1 引 言
氧含量分析仪是目前工业生产自动控制中应用较多的在线分析仪表[1,2],主要用来分析混合气体中的含氧量。如监视燃烧过程,通过分析烟道气体剩余氧含量,以控制燃料与空气的最佳比例,保证燃烧效率等。
磁动式氧含量分析仪以气体磁性为原理,属于磁力机械式,光、机、电结合的一种仪器。磁动式测量气体的含氧量与化学法相比,具有响应速度快、测量范围宽、能适时在线测量等优点。与热磁风、氧化锆等其他物理方法相比[3],具有基本不受混合气体中非测量组份变化的影响,不受背景气体导热率、热容的干扰,反应速度快,稳定性好等优点,是一种理想的氧含量测量设备。CCD磁动式测氧仪利用了氧气是顺磁性物质,且磁化率远大于其它气体的物理特性,以充氮铂丝哑铃球悬挂在非均匀磁场中构成测量池,作为测量气体氧气含量的传感部件,用线阵CCD接收信号[4],由单片机系统处理并显示结果。本文将从气体磁性出发,分析磁动式测量气体中氧含量的基本原理,全面阐述磁动式测氧仪的测量池系统、光路系统和CCD数据处理系统的实现方案,分析仪器的校正要求与方法,并通过实验测试仪器的性能。
2 磁动式测量气体中氧含量的基本原理
氧气是顺磁性物质,它的体积磁化率在20℃时为k=106.2×
;氮气是抗磁性物质,在20℃时体积磁化率为k=-0.34×10-5;各种常见气体中只有O2的磁化率最大,除了NO、NO2外,其它各种气体的体积磁化率与氧气的体积磁化率相比,其值甚小,可以忽略不计[5]。彼此不进行化学反应的混合气体的磁化率由下式求得:
式中NI为第i种气体的百分含量,ki为第i种气体的体积磁化率,nO2为氧在混合气体的百分含量,kO2为氧气的体积磁化率,为混合气体中非氧气体的平均体积磁化率。
由于氧气的磁化率远比其他气体的高,上式中第二项值是微不足道的,可以忽略不计,因此,混合气体的体积磁化率主要由氧气的体积磁化率及其百分含量所决定,只要能测出混合气体的体积磁化率k混,就可以求出混合气体中氧气的百分含量。利用氧的顺磁性且磁化率显著高于其它气体的物理特性,可以有效地分析它在混合气体中的含量。
如图1一小球置于不均匀磁场中,球体受到的磁场力F为
若球体的磁导率为μP,球体的体积为VP,球体周围的磁场中充满了介质,其磁导率为μ,则利用[6]可求得
若将一对充氮气的哑铃球用铂丝悬挂在不均匀磁场中,则它所受到的力矩为
若沿x方向的磁场强度梯度为一常数,即,则有
以上各式中kP为球体的磁化率,k为球体周围介质磁化率。VP为球体的体积,RP为铂丝到哑铃球中心的距离。
在哑铃球作角位移时,悬丝会产生一个复位力矩以平衡LM,被测气体的氧含量不同,LM、复位力矩和小球的平衡位置也不同,即哑铃球扭转的角度φ不同,这样转角φ也就反映了氧气含量的多少。
3 磁动式测氧仪系统的研制
磁动式氧分析仪主要由测量池和光信号探测处理系统组成。测量池是以氧气的顺磁性,氮气的抗磁性为原理,制成测定氧含量的传感部件;光信号探测采用线阵型CCD。
3.1 测量池系统
磁动式测氧仪中测量池系统,正是利用一对充氮哑铃球在非均匀磁场中受到转动力矩的原理,如图2为测量池的结构图。其中测量室盖板和支柱均应选择无磁性且热膨胀系数小的不锈钢材料。玻璃管是为了防止测量室漏气,其进出光窗口应采用光洁度良好的光学玻璃,以避免玻璃管壁厚度不均匀形成光的衍射现象,使反射光斑前后沿对称。让一束光射向小镜,小镜的反射光束随哑铃球的扭转而改变方向,在固定点用线阵CCD探测反射光斑的位置[7],线阵CCD的光点位置将随测量池内气体氧含量情况不同而改变。
为使哑铃球在尽短时间内转到正确位置,应在球体上安装阻尼线圈或涂镀导电金属膜层,以便在磁场中形成合适的转动阻尼。为了减小气流对哑铃球系统的影响,保证哑铃球系统转动稳定,并考虑到安装工艺方便,本文采用在哑铃球镀银刻蚀3-4圈导电薄膜环的方案[8]。经实验,此方案转动阻尼效果良好,哑铃球系统在3~5 s即可达到稳定。
充氮哑铃球系统必须在梯度非均匀磁场中才会受到转动力矩作用。非均匀磁场的梯度变化,可通过设计适当的磁极角度实现[9]。磁极简图如图3所示。其设计的基本技术要求是:
(1)磁尖脊角度越小,磁场变化梯度越大,磁尖脊形状的设计应使两磁极间隙所产生的磁场在横向尽可能呈线性变化,保证哑铃球系统的旋转角度随氧气的百分含量基本呈线性关系,提高仪器数据处理精度。
(2)磁极的设计应方便安装哑铃球铂丝反射镜系统的支架,并使充氮小球靠近磁极尖脊,小球所处位置的磁场尽可能大。因此,图3中α的值是很重要的,可根据小球的大小及间距算。
令小球直径d=3.4 mm,两小球间距RP=7.2 mm,则=0.472 rad≈27°,一般可选择α=27~30°。
3.2 光路系统
如图4为磁动式氧分析仪的光路系统,其中M为测量池中小反射镜,光源S采用高亮度发光二极管,L为凸透镜,CCD为线阵型(电荷耦合器件,TCD1500C),B为狭缝。光源S发出的光线经透镜后聚焦于线阵CCD上。测量池密封室不同含氧量环境时,充氮哑铃球、铂丝和小反射镜系统的偏转角度不同,光源发出的光线经测量池小反射镜的反射光束随之转向,通过探测线阵CCD接收到光点位置,即可确定气体中的含氧量。在光路系统的设计中加入狭缝B是为了保证投射到CCD上的光斑边沿整齐陡峭,有利于提高仪器的精度。
3.3 CCD数据采集电路系统
如图5所示为CCD数据采集和处理电路框图。线阵CCD (电荷耦合器件,TCD1500C)装置由EPM7064S产生驱动信号,CCD检测到的位置信号经运放电路放大、整形成方波信号触发EPM7064,它向CPU申请中断并送出数据。
8052接收数据,并进行相应处理将结果由LED显示出来。在电路设计中,必须考虑仪器定标和温度补偿的功能。为此,设计了五个功能按键,即功能设置键(FUN),设置存储按键(SET),输入数据增、减按键(+和-),校正键。其功能说明如表1。
4 仪器的校正与实验检测
4.1 仪器的校正方案
由于磁动式测氧仪采用了磁力机械结构,仪器经一段时期使用,测量池、光源、永久磁铁的磁性、电路的参数等性能均可能产生一定的变化,因此,对仪器的数据进行校零调整是提高仪器精度必不可少的环节。通过对磁动式测氧仪的定期观测,实验数据表明:经过一段时期(如两周时间),即使温度点相同,各种氧含量下CCD像点和仪器的读数均存在一定的漂移,读数约变化0.2%左右。根据各氧含量下CCD像点变化值基本相同的特点,本文提出采用曲线平移方案对仪器进行分区校正处理。所谓曲线平移方案,即对每种测量气体的CCD像元读数都增加或减小一个相同的修正值,从而实现了对像元值随氧含量变化曲线的平移。所谓分区校正,即根据待测量气体的氧含量值所处区域,选择相应的校正气体。通常若待测气体含氧量为0.0%—50.0%时,选用高纯氮作为校正气体;若待测气体含氧量为50.0%—100.0%时,则选用高纯氧作为校正气体。
4.2 实验检测
将所研制的磁动式氧含量分析仪放入恒温控制箱内,调节温控装置使测氧仪达到所需的不同温度点,先将已知含氧量的标准气体输入测氧仪,对测氧仪进行校正。其具体方法是:将已知含氧量的标准气体作为校正气体输入测氧仪,观测数据,按校正按键后,通过调节“+”或“-”按键,对测氧仪进行校正,并将校正值进行存储(按SET确认)。
对仪器校正后分别送入氧气含量为0.0%,5.0%,10.0%,50.0%,99.5%的标准气体,读取各情况仪器测量示值,测量数据对比如表2所示,表中温度为测氧仪内测温装置所读取的温度值。比较表2各测量值与对应的标准氧含量值,得出在不同温度环境下仪器的精度均可达0.2%以上。
5 结 论
磁动式氧含量分析仪的研制,利用一对充氮哑铃球在非均匀梯度磁场中受到转动力矩的原理,设计了磁动式氧含量分析仪的测量池系统;采用镀膜刻蚀方案实现充氮哑铃球的电磁阻尼,具有良好的效果;用CCD装置测量哑铃球的微小转角,由单片机处理数据,电路设计的五个功能按键,方便了仪器的定标和温度补偿;采用曲线平移方案对仪器进行分区校正,进一步提高了仪器的测量精度。实验结果证明:仪器性能稳定,具有良好的温度补偿特性和精度,测量精度为0.2%以上。
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作者简介:魏茂金(1964-),福建人,理学士,副教授,主要从事光学与精密仪器方面的研究。E-mail:smxywmj@126.com
