顺磁式氧分析器测量误差的分析及优化

本节不讨论由测量原理和仪器自身原因造成的基本误差，仅讨论仪器在使用过程中可能出现的几种附加误差。

（1）气样温度变化引起的误差

理论推导可知，顺磁式氧分析器的示值与气样温度的平方成反比。但在实际使用中，温度变化造成的影响比理论推导更为严重。试验证明，在常温情况下，气样温度每变化1℃，热磁式氧分析器仪器的示值可变化1%~1.5%。

所以，温度变化是测量中产生误差的重要原因。在顺磁式氧分析器中普遍采取了恒温措施，设置了温控系统，恒温温度一般在60℃左右，温控精度在±0.1℃以内。

（2）气样压力变化引起的误差

理论推导可知，顺磁式氧分析器的示值与气样压力成正比。由于气样直接放空，大气压力或放空背压的变化都会使检测器中气样压力随之变化，从而影响到输出示值。

例如，磁力机械式氧分析器排气直接放空，环境大气压力变化将导致测量值出现误差。误差以氧的百分含量表示

式中　Om——测量时氧的读数，%；

Pm——测量时的绝对环境压力，单位为千帕（kPa）；

Pc——校准时的绝对环境压力，单位为千帕（kPa）。

为了克服上述因素引起的测量误差，有些高精度的氧分析器中带有压力补偿措施。

放空背压的变化通常发生在分析后气样经火炬放空或多台分析仪集中放空等场合，如放空背压不稳定或频繁波动，可加装背压调节阀或采取其他稳压措施。

（3）气样流量变化引起的误差

气样流量变化引起的误差较大，当流量波动±10%时，示值误差可达1%~5%。为了减少这种影响，在热磁式氧分析器的样品处理系统中需设置稳压阀，对于低量程的测量，还需配置稳流阀，有的仪器也采用扩散式结构的检测室来减小流量波动的影响。

对于磁力机械式和磁压力式氧分析器来说，若气样密度和空气相差较大时，需要重新寻找最佳流速，既达到输出响应最大，又使流速在一定范围内变化时，对输出无影响。

（4）气样湿度变化引起的误差

气样应在露点的额定范围以内。在潮湿或干燥情况下测量，会出现示值上的差异（即干湿氧差别）。

如果气样露点低于分析器的额定范围，那么必须对气样除湿。例如，通过取样系统除去样气中10%的水蒸气，则氧的示值将为潮湿情况下的100/90倍。

一些氧分析器控制测量气室温度在333.15~393.15 K（60~120℃）范围内。这就使潮湿气样[例如，气样露点294.15 K（21℃）时含水蒸气约2.5%]能够可靠地分析。

测量气室控制在333.15 K（60℃）时，潮湿气样通常在露点的额定范围之内。然而，气样的含水量与除水后相比将在测量时产生体积误差。

（5）气样中背景气成分引起的误差

各种顺磁式氧分析器都是对磁化率测量的仪器，像氧化氮等一些强顺磁式气体会对测量带来严重干扰，所以不宜测量含有氧化氮成分的气样，如果氧化氮的含量很少，可设法将其除掉后再进行测量。

样气中含有NO时不宜采用顺磁式氧分析器进行测量，但一般工业气体中很少含有NO，且NO很容易与O2化合生成NO2，故不致影响测量精度。

此外，一些较强逆磁性气体也会引起不容忽视的测量误差，如氙（Xe）等，若气样中有含量较高的这类气体时，也应予以清除或对测量结果进行修正。

对于热磁式氧分析器而言，其测量原理不仅基于气体的磁效应，还与气体的热效应有关，气体的热导率以及密度等因素都会对热传导带来影响，尤其是热导率最高而密度最小的氢和密度很大的二氧化碳的影响更为显著。例如，H2含量增加0.5%时，仪器示值将降低0.1%O2；CO2含量增加1.5%时，仪器示值将增加0.1% O2。

（6）标准气组成引起的误差

当标准气中的非氧组分与被测样气的背景组分相一致时，可使测量误差减至最小。但这样的标准气来源困难，一般均采用来源方便的N2作零点气，并以N2为底气配制量程气。当被测样气背景组分的体积磁化率与N2的体积磁化率有较大差异时，这样校准的分析器零点和量程点必然存在误差。

（7）采取的措施(www.xing528.com)

下面介绍当零点气引起误差时采取的措施。

以磁压力式氧分析器为例，背景气体对这种氧分析器零点的影响见表6.3。

表6.3　背景气体对磁压力式氧分析器零点的影响

注意事项：①表6.3中的数据是在参比气温度为60℃、压力为100 kPa绝压、并以N2作为参比气情况下，测得的各顺磁性或逆磁性气体的零点误差。

②其他温度下的零点偏差的变换：

在其他温度下，表中的零点偏差需要乘以一个温度修正系数（k）：

a.逆磁性气体：

b.顺磁性气体：

实际校准中，可根据表6.3对磁压力式氧分析器进行零点迁移，现举例说明如下。

例6.1　磁氧分析器用N2作为零点气，用O2/N2作为量程气来校准。当仪器通入100%CO2时，读数显示为-0.30% O2，如果测定二氧化碳中的氧含量，那么会存在测量误差，可以用以下两种方法来修正这种误差：

a.用二氧化碳作为零点气；

b.用氮气作为零点气，但是设置零点偏移量使它等于背景气零点偏差的负值（即+0.30% O2）。

例6.2　如果背景气体为混合物，则用各组分不同比例零点误差的总和计算零点偏移。假设氮气为零点气，背景气组成为12% CO2、5% CO、5% n-C8H18、78% N2，则零点偏移为：

12% CO2=(-0.30)×12%=-0.036

5% CO=0.07×5%=+0.003 5

5%n-C8H18=(-2.78)×5%=-0.139

78% N2=0.00×78%=+0.00

总计=-0.036+0.003 5-0.139+0.00=-0.171 5

在例6.2中，零点迁移到+0.17%处。

参照例6.1，也可采用实际背景气作为零点气。

例6.3　现有一台磁压力式氧分析器，测量乙烯中的氧含量，测量范围是0~10% O2。仪表校准时，零点气采用高纯N2，量程气为10% O2+90% N2，问此时如何对仪表进行校准和零点迁移？

答：可按以下步骤进行：

a.用零点气和量程气分别进行零点和量程校准。

b.查表6.3，求得乙烯的零点偏差为-0.22% O2。

c.如果仪表示值为氧气的百分含量，即% O2，则将零点迁移到0.22% O2处。

注意：当氧分析器的测量室和参比气温度不是60℃时，应计算温度修正系数k，并对表中的零点误差加以修正。