓差；

U0……真空磁導率；

H……磁場強度；

k……被測氣體的體積磁化率；

由上式中可以看出，壓差△p與磁場強度H的平方及被測氣體的體積磁化率k的差值也同樣存在正比關系：

ΔP=1/2U0H2(km-kr)

km……被測氣體的體積磁化率；

kr……參比氣體的體積磁化率；

由上式中可以知道，當分析室結構和參比氣體確定后，U0、H、kr均為已知量，km與ΔP有著嚴格的線性關系。因此可以得出：

K m≈k1c1

k1……被測混合氣體中氧的體積磁化率；

c1……被測混合氣體中氧的體積分數(shù)；

上面兩式合并，得出下式：

ΔP=1/2U0H2(k1c1-kr)

這樣，被測氣體氧的體積分數(shù)c1與壓差△p有線性關系。這就是磁壓分析儀的測量原理。在磁壓力式氧分析儀中，測量室中被測氣體的壓力變化量被傳遞到磁場外部的檢測器中，轉換為電信號。目前使用的檢測器主要有薄膜電容檢測器和微流量檢測器兩種。為了便于信號的檢測和調(diào)制放大，采用一定頻率的通斷電流，對磁鐵線圈反復激勵，使之產(chǎn)生交替變化的磁場，則檢測器測得的信號就變成了交流波動信號了。

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量O2濃度的。在不均勻磁場中，氧分子由于其順磁性，會朝磁場增強方向移動。當不同氧氣濃度的二種氣體在同一磁場相遇時，他們之間就會產(chǎn)生一個壓力差。

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

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

當電磁鐵8通電勵磁時，在其周圍形成一個磁場，樣氣中的氧分子被吸引，朝磁場強度較大的右側運動，產(chǎn)生一定的氣阻，并推動參比氣右3逆時針流動，通過微流傳感器4，并產(chǎn)生輸出信號。

當電磁鐵8斷電去磁時，磁場消失，右3參比通道氣阻消失，氣路通，參比氣順時針流動，反向經(jīng)4流向測量室，輸出信號恢復。

采用一定頻率的通斷電流，對電磁鐵反復勵磁和消磁，便可以在測量橋路中得到交流波動信號。信號強度與樣氣中氧含量成正比。

還可以這樣理解：受交替變化的磁場影響，A、B兩點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，參比氣反復流過傳感器，便在測量電橋中產(chǎn)生交流波動信號，信號強度與參比氣壓力變化量成正比。而這個壓力變化量，又與通道阻力大小成正比，通道阻力大小又與磁場強度強弱成正比，磁場強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，所以樣氣的導熱、比熱容和樣氣的內(nèi)部摩擦對測量結果都不會產(chǎn)生影響。同時，也避免了樣氣的腐蝕，使傳感器的抗腐蝕性能大大提高。

由于測量地點可能存在振動，并由此造成測量誤差（噪聲），所以儀器額外增加了一個振動傳感器10，該傳感器無氣體流通，其信號可用來測量結果進行補償。