外对流式热磁氧分析器优化

（1）工作原理

图6.4是一种外对流式热磁氧分析器的工作原理示意图。分析器由测量气室和参比气室两部分组成，两个气室在结构上完全一样。其中，测量气室的底部装有一对磁极，以形成非均匀磁场，在参比气室中不设置磁场。两个气室的下部都装有既用来加热又用来测量的热敏元件，两热敏元件的结构参数完全相同。

图6.4　外对流式热磁氧分析器工作原理示意图

1—工作热敏元件；2—参比热敏元件

被测气体由入口进入主气道，依靠分子扩散作用进入两个气室。如果被测气体中没有氧气存在，那么两个气室的状况是相同的，扩散进来的气体与热敏元件直接接触进行热交换，气体温度得以升高，温度升高导致气体相对密度下降而向上运动，主气道中较冷的气体向下运动进入气室填充，冷气体在热敏元件上获得能量，温度升高，又向上运动回到主气道，如此循环不断，形成自然对流。由于两个气室的结构参数完全相同，两气室中形成的自然对流的强度也相同，两个热敏元件单位时间的热量损失也相同，其阻值也就相等。

当被测气体中有氧气存在时，主气道中氧分子在流经测量气室上端时，受到磁场吸引进入测量气室并向磁极方向运动。在磁极上方安装有加热元件（热敏元件），因此，在氧分子向磁极靠近的同时，必然要吸收加热元件的热量而使温度升高，导致其体积磁化率下降，受磁场的吸引力减弱，较冷的氧分子不断地被磁场吸引进测量气室，在向磁极方向运动的同时，把先前温度已升高的氧分子挤出测量气室。于是，在测量气室中形成热磁对流。这样，在测量气室中便存在有自然对流和热磁对流两种对流形式，测量气室中的热敏元件的热量损失，是由这两种形式对流共同造成的。而参比气室由于不存在磁场，所以只有自然对流，其热敏元件的热量损失，也只是由自然对流造成的，与被测气体的氧含量无关。显然，由于测量气室和参比气室中的热敏元件散热状况的不同，两个热敏元件的温度出现差别，其阻值也就不再相等，两者阻值相差多少取决于被测气体中氧含量的多少。

若把两个热敏元件置于测量电桥中作为相邻的两个桥臂，如图6.5所示，那么，桥路的输出信号就代表了被测气体中的氧含量。

图6.5　双臂单电桥测量原理

（2）测量电路

为了更好地补偿由于环境温度变化、电源电压波动、检测器倾斜等因素给测量带来的影响，外对流式检测器一般都采用双电桥结构，其气路连接如图6.6所示。图中4个气室分为两组，分别置于2个电桥中，每组两个气室中各有一个气室底部装有磁极，气室中的热敏元件作为线路中测量电桥和参比电桥的桥臂。测量气室通过被测气体，而参比气室则通过氧含量为定值的参比气，如空气。(www.xing528.com)

图6.6　外对流式热磁氧分析器气路连接图

1、2—参比电桥分析室；3、4—测量电桥分析室

图6.7是某公司热磁式氧分析器的电路结构图，该仪器采用外对流式分析器和直流双电桥补偿测量系统。工作电桥和参比电桥在结构与性能上完全对称，参比电桥由R1、R2、R3、R4组成，其中R3、R4为两只固定的锰铜电阻，R1、R2是两个敏感元件。R1处于磁场之中，R2周围则没有磁场。工作时使空气从R1、R2周围流过。由于空气中的含氧量为一定值（20.9%），而热磁对流在电桥的输出端ab间产生一定值电势Uab。工作电桥由R5、R6、R7、R8组成，其中R7、R8为两个固定的锰铜电阻，R5、R6是两个敏感元件。R6处于磁场之中，R5周围则没有磁场。工作时使被分析混合气体从R5、R6周围流过。由于热磁对流的结果，电桥输出端cd间产生电势Ucd。显然，Ucd的大小与热磁对流的强弱有关，亦即Ucd的大小随着被分析混合气体中的含氧量（氧浓度）而变化。

图6.7　热磁式氧分析器电路结构图

进一步分析可知，具有此种双桥电路的仪器的最后指示X，只取决于工作电桥和参比电桥两输出电压的比值，即

由式（6.9）可看出在环境温度、环境大气压力，电源电压等有所变化时，虽然会使两电桥的输出电压发生变化，但两者比值变化较小，仪器指示受环境因素影响较小，因而测量精度较高。此外，仪器中设计了控温电路及温度补偿算法，最大限度地减少了温漂。

两电桥的输出信号经前置级放大滤波处理后，由微处理器进行信号采集、数字滤波、运算放大及线性化处理，再经D/A转换，输出标准测量信号。同时，由微处理器完成参数设置、自动调整、极限报警、数据处理等功能。

显而易见，这种双电桥结构的检测器测量上限将受到参比气体中氧含量的限制。例如选用空气为参比气，仪表的测量上限就不能超过21% O2。当然，通过对电路的设计和元件参数的选择，亦可扩大仪表的测量上限。