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9种常见的氧分析仪原理及优缺点分析
2024-07-2210

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“ 氧气分析仪在石化行业是一种比较常见的过程分析仪表，不仅广泛应用于加热炉、化学反应容器、空分、工业制氮等场合中混合气体内氧气浓度的检测,还大量用于锅炉水中溶解氧、污水处理装置外排水溶解氧的检测。那么你见过的氧分析仪有哪几种，有哪些优缺点，我们一起来盘点一下。”


一、气体氧气分析仪

石化行业中各种反应炉、燃烧炉、反应釜、离心机等都需要进行氧含量在线监测，如果氧含量达到到一定浓度，则很容易和其他物料发生反应，引发安全事故，为了防止形成爆炸性的混合物，必须对氧气浓度进行监测，目前常用的气体氧分析仪有顺磁氧原理、氧化锆原理、电化学原理、激光原理等等。


??顺磁氧分析仪（磁压力式）

测量原理：根据被测气体在磁场作用下压力的变化量来测量氧含量的仪器叫做磁压力式氧分析仪，被测气体进入磁场后，在磁场作用下气体的压力将发生变化，致使气体在磁场内和无磁场空间存在着压力差：△P=1/2u0H2k

?△P：压差
? u0：真空磁导率
? H：磁场强度
? k：体积磁化率

参比气（N2, O2 或者是空气）从两个参比通道进入测量池。其中一路在磁场区域内与样气相遇，另一路不经过磁场区域直接与样气相遇。氧浓度不同的两种气体在交变磁场的作用下产生与氧浓度差成正比的气流。微流量传感器测得该气流并将它转变为一个电信号。
优点：
?背景气对氧测量的影响较小
?测量元件采用微流量元件，耗气量少
?微流量检测器灵敏度高
?稳定性、抗干扰能力强
?被测气体不直接接触检测器，因此可以用于腐蚀性气体的检测
缺点：对震动敏感，磁氧分析仪安装位置需采取防振避震措施


??顺磁氧分析仪（磁机械式）

基本原理：两个充有氮气的玻璃球(俗称哑铃)安装在传感器封闭气室的两个磁极之间，它们固定在一个可旋转的同轴支架上。哑铃的中轴上有一个反射镜，将光源发出的光束反射到光电传感器上。待测气体中的氧气会被吸入磁场，磁场会对球产生作用力使哑铃球旋转，反射镜的角度发生变化使光电传感器接收到的光强发生变化。为了使光电传感器接收到的强光信号，控制系统通过电流驱动哑铃球的电磁线圈，使哑铃球恢复到原来的位置。驱动电流与氧浓度成正比，从而反映氧浓度。

优点：
?它是对氧的顺磁性直接测量的分析仪，不受被测气体导热性变化、密度变化等影响。
?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。 
?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。
缺点：
?对震动敏感，磁氧分析仪安装位置需采取防振避震措施
?对电磁干扰敏感，分析单元要避开电磁干扰。


??顺磁氧分析仪（热磁式）


基本原理：检测器置于高于环境温度的恒温腔体内,检测器处设有一恒定磁场,当要检测的样品气体从检测器的检测室外流过时,磁场将高磁化率的氧气吸入检测室内,进行检测。检测室内的检测元件一般为铂丝,铂丝上通有一恒定的加热电流,氧气进入检测室到铂丝上被加热,磁化率迅速变小,之后被新进入的氧气推出检测室。样品气体中氧含量不同,进入/排出检测室铂丝处的氧气量不同,从铂丝上带走的热量也不同,最终导致铂丝上的电阻值变化,检测铂丝电阻体的阻值即可间接测量气体中的氧含量。

优点：结构简单、便于制造和调整等优点。
缺点：测量结果不仅仅与样气的体积磁化率有关，而且易受背景气组分热导率、密度的影响，测量精度低。


??氧化锆分析仪

基本原理：氧化锆分析仪的检测原理是氧浓差电池。在氧化锆材料中添加一定的添加剂后通过高温烧结,在一定的温度下成为氧离子的固体电解质,在元件的内外侧焙烧铂电极就成了氧化锆氧传感器。在一定温度下,内外两电极间产生随两侧氧浓度差变化的浓差电势。当固定了参比电极侧的氧浓度(通常以空气作参比气,空气中氧含量为20.95%),则浓差电势只随测量侧氧浓度的变化而变化。

优点：仪表工作稳定、维护量小。
缺点：缺点是工艺样气温度猝然变冷、或含有水蒸气时锆管容易炸裂。此外,在高温下若被测气体中含有H2、CO等还原性气体时,会发生还原反应消耗O2,导致仪表测量值较实际偏低,这一现象在微量氧含量检测时尤为明显。


??电化学氧分析仪

基本原理：电化学式氧分析仪是基于氧气和传感器阴极之间的电化学反应来进行测量的。它的传感器是一个电解池,外加的直流电加在电解池的阴、阳极之间,电解池内充以电解液,样品气通过扩散板或半透膜到达阴极,并在阴极产生电解反应而被还原,产生相应的电流,电流的大小与样品气体中氧气的浓度成正比关系。

优缺点：
原电池式：可测量ppm级氧含量，价格较低，液体燃料电池式主要用于微量氧测量，碱性液体燃料电池可用于一般气体，这种类型灵敏度高，不受样气压力和温度影响，但燃料电池为消耗品，使用寿命氧浓度而定，一般半年到一年更换一次。
电解池式：可测量ppb级氧含量，灵敏度高，不受样气压力和温度影响，但易受流量波动影响，影响测量值的准确性，因为电解池是碱性的，不能用于测量酸性气体，而且电解池为非消耗品，使用寿命长，但需要定期补充电解液。


??激光氧分析仪

基本原理：
1.朗伯-比尔定律
TDLAS技术是一种高分辨率的光谱吸收技术，半导体激光穿过被测气体的光强衰减可用朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律表述式中，IV，0和IV分别表示频率V的激光入射时和经过压力P，浓度X和光程L的气体后的光强；S(T)表示气体吸收谱线的强度；线性函数g(v-v0)表征该吸收谱线的形状。通常情况下气体的吸收较小，可用式(4-2)来近似表达气体的吸收。这些关系式表明气体浓度越高，对光的衰减也越大。因此，可通过测量气体对激光的衰减来测量气体的浓度。
2.光谱线的线强
气体分子的吸收总是和分子内部从低能态到高能态的能级跃迁相联系的。线强S(T)反映了跃迁过程中受激吸收、受激辐射和自发辐射之间强度的净效果，是吸收光谱谱线基本的属性，由能级间跃迁概率及处于上下能级的分子数目决定。分子在不同能级之间的分布受温度的影响，因此光谱线的线强也与温度相关。如果知道参考线强S(T0)，其他温度下的线强可以由下式求出式中，Q(T)为分子的配分函数；h为普朗克常数；c为光速；k为波尔兹曼常数；En为下能级能量。各种气体的吸收谱线的线强S(T0)可以查阅相关的光谱数据库。

优缺点：不受背景气体的影响，能够自动修正压力、温度对测量的影响，高准确性，高精度，快速反应，运行稳定仅需少量的维护。调制光谱检测技术，对样品的洁净程度要求不高，非接触测量，可测量腐蚀性气体中的氧含量；样品不需要除水，但不能含有冷凝液滴；原位式安装，不需要采样系统，适用于压力低、管径大的场合，但需要用高纯氮气吹扫视窗；当压力高、管径小时可采用采样式。


二、水质溶解氧（DO）分析仪

典型应用有电厂锅炉给水、冷凝水、高纯水等溶解氧浓度检测，污水处理装置溶解氧浓度检测等等，水中溶解氧浓度是衡量水质重要指标之一。常见的溶解氧测量有原电池式、极谱型、荧光法等等。


??溶解氧(DO)分析仪（原电池式 ）
基本原理：溶氧电极使用一对不同金属材料的两个电极浸没在电解溶液中，反应中氧气得到电子所产生的电流强度与氧气的浓度成正比，以此测定溶解氧的含量。原电池电极在测量之前无需预热就可对溶液中的溶解氧浓度改变作出快速响应。
一般由贵金属，如白金、金或银构成阴极；由铅构成阳极。
阴极：(Ag) O2 + 2H2O + 4e 4OH--
阳极：2Pb 2Pb2+ + 4e-
全反应：2Pb O2 + 2H2O + 4e 2Pb2+ + 4OH--
在电解质如KCl或醋酸铅存在下便形成PbCl2或Pb(AcO)2
原电池型电极无需外加电压

优点：价格便宜，无需外加电压”预热”,电流输出大（uA级），无需专门放大。
缺点：体积大，寿命短，受流体流速影响大，由于电解液消耗持续消耗，仪表稳定性差。


??溶解氧(DO)分析仪（极谱型）

基本原理：溶氧电极采用贵金属（如金、铂等）和Ag/ AgCl构成的电解池系统，需要在电极两端加上一恒定的极化电压。当氧分子渗透过隔膜后，在阴极被还原，从阳极到阴极的电流直接正比于在电解液中溶解氧的浓度。

极谱(Polargrafic)型电极需要外加0.6-0.8V的极化电压
一般由贵金属，如白金或金构成阴极；由银构成阳极
阴极：(Pt) O2 + 2H2O+ 4e- 4OH-
阳极：4Ag + 4Cl- 4AgCl + 4e-
全反应：4Ag + O2 + 2H2O + 4Cl- 4AgCl + 4OH-

优点：寿命长，体积小,受流体流速影响小。
缺点：价格昂贵，需外加电压”预热”, 电流输出小（nA级），需专门电子放大设备。


??溶解氧(DO)分析仪（荧光法）

基本原理：荧光法溶解氧仪是基于物理学中特定物质对活性荧光的猝熄原理。调制的绿光照到荧光物质上使其激发，并发出红光，由于氧分子可以带走能量（猝熄效应），所以激发红光的时间和强度与氧分子的浓度成反比。我们采用了与绿光同步的红光光源作为参比，测量激发红光和参比光之间的相位差，并与内部标定值比对，从何计算出氧分子的浓度，并经过温度补偿输出最终值。采用猝熄原理，维护量小，不消耗氧气，没有流速和搅动的要求，不受硫化物等化学物质干扰，分辨率和测量精度高。

优点：荧光法则弥补了膜法的很多缺陷，不需更换电解液，维护简单，测定时不消耗氧，因此没有流动速率和搅拌的要求，测定时不受水中一些气体和蒸汽，例如氯、二氧化硫、硫化氢、胺、氨、二氧化碳、溴和碘、溶剂、油类、硫化物、碳酸盐和藻类等物质，通过膜扩散影响被测电流干扰，且传感器寿命长。
缺点：价格昂贵，水中浊度和盐度对其结果影响较大。

来源：公众号“分析仪表攻城狮”

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