摘　要:磁动式测氧仪是一种良好的测量气体含氧量的设备。从氧气是顺磁性、氮气为抗磁性物质,且氧气的磁化率显著高于其它气体的特点出发,分析了磁动式测氧仪测量混合气体中氧气含量的原理,分析了充氮玻璃哑铃球系统在非均匀梯度磁场中的受力情况,报道了磁动式测氧仪的核心部件———铂丝哑铃球反射镜系统的设计方案,并介绍了其技术性能和实现方案。设计一个光学装置,有效地调节了铂丝哑铃球反射镜系统的质心平衡问题。实验结果表明,该系统的稳定性、灵敏度和转动阻尼等性能良好。

　　1　引　言

　　对气体中氧气含量的测量已经越来越多的应用于各种技术领域中。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;空分制氧系统中氧气纯度的分析;化肥生产中,通过测量氧气含量得到空分提取氮气的纯度等。

　　磁动式测氧仪采用了磁力机械的原理,它具有基本上不受混合气体中非测量组份变化的影响,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[1]。该仪器的核心是测量池,主要包括一对充氮哑铃球,并用铂丝悬挂在具有一定梯度的非均匀磁场中。因此,铂丝哑铃球系统的研制是本仪器成功的关键。本文从磁动式测氧仪的原理出发,探讨了铂丝哑铃球系统的有关技术要求和质心调节的问题。

　　2　磁动式测氧仪的原理

　　任何物质在外磁场的作用下都能被感应磁化。由于物质的结构组成不同,各种物质的磁化率k和相对磁导率μr也不同。

　　当μr>1,k >0时,物质或气体能被磁场所吸引,称为顺磁性物质。氧气是顺磁性物质,它的体积磁化率在20℃时k=106.2×10-6。当μr<1,k<0时,物质或气体被磁场排斥,称为抗磁性物质。氮气是抗磁性物质,在20℃时体积磁化率k=-0.34×10-6。各种气体中只有O2的磁化率最大,其它气体的磁化率与氧气的体积磁化率相比(NO除外),其值甚小[2]。混合气体中的体积磁化率主要由氧气的体积磁化率及其百分含量决定,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。

　　磁动式测氧仪正是利用氧的顺磁性且磁化率最大这一特点为原理来对混合气体中的氧含量进行分析的。如图1所示,在不均匀磁场中球体1所受到的磁场力F为

　　式中,W为球体1在磁场中所取得的能量。

　　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,这时球体1在磁场中所取得的能量W[3]为

　　由于气体的磁导率是一个微小量(10-10H/m),故由式(1)得出的小球的受力很小,要直接测量是非常困难的,为此设计了充氮哑铃球、铂丝和小反射镜系统,将它置于非均匀磁场中构成测量池,如图2所示。哑铃球所受的力矩(考虑到球体受力方向沿磁场强度的梯度方向,即与哑铃球连线基本垂直)为

　　式中:kN为球体的磁化率; k为球体周围的介质磁化率; Vp为球体的体积;Rp为小球球心到铂丝的距离。

　　哑铃球在转动力矩的作用下将绕悬丝转动,直到力矩LM与悬丝的扭转力矩相平衡为止。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。

　　采用光杠杠装置对哑铃球扭转的角度φ进行了测量,如图3所示。一束光线射向小镜,用探测器在固定地点接受出射光束。不同含氧量条件下球体周围介质磁化率k不同,哑铃球的转角也不同,小镜的反射光束也随之转向,射到探测器上的光点位置不同。因此,通过对小反射镜反射的光点位置进行探测,即可确定哑铃球扭转的角度,从而确定气体中的含氧量。

　　3　对铂丝哑铃球系统的技术要求

　　3.1　哑铃球的大小

　　由式(2)可见,要想提高灵敏度,则可加大Vp和Rp,但转动惯量J =2ρPVPR2P(ρP为空心球密度)也增大[4],使仪器的运转性能变坏,同时也增加了检测部位的体积。Vp加大,也使磁场间隙增大,降低了磁场强度。因此,球体直径通常为3~5mm。

　　3.2　球体中充抗磁性气体

　　由式(1)可见,为了使LM增大,以提高仪器的灵敏度,希望(kp- k)要大。由于氧气为顺磁性物质,因此在空心球中充抗磁性材料氮气。

　　3.3　哑铃球的转动阻尼

　　为使哑铃球在尽可能短的时间内转到正确的位置,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。

　　3.4　铂丝哑铃球系统的平衡

　　铂丝哑铃球系统平衡是使仪器工作稳定、可靠的重要保障,既可以使仪器无需完全水平仍可正常工作,也能保证仪器具有较高的精度。

　　3.5　铂丝哑铃球系统的固定支架

　　铂丝哑铃球系统的固定支架是十分关键的,不仅要考虑到对铂丝能产生一定的弹性张力,以提高哑铃球系统的转动灵敏度,还要考虑到系统的质心调节方便。图4所示为固定支架示意图。图中1为粘接铂丝哑铃球系统的支柱, 2为通光孔(作为调节哑铃球系统的平衡),3为支架固定螺孔,4为铂丝哑铃球反射镜系统。

　　4　铂丝哑铃球系统的平衡调节

　　所谓平衡就是粘接在支架上的哑铃球系统不因支架的倾斜而绕铂丝转动。铂丝哑铃球反射镜系统能否平衡取决于铂丝是否严格通过哑铃球反射镜系统的质心。为此,首先铂丝、反射镜和哑铃球在粘接时应采用准确定位好的模具,以保证铂丝基本通过系统的质心,然后再用光学方法进行细调。

　　4.1　哑铃球系统在竖直状态下观察并调节反射光点

　　如图5所示,将哑铃球系统与一平面反射镜安装在同一支架上,图中1为已安装好铂丝哑铃球的支架系统,2为用来调节质心的平面反射镜,其方位可调节。当一束激光垂直照射时,将有三个反射光点,其中的一个光点a是由哑铃球系统上的小反射镜反射产生的,此光点会随哑铃球系统的转动而摆动,称为活动光点;另两个反射光点b是激光经哑铃球支座上的二透光孔后,由反射镜2反射产生的,称为不动光点。让哑铃球系统的铂丝处于竖直状态(自然状态),调节反射镜2的方位,使活动光点a处于两个不动光点b的中间,此时反射镜2与哑铃球系统上的小反射镜平行,反射镜2也处于竖直状态。

　　4.2　哑铃球系统平放和侧放时观察反射光点并进行配重

　　如图6所示,将哑铃球系统平放,用激光束从上方竖直照射,观察活动光点a和不动光点b的位置,可判断两球的轻重情况。

　　如图7所示,将哑铃球系统侧放,用激光束垂直照射,观察活动光点a和不动光点b位置的高低,可判断铂丝是否通过哑铃球系统的质心。若观察到活动光点a的位置在不动光点b的上方,则球体的倾斜情况如图8所示。当下球体较轻时,表示哑铃球系统质心在左上方,应在下球的右方通过补胶等措施配重;当下球体较重时,表示哑铃球系统质心在左下方,应在上球的右方通过补胶等措施配重;若观察到活动光点a的位置与不动光点b等高,则应在较轻的球体正前方补胶配重。

　　以上方法在哑铃球系统平放和侧放过程中经几次反复观察配重,可很容易地调到哑铃球系统完全平衡。

　　5　结　论

　　综上所述,用铂丝哑铃球反射镜系统作为测量气体中氧含量的传感部件,对系统的设计充分考虑了仪器的灵敏度、精度和工作的稳定性等问题,并设计了调节铂丝哑铃球反射镜系统平衡的有效装置和方法。经实验测量,当氧气含量在0%~21%范围内变化时,哑铃球系统所产生的反射光点旋转角α≈3°;反射光点的偏转角度基本不因工作平台的倾斜而变化;哑铃球系统转动阻尼良好,在2~3s内反射光点即可稳定。说明了本文所设计的哑铃球系统具有较高的灵敏度、工作稳定可靠、性能良好。

　　参考文献:

　　[1]王仁旺.在线氧含量分析仪选型与使用[J].化工自动化及仪表, 2004,31(2).

　　[2] xilu222氧量分析仪[EB/OL]. http://www、cngspw、com,2004_12_04.

　　[3]赵凯华,陈熙谋.电磁学(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1985.

　　[4]漆安慎.普通物理学教程———力学[M].北京:高等教育出版社, 1997.

　　收稿日期:2006-03-06;收到修改稿日期:2006-06-04　E-mail:smxywmj@126、com

　　基金项目:福建省科技资助项目(2005H072);福建省三明市科技资助项目(2004_G_6)

　　作者简介:魏茂金(1964_),男,福建省人,三明学院物理与机电工程系副教授,主要从事光学技术方面的研究。