曾幾何時，磁氧分析儀一直占據(jù)著高端氧氣分析市場，一臺順磁氧分析儀少則數(shù)萬，多則十幾萬，說它是氧氣分析領(lǐng)域的傳統(tǒng)豪門毫不為過。
一．順磁法氧氣檢測原理
眾所周知吸鐵石可以牢牢的吸住鐵等金屬。在一根鐵棒上纏繞導(dǎo)線，通電后鐵棒具有了磁場，可以吸引金屬，比如學(xué)校的門鈴大部分是按此方法制成。自然界中除金屬外，氣體也可以被磁場吸引。
通俗的說，被吸引或被排斥的能力大小稱為體積磁化率。自然界中氧氣的被吸引的力遠(yuǎn)高于其他氣體，據(jù)此研制了氧氣獨有的檢測傳感器，順磁氧傳感器。表1為常見氣體與氧氣的相對體積磁化率。
表1 常見氣體相對體積磁化率
從表中可見除了氮氧化物外，其他氣體的體積磁化率相比氧氣都很小，不超過1%（空氣的相對體積磁化率高是因為空氣中的氧氣影響）。
因此在使用順磁氧進(jìn)行百分含量的氣體檢測時，除氮氧化物外，其他的交叉干擾可以忽略，但對于1%以下的氧氣進(jìn)行檢測，仍需要關(guān)注交叉干擾問題。二．順磁氧氣傳感器實現(xiàn)
相同磁場對氧氣有更大的吸引力，但這種吸引力仍是非常微小的，如果依據(jù)這一特性來實現(xiàn)氧氣檢測呢？過去幾十年，大致出現(xiàn)了三種方法可以實現(xiàn)這種測量，
分別稱為磁力機(jī)械法、熱磁法、磁壓法。三種方法技術(shù)實現(xiàn)不同，但原理一樣，下面分別介紹。
（1）磁力機(jī)械法磁力機(jī)械法簡易工作原理如圖1所示。
圖1 磁力機(jī)械法
密閉空間內(nèi)的設(shè)置一個磁場，內(nèi)部固定一個金屬啞鈴球，該啞鈴球只能圍繞中心轉(zhuǎn)動，且啞鈴球中心有反射鏡。當(dāng)有氧氣通過時，部分氧氣被吸引，從而引起啞鈴球轉(zhuǎn)動。外部還有一束激光打在啞鈴球中心反射鏡上，經(jīng)反射后照射在CCD等位置傳感器上。
當(dāng)氧氣濃度不同時，啞鈴球轉(zhuǎn)動的角度也不同，從而照射在檢測器上的位置發(fā)生變化，該變化與氣體濃度成正比關(guān)系。（2）熱磁法熱磁法簡易工作原理如圖2所示。
圖2熱磁法
在一個環(huán)形氣室內(nèi)設(shè)置一個中間通道，在中間通道設(shè)置兩個繞制的電阻加熱絲R1和R2，通電時給中間通道加熱，同時在中間通道一端設(shè)置一個磁場，加熱后中間通道內(nèi)的氧氣體積磁化率會減小。當(dāng)有氧氣進(jìn)入氣室后，磁場對氧氣產(chǎn)生吸引，氧氣進(jìn)入中間通道，被加熱后體積磁化率減小。因此氧氣會從有磁場一端進(jìn)入中間通道，形成微流。氣體流動帶走熱量使R1和R2電阻產(chǎn)生變化，且氧濃度越大，氣體流動越大，帶走熱量越多，電阻變化越大。將R1、R2配上R3和R4形成電橋，電阻變化導(dǎo)致電壓變化，該電壓與電阻變化也就是氧濃度變化成比例關(guān)系。
（3）磁壓法磁壓法簡易工作原理如圖3所示。
圖3 磁壓法
磁壓法在測量氣室一邊設(shè)置一個受控的電磁鐵，被測氧氣從入口進(jìn)，出口出，進(jìn)行流動。當(dāng)沒有磁場時，參比氣1和參比氣2通過入口進(jìn)入后，分別通過兩個氣路進(jìn)入測量室，此時微流檢測器1和微流檢測器2兩端的壓力相等，沒有壓差，因此該連通氣路內(nèi)沒有氣流。
當(dāng)電控開關(guān)閉合產(chǎn)生電磁場時，部分氧氣被磁場吸引，因此參比氣1底部通路壓力變大，高于上部壓力，微流檢測1所在連通氣路產(chǎn)生氣流，微流檢測1產(chǎn)生響應(yīng)，該響應(yīng)大小與氧氣濃度成比例關(guān)系。微流檢測器2作為參考通道，仍然兩端壓力相等，輸出為0，也就是兩者的差值與氧濃度成比例關(guān)系。
如此，通過電磁鐵的周期性工作與停止，產(chǎn)生周期性信號。
三．順磁氧傳感器的優(yōu)勢與缺陷
通過三種方法的原理可以看出，三種方法均可實現(xiàn)氧氣的快速準(zhǔn)確檢測分析。最大的優(yōu)點是經(jīng)過幾十年的發(fā)展，設(shè)備穩(wěn)定性好、使用壽命長；但也有各自缺點，總結(jié)如表2。
表2 順磁氧三種方法各自弱點
另外，順磁氧分析儀是依據(jù)氣體的磁化率不同進(jìn)行研制，而不同氣體有不同的磁化率，因此還存在自身固有的缺陷，即交叉干擾問題。
一是氮氧化物干擾大，依據(jù)相對體積磁化率，1%的NO對氧氣將產(chǎn)生0.36%的影響；二是對1%以下氧氣分析時，易受背景氣干擾，需要根據(jù)背景氣組份具體分析，部分混合氣變化對檢測結(jié)果影響超過0.1%，相對氧氣濃度來說誤差已經(jīng)不可接受。四．未來順磁氧傳感器展望
順磁氧分析儀憑借其穩(wěn)定的性能，在過去幾十年中一直是過程在線氧氣分析的主力。
由于順磁氧分析儀傳感部件對工藝具有較高的要求，原理分析簡單，但具體設(shè)計和制作均具有很高難度，且氧氣分析具有多種手段，以及其自身的缺陷，使得順磁氧無法應(yīng)用于所有氧氣分析場景，市場容量有限。因此，順磁氧這一需要“工匠”才能制作的氧氣傳感部件在國內(nèi)出現(xiàn)了倒退，市場上已經(jīng)難覓蹤跡。市場上能見到的基本都是西門子、仕富梅等國外進(jìn)口品牌產(chǎn)品。
由于激光氧氣分析技術(shù)的出現(xiàn)，克服了順磁氧技術(shù)的各種缺陷，在穩(wěn)定性和壽命的比較上也毫不遜色，因此順磁氧的生命力進(jìn)一步被削弱。未來隨著激光氧氣分析技術(shù)成本的進(jìn)一步降低，順磁氧這一在氧氣分析領(lǐng)域叱咤風(fēng)云多年的傳統(tǒng)豪門，可能將消失在歷史的長河中。
轉(zhuǎn)載：極善思傳感技術(shù)微信公眾號于2019年3月5日發(fā)布的文章
