郝继运

(莘县华祥盐化有限公司，山东 聊城 252429)

【分析与测试】

氧分析仪的种类及特点

郝继运*

(莘县华祥盐化有限公司，山东 聊城 252429)

氧分析仪；测量原理；种类；特点

介绍了几类氧分析仪的工作原理，总结了各类氧分析仪的特点，综合分析了介质的组分、腐蚀性、测量范围、定量还是定性监测、防爆要求、是否连锁控制、是否要安全认证、在线分析还是取样分析、重要程度等方面，提出在实际生产中要根据具体情况选择合适的氧分析仪。

在实际生产过程中，气体中氧含量的监测越来越受到重视。如在锅炉燃烧过程，通过监测烟道中剩余氧气含量，控制燃料与空气的最佳比例，提高燃烧效率；在另外一些行业，氧的存在又是一种有害物质，容易造成爆炸起火，人们又希望氧的含量越少越好。因此，如何根据实际需要，选择合适的氧分析仪，及时、准确监测生产过程中的氧含量，保证安全生产，是一个值得关注的课题。

笔者结合实际生产，介绍几种日常使用的氧分析仪种类及特点[1]，供大家参考。按照测量原理不同，氧分析仪一般可分为以下4类:磁氧分析仪、激光法氧分析仪、燃料电池法氧分析仪、氧化锆法氧分析仪[2]。

1 磁氧分析仪

磁氧分析仪是基于氧的磁化率远大于其他气体磁化率的现象来测量气体中氧含量的物理式气体分析仪，一般分为磁压力式、磁机械式和热磁式3种类型。

1.1磁压力式

1.1.1 测量原理

笔者以西门子OXYMAT 6氧分析仪为例，说明氧分析仪的工作原理。氧分析仪正常工作时需要两种气体：①参比气(N2、O2或者是空气)；②样气。参比气从双通道进入样气室中，其中一路参比气在磁场区域内与样气中的氧气相遇，另一路需要参比气不与氧气相遇(或者仅仅遇到极少量氧气)，这样两路参比气的含氧量将不同。因为不均匀磁场的存在，氧分子被磁化，会朝着磁场增强的方向移动,氧气分子明显被吸引过去，密集地分布在两个磁极周围，形成氧压力差，造成该通道阻力增大。部分样气就会通过微流量传感器进入另一侧通道；微流量传感器测得该气流的大小，并将它转变为一个电信号；该信号大小正比于样气中的氧含量。

1.1.2 性能特点

(1)检测元件跟样气不直接接触，避免了样气对仪表的腐蚀，提高了仪表使用寿命。

(2)测量精度高、误差可以达到量程的±0.1%。

(3)须用参比气(参比气的组分会影响测量精度)。

(4)样气的温度、压力、流量、杂质等对测量结果影响很大，须采取恒温措施、增加减压阀、流量计、对样气进行过滤和冷却等预处理系统，成本增加， 维护量大。

(5)由于预处理系统的存在，测得的数据滞后，测量的稳定性依赖于预处理系统的可靠性。

(6)主要应用于常量氧的监测。

(7)常采用生产过程中的连锁控制。

1.2磁机械式

1.2.1 测量原理

笔者结合仕富梅OXY 1900测氧仪说明其工作原理。氧传感器是一对充满氮气的石英玻璃哑铃球；哑铃球悬挂在磁场中(球上缠有铂丝，形成电反馈回路)，正中装有一个小反射镜。仪器内置的光源发射光束，经反射镜反射后被光敏组件制成的光检测器接收。当哑铃球周围存在氧气分子时，在磁场作用下，氧气分子发生迁移，推动哑铃球体发生偏转(氧浓度越高，偏转角度越大)；这一偏转将带动反射镜，使射向光检测器的光路也发生偏转；光检测器将会测出这一偏转，并产生电信号；此信号与氧含量成正比，通过测量该电流值即可得到样气中的氧含量。

1.2.2 性能特点

(1)线性度好、测量精度高、误差可以达到量程的±0.1%。

(2)不需要参比气，杜绝了参比气引起的测量误差。

(3)样气的温度、压力、流量、杂质等对测量结果影响很大，须采取恒温措施、增加减压阀、流量计、对样气进行过滤和冷却等预处理系统，成本增加，维护量增大。

(4)检测元件直接跟样气接触，一旦预处理系统出现故障，污染了哑铃球，更换费用昂贵。

(5)由于预处理系统的存在，测得的数据滞后(测量的稳定性依赖于预处理系统的可靠性)。

(6)根据磁机械式分析仪的结构特点，安装时须保证仪器水平放置，避免振动，防止振动干扰。

(7)主要用于常量氧的监测。

(8)常采用生产过程中的连锁控制。

1.3热磁式

1.3.1 测量原理

热磁式氧分析仪是利用气体磁化率变化所引起的热磁对流或磁风来测量含氧量的。氧气在不均匀磁场中受到吸引而流向磁场较强处。如果在该处设加热丝，使此处氧的温度升高而磁化率下降，磁场吸引力减小，受后面磁化率较高的未被加热的氧气分子推挤而排出磁场，由此造成“热磁对流”或“磁风”。通过测量磁风大小就可测得氧含量。

1.3.2 性能特点

(1)结构比较简单，测量迅速。

(2)样气的流量、压力、温度等参数变化时，或样气中存在传热性比较好的气体时，测量误差大，精度低。

(3)一般用于常量氧的测量。

2 激光式

2.1测量原理

利用激光束穿过被测气体且其能量被选频吸收形成光谱的原理来测量气体浓度的一种光谱分析方法。半导体激光器发射的特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收，导致激光强度衰减(激光强度的衰减与被测气体的浓度成正比)。通过测量激光强度衰减情况，从而测得被测气体的浓度。

2.2性能特点

(1)直接安装，无须采样，也无需样气处理系统，具有测量准确、响应快速、维护量小、操作简单等特点。

(2)不须频繁校准，校准过程不需要停止生产，不需要标准气体，方便快捷。

(3)介质的压力、流量、温度对测量结果的影响，可通过内置的补偿措施得以消除，不增加硬件设备，方法简单。

(4)激光束穿过区域内的气体均参与分析，比传统采样分析方法更能反映待测成分的真正浓度。

(5)通过对激光的调制，可以完全避免其他组分的交叉干扰，也可避免粉尘和水的存在对测量结果的影响。同一种设备可以监测不同气体的浓度，互换性好，节省成本。

(6)虽然激光分析仪有诸多优势，但在含尘量非常大的场合，激光的透光率会受到很大的影响，使得监测效果变差。

(7)因为未对样气进行处理，须考虑介质对设备材质的腐蚀问题。

(8)主要用于常量氧和微量氧的监测。

(9)常用生产过程中的连锁控制。

3 燃料池式

3.1测量原理

基于电化学原理，利用氧在电池电极上发生反应产生电流的方法进行测定。燃料池氧传感器是由高活性的氧电极和铅电极构成，浸没在KOH溶液中。样气中的O2通过高分子薄膜扩散到阴极，O2得到电子，被还原成OH-，通过电解质溶液到达阳极，被氧化而失去电子，生成氧分子。电化学反应中产生的电流决定于扩散到氧电极的氧分子数，而氧的扩散速率又正比于样气中的氧含量。该电流信号大小与样气中的氧含量相关，而与通过传感器的气体总量无关。

3.2性能特点

(1)精度高，分辨率可达量程的0.01%，特别适合于微量氧的监测。

(2)溶液与外界有1层高分子薄膜隔开，样气不直接进入传感器，免去了样气处理系统。

(3)非常适于便携使用。

(4)燃料电池为消耗型检测器，其寿命决定于流经传感器的氧累积总量。阳极在测量中不断反应消耗，一旦耗尽，燃料电池即失效，须更换。

(5)当电解质为碱性时，不适用于酸性气体监测；当电解质为酸性时，不适用于碱性气体监测。

4 氧化锆式

4.1测量原理

该方法是基于浓差电池法来测量氧含量的。氧化锆材料掺以一定量的氧化钇或氧化钙，经高温烧结后形成稳定的氧化锆烧结体，它的立方晶格中含有氧离子空穴，在高温下，它是良好的氧离子导体，呈现离子导电现象(利用氧化锆的这一性质，可以做成氧化锆测氧仪)；在高温下，氧分子在铂电极的催化作用下，在富氧侧发生还原反应，得到的电子变成氧离子。铂电极因为失去电子而呈阳性。氧离子状态进入氧化锆空穴，通过氧化锆电解质，在另一侧发生氧化反应，氧离子失去电子变成氧分子析出。该侧铂电极因得到电子而呈阴性。这样，在两个电极上，由于正负电荷的堆积而形成一个电势，称之为氧浓差电动势。

当用导线将两个电极连成电路时，负极上的电子就会通过外电路流到正极，电路中就有电流通过，通过检测该电流大小就可测得含氧量。

4.2性能特点

(1)氧化锆测氧分析仪的性能特点有：结构简单，响应时间短 (0.1～0.2 s)，测量范围宽(10-6～10-2)，使用温度高(600～1 200 ℃)，运行可靠，安装方便，维护量小等。

(2)由于必须在较高温度下电子才能在氧化锆材料中迁移，因此仪器内部必须配备加热炉，对氧化锆管进行加热。

(3)氧化锆法在测量氧浓度时会受到待测气体中还原性气体的影响，从而导致测量结果偏低，因此不适用于测量还原性气体或还原性气体含量较高的气体样品中的氧浓度。

(4)当待测气体中氧浓度高于空气中氧质量分数20.6%时，须使用浓度更高的气体作为参比气，以保证浓差电势为正。

(5)氧化锆属于陶瓷烧结体，安装时避免大的机械振动。

(6)主要用于常量氧的检测，多用于燃烧领域。

5 结语

根据以上几种氧分析仪的特点，氯碱企业应结合生产过程实际情况选择最适宜的分析仪。

[1] 范玉久.化工测量与仪表[M].2版.北京：化学工业出版社，2002：305 -309.

[2] 各种氧分析仪原理及应用[M/OL].2014[2014-12-17]https://wenku.baidu.com/view/c058c2be240c844769eaeeae.html.

[编辑：费红丽]

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

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

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郝继运(1969—)，男，高级工程师，1992年毕业于山东纺织工学院(现青岛大学)，2005年进入莘县华祥盐化有限公司从事电气、仪表技术管理工作，多次参加公司改扩建项目建设。

2017-02-08