磁动式测氧仪中铂丝哑铃球系统的研究

　　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。