在线分析仪器及分析系统设计与应用技术2课件

1、在线气体分析仪器及分析系统设计与应用技术讲座第一部分（2)第三讲顺磁氧分析器主讲人：朱卫东 2011年第三讲 顺磁式氧分析仪3.1概述3.1.1 顺磁氧分析器测量概述顺磁式氧分析器的定义及分类顺磁式氧分析器，是根据氧气的体积磁化率比一般气体高得多，在磁场中具有极高顺磁特性的原理制成的一类测量气体中氧含量的仪器。 目前有三种类型的顺磁式氧分析器，即: 热磁对流式、 磁力机械式、 磁压力式氧分析器。气体介质处于磁场会被磁化，根据气体的不同也分别表现出顺磁性或逆磁性。如O2、NO、NO2等是顺磁性气体，H2、N2、CO2、CH4等是逆磁性气体。 气体的体积磁化率不同物质受磁化的程度不同，可以用磁化强

2、度M来表示： M=kH 式中M磁化强度； H外磁场强度； k物质的体积磁化率。物质的体积磁化率k 的物理意义是指在单位磁场强度作用下，单位体积物质的磁化强度。磁化率为正，k0称为顺磁性物质，它们在外磁场中被吸引；k0则称为逆磁性物质，它们在外磁场中被排斥；k值愈大，则受吸引和排斥的力愈大。表3-1常见气体的体积磁化率及相对磁化率 混合气体的体积磁化率对于多组分混合气体来说，它的体积磁化率可以粗略地看成是各组分体积磁化率的算术平均值。在含氧混合气体中(含有大量NO和NO2等氮氧化物的特殊情况除外)，除氧以外其余各组分的体积磁化率都很小，数值上彼此相差不大，且顺磁性气体和逆磁性气体的体积磁化率有互

3、相抵消趋势。混合气体的体积磁化率基本上取决于氧的体积磁化率及其体积分数。氧的体积磁化率在一定温度下是已知固定值，所以只要能测得混合气体体积磁化率，就可得出混合气体中氧的体积百分含量。附录：氧分析器的测量原理分类3.2热磁对流式氧分析器热磁对流式氧分析器分为内对流式热磁氧分析器和外对流式热磁式氧分析器。它们的工作原理均基于热磁对流产生的热效应。内对流式检测器，热磁对流在热敏组件（中间通道管）内部进行，热敏组件与被测气体是隔绝的，通过薄壁石英玻璃管进行热交换，因此不会与样气发生任何化学反应，也不会受到样气的玷污和侵蚀，但热量传递受到一定影响，增加了测量滞后时间，灵敏度也相对较低，另外要求检测器处于

4、水平工作位置。内对流式热磁氧分析器的工作原理 待测气体从底部入口进入环形气室后，沿两侧流向上端出口。如果被测混合气体中没有顺磁性气体存在，这时中间通道内没有气体流过，电阻丝r1、r2没有热量损失，电阻丝由于流过恒定电流而保持一定阻值。当被测气体中含有氧气时，左侧支流中的氧受到磁场吸引而进入中间通道，从而形成热磁对流，然后由通道右侧排出。经右侧支流，流向上端出口。环形气室中右侧支流中的氧因远离磁场强度最大区域，受不到磁场吸引，加上磁风的方向是自左向右的，所以不可能由右端口进入中间通道。 由于热磁对流的结果，左半边的电阻丝r1的热量部分被气流带走产生热量损失，右半边电阻丝r2没有热量损失，因此造成

5、r1、r2阻值产生差异，导致测量电桥失去平衡，产生输出信号。被测气体中氧含量越高，磁风流速越大，r1、r2阻值相差越大，测量电桥的输出信号就越大。由此可见，测量电桥的输出信号大小就反应了被测气体中氧含量的多少。外对流式检测器，热磁对流在热敏组件外部进行，其热敏组件与被测气体直接接触换热，测量滞后小、灵敏度高，输出线性好。通常采用双桥结构，能有效补偿样气压力、环境温度等干扰影响，但结构复杂，制造困难。外对流式磁氧分析器的工作原理 被测气体由入口进入主气道，依靠分子扩散进入两个气室，如果被测气体没有氧的存在，那么两个气室的状况一致，两个气室形成的自然对流相同，两个热敏组件单位时间的热量损失相同，阻

6、值也相同。 当被测气体中有氧存在，主气道中的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组件（热敏组件），氧分子向磁极靠近的同时被加热而导致其体积磁化率下降，受磁场吸引力减弱，较冷的氧分子不断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。 测量气室中存在热磁对流和自然对流，其工作热敏组件受到两种形式对流带来的热量损失。而参比气室中不存在磁场，只有自然对流，参比热敏组件只受到自然对流影响，而与氧含量无关。这样两个热敏组件的温度出现差异，阻值不再相等，其差值取决于被测气体中的氧含量。这

7、样测量电桥的输出信号也就代表了被测气体中的氧含量。南分热磁对流式氧分析器主要技术指标如下：1）测量范围CD-3631 0-1% O2 CD-3632 0-2% O2CD-3633 0-2.5% O2 CD-3634 0-5% O2CD-3635 0-10% O2 CD-3636 0-21% O2CD-3637 95-100%O2 CD-3638 98-100%O22）线性误差：2%FS3）零点漂移和量程漂移：不大于2%FS/7d4）重复性误差：不大于1%FS5）数字显示，标准信号输出：4-20(或0-10)mA 负载电阻5506）通讯输出： RS485（可选）7）报警输出： 上、下限报警触点容

8、量 264VAC/1A或30VDC/1A3.3磁力机械式氧分析器磁力机械式氧分析器检测部件结构及原理示意图参见图3-3。在一个密闭的气室中，装有两对不均匀磁场的磁极2和3，它们的磁场强度梯度正好相反。两个空心球体4（内充纯净的氮气或氩气）置于两对磁极的间隙中，空心球之间通过连杆连接在一起，形状类似哑铃。连杆用弹性金属带5固定在气室壳体上，这样，哑铃只能以金属带为轴转动而不能上下移动。在连杆与金属带交点处装一平面反射镜6。磁力机械式氧分析器检测部件结构及原理示意图 被测样气由入口进入气室后，就充满了气室。两个空心球被样气所包围，被测样气的氧含量不同，受到磁场的作用力Fm就不同。如果两个空心球体积

9、相同，则受到的力大小相等、方向相反，对于中心支撑点金属带而言，它受到的是一个力偶Mm的作用，这个力偶促使哑铃以金属带为轴心偏转，该力偶矩为 Mm= Fm2Rp式中 Rp球体中心至金属带的垂直距离（哑铃的力臂）在哑铃做角位移的同时，金属带会产生一个抵抗哑铃偏转的复位力矩以平衡Mm，被测样气中的氧含量不同，旋转力矩和复位力矩的平衡位置不同，也就是哑铃的偏转角度不同，这样，哑铃偏转角度的大小，就反映了被测气体中氧含量的多少。 对哑铃偏转角度的测量，大多是采用光电系统来完成的如图3-3所示，由光源发出的光投射在平面反射镜上，反射镜再把光束反射到两个光电组件（如硅光电池）上。在被测样气不含氧时，空心球处

10、于磁场的中间位置，此时，平面反射镜将光源发出的光束均衡地反射在两个光电组件上，两个光电组件接收光能相等，一般两个光电组件采用差动方式连接，因此，光电组件输出为零，仪表最终输出也为零。 当被测样气中有氧存在时，氧分子受磁场吸引，沿磁场强度梯度方向形成氧分压差，其大小随氧含量不同而异，该压力差驱动空心球移出磁场中心位置，于是哑铃偏转一个角度，反射镜随之偏转，反射出的光束也随之偏移，这时，两个光电组件接收到的光能量出现差值，光电组件有毫伏电压信号输出。被测气体中氧含量越高，光电组件输出信号越大。该信号经回馈放大镜放大作为仪表输出。为了改善仪器的输出特性，有的在空心球的外围环绕一匝金属线圈，如图3-4

11、所示。该金属线圈在电路上接收输出电流的回馈，对哑铃产生一个附加复位力矩，从而使哑铃的偏转角度大大减小。与热磁式氧分析器相比，磁力机械式氧分析器具有如下优点。它是对氧的顺磁性直接测量的仪器，在测量中不受被测气样导热性变化、密度变化等影响。在0100%O2范围内线性刻度，测量精度较高，测量误差可低至0.1%O2。灵敏度高，除了用于常量氧的测量以外，还可用于微量氧（O2级）的测量。从以上几个方面可以看出，磁力机械式氧分析器优于热磁对流式氧分析器。使用注意事项：磁力机械式氧分析器基于对磁化率的直接测量，像氧化氮等一些强顺磁性气体会对测量带来严重干扰，所以应将这些干扰组分除掉。此外，一些较强逆磁性气体也

12、会引起不容忽视的测量误差，如氙（Xe）等，若气样中有含量较多的这类气体时，也应予以清除或对测量结果采取修正措施。 氧气的体积磁化率是压力、温度的函数，气样压力、温度的变化以及环境温度的变化，都会对测量结果带来影响。因此，必须稳定气样的压力，使其符合调校仪表时的压力值。环境温度及整个检测部件均应工作在设计温度范围内，一般来说，各种型号的磁力机械式氧分析器均带有温度控制系统，以保证检测部件在恒温条件下工作。无论是短时间的剧烈振动，还是轻微的持续振动，都会削弱磁性材料的磁场强度，因此，该类仪器多将检测部件的敏感部分安装在防振装置中。当然，仪器安装位置也应避开振源并采取适当的防振措施。另外，任何电气线

13、路不允许穿过这些敏感部分，以防电磁干扰和振动干扰。磁力机械式氧分析器的主要性能指标以Servomex 2200为例：测量范围：0100%O2 最小量程 0-0.5%O2线性偏差： 1%FS重复性误差：1%FS零点漂移：0.01%O2/7天量程漂移：0.05%O2/7天响应时间：47s3.4磁压力式氧分析器 根据被测气体在磁场作用下压力的变化量来测量氧含量的仪器称为磁压力式氧分析器。其测量原理如下。被测气体经入磁场后，在磁场作用下气体的压力将发生变化，只是气体在磁场内和无磁场空间存在着压力差。 P=1/20H2k式中 P-压差 0-真空导磁率 H-磁场强度 k-被测气体的体积磁化率 由上式可知压

14、差P与磁场强度H的平方及被测气体的体积磁化率k均成正比。 在同一磁场中，同时引入两种磁化率不同的气体，那么两种气体同样存在着压力差，这个压力差与两种气体磁化率的差值也同样存在正比关系。 P=1/20H2（kmkr）式中 km被测气体的体积磁化率 kr参比气体的体积磁化率 当分析器结构与参比气体确定后0、H、kr均为已知量，km与P有着严格线性关系。由于被测混合气体的体积磁化率基本上取决于被测气体中氧的磁化率及其体积分数即 kmk1 c1式中 k1被测混合气体中氧的体积磁化率 c1被测混合气体中氧的体积分数由此可以得到磁压力式氧分析器测量原理如下： P=1/20H2（k1 c1kr）磁压力式氧分

15、析器中，被测混合气体中氧的体积分数与压差P有线性关系，测量室中被测气体的压力变化量被传递到磁场外部的检测器中转换为电信号。目前使用的检测器主要有薄膜电容检测器和微流量检测器两种。图3-5为采用微流量检测器的磁压力式氧分析器（OXYMAT61型）测量原理。采用微流量传感器检测压差P，微流量传感器中有两个被加热到120的镍隔删电阻，和两个辅助电阻组成惠斯通电桥，变化的气流导致镍隔删电阻值发生变化，使电桥发生偏移。测量开始前，两路参比气压力相等，P=0，测量桥路无信号输出。 当电磁铁通电励磁时，周围形成磁场，样气中氧分子被吸引，朝磁场强度较大的右侧运动，并推动参比气逆时针流动，穿过传感器并产生输出信

16、号。当电磁铁断电去磁时，磁场消失，由于参比气压力设定比样气高，右反通道的参比气反向流回测量室，此时参比气顺时针流动，反向穿过传感器并输出信号。 采取一定频率的通断电流，对电磁铁反复励磁和去磁，便可在测量桥路中得到交流波动信号。信号强度与样气中的氧含量成正比。微流量传感器位于参比气中，不直接接触样气，避免了样气的导热变化及腐蚀等影响右图为采用微流量检测器的磁压力式氧分析器测量原理 薄膜电容检测器磁压力式氧分析（Magnos4G）测量原理 该产品的参比气VG和测量气MG相对进入测量池中的磁隙中，磁隙位于电磁铁线圈EM的中间，当EM通入12.5Hz的交流电流时，便在磁隙周围产生相同频率的磁场，两种气

17、体通过磁场时，由于氧的顺磁性而使气体中的氧分压发生变化，而气体中的氧浓度与压力的变化成严格的线性关系。当两者氧浓度不同时，两种气体间就会产生一压差P，此压差传递到接收器E中的钛膜电极的两侧，是薄膜电容器的钛膜电极（可动电极）产生偏移，薄膜电容器的电容量发生变化，将压差信号转换成与之成比例的电信号。该信号经放大处理显示氧含量。磁压力式氧分析器的主要性能指标：测量范围：01% O2 0100%O2线性偏差： 1%FS重复性误差：1%FS零点漂移：1%FS/7天量程漂移：1%FS/7天响应时间：2.54s3.5顺磁式氧分析仪的误差分析及仪器调试3.5.1顺磁式氧分析仪的误差分析顺磁式氧分析仪在使用中

18、可能出现的附加误差如下：气样温度变化引起的误差理论推导顺磁式氧分析仪的示值与气样温度的平方成反比，常温情况下，气样温度变化1，热磁式氧分析仪的示值可能变化1%5%。在顺磁式氧分析仪设计中普遍采取恒温处施恒温控制在600.1。气样压力变化引起的误差理论推导顺磁式氧分析仪的示值与气样压力成正比，由于气样直接放空，因此大气压力或放空背压的变化都会影响检测器的气样压力变化，影响输出值。通常在仪器投运前用标准气进行校准，可消除由于使用地的大气压力差异的影响。对仪器放空背压的变化，可加装背压调节伐或其它稳压处施。气样流量变化引起的误差气样流量的变化仪器的误差较大，当流量波动10%，示值误差变化可达1%5%

19、。对热磁式氧分析器在样品处理时需设置稳压阀，必要时再设置稳流阀，以减小流量的影响。对磁力机械式氧分析仪及磁压式氧分析器，需要调节选择最佳流速，使得输出信号最大，而流速变化影响很小。气样中背景气成分变化引起的误差气样中的背景组分对磁力机械式及磁压式氧分析器的测量应注意，背景气是否存在其它强顺磁性气体如：氧化氮,带来的严重干扰，对较强的逆磁性气体如：氙（Xe）也会带来严重干扰。对存在的干扰气体应予以清除或修正测量结果。对热磁式氧分析器还与气体的热效应有关，如氢与二氧化碳对氧的测量结果带来影响，如：H2含量增加0.5%，仪器示值将降低0.1%O2，CO2含量增加1.5%，仪器示值将增加0.1%O2。

20、气样经处理由于背景气成分变化引起误差样品气在处理过程中对检测的有害组分如：水分及干扰气体等进行处理，这些组分的含量如比较高，则在去除后会引起样品气组分的变化，从而引起氧含量的变化。另外在样气处理过程中，某些易溶于水的气体在样气除水过程中可能会与水接触而溶于水，如：CO2、SO2等气体在水洗处理中会溶于水，从而使混合气体中的氧含量升高。因此在样气处理中应予以注意。标准气组成带来的误差标准气中的非氧组分应与被测气体的背景气组分一致，可使标定时的测量误差最小。通常用氮气作零点气，并用氮气为背景气配置量程气。此时应注意被测气体的背景气体积磁化率与氮气的体积磁化率是否有较大差异？如差异较大会引起分析器的

21、零点与量程校准的误差。当采用空气作为量程器或参比气时应注意采用新鲜干燥的空气。3.4.2顺磁氧分析器的调试与维护1）顺磁式氧分析器的安装调试注意事项内对流式热磁氧分析器在安装时应特别注意检测器处于水平位置，仪器装有水平仪。应调节水平仪的气泡在标记的中间。磁力机械式氧分析仪应注意清除干扰组分，如氧化氮气体等，安装处特别注意防震动，防电磁干扰，通常检测器要安装在防震装置上。磁压式氧分析器必须通入参比气，使用中应保持参比气的正常流量。2）顺磁式氧分析器的维护注意事项注意各种顺磁式氧分析器对温度的影响，大多仪器装有恒温控制装置，应检查仪器的温控是否正常工作。应检查进入仪器的样气压力、流量是否正常，气样

22、的压力、流量的变化对氧的体积磁化率都有影响，会影响测量结果的准确性。气样的压力、流量的变化会引起附加误差。注意仪器的零点和量程调整，仪器在调整前必须进行预热准备，在仪器指示稳定后，再进行调整。4.1生物的安全性转基因 1972年美国斯坦福大学的伯格第一次重组DNA获得成功.转基因生物的安全性 1.转基因的重要成果 (1)微生物方面:把某些重组DNA转移到细菌中表达获得成功,随后,使出现了具有重要经济价值的各种重组微生物,如可以清除石油污染的假单孢杆菌等.一、转基因成果令人叹为观止转基因细菌可治癌症 英国医学专家日前将转基因大肠杆菌与一种抗癌药相结合，成功杀死了实验鼠体内的癌细胞。科学家将转基因

23、大肠杆菌注射到实验鼠的肿瘤内，再给实验鼠注射一种名叫6MPDR的抗癌药。这种药无法单独发挥作用，但是一种由转基因大肠杆菌分泌的酶能将此药物“激活”，形成一种有效的毒素，将其周围的癌细胞杀死，而不伤害其它组织器官。(2)基因制药方面:生物制药已经成为21世纪的朝阳产业. 近十几年来，在利用生物技术制取新药方面取得了惊人的成就，已有不少药物应用于临床。例如人胰岛素、人生长激素、干扰素、乙肝疫苗、人促红细胞生成素（Epo）、GM集落刺激因子（GMCSF）、组织溶纤酶原激活素、白细胞介素2及白介素11等。美国近几年基因制药发展情况国家发展策略投入资金临床试验 上市品种产值美国支持基础，创新，主导领先水

24、平100亿3501102001 年200亿日本合作，实用化，信息化两千亿日元50种以上50五千亿日元德国创新，转让，加大投入100682001年中国重视，优先、优惠20余种2030亿人民币 主要国家基因制药产业化概况 (3)转基因动物方面: (3)转基因动物方面:受到转基因巨型小鼠获得成功的鼓舞,科学家又在培育生长迅速、营养品质优良的转基因家畜、家禽方面,不断取得辉煌成就.同时,科学家还把转基因动物变成生物反应器 (4)转基因植物方面: 预防乙肝不用打针，只要吃几个西红柿就行。这可不是玩笑，中国农科院生物技术研究中心经过十年研究，培育出的抗乙肝西红柿顺利通过前三个阶段的测试，明年有望上市。吃西

25、红柿能防乙肝?转入荧光素酶蛋白基因的发荧光烟草改变花色的转基因矮牵牛花转 基 因 甜 椒转 基 因 西 红 柿蓝色玫瑰一直是人类美丽的梦想基因工程正在将它变为现实(4)转基因植物方面:目前,科学家已经培育出了大批具有抗虫、抗病、抗除草剂、抗逆等全心形状的农作物. 转基因农作物中，以种植转基因大豆和玉米最多，其次是转基因棉花和油菜。全球转基因农作物种植面积最大的前四个国家是：美国、阿根廷、加拿大、中国基因一旦被改动，一方面可能引起生物体内一系列未知的结构与功能的变化；另一方面，转基因操作对生物体的影响会通过遗传传递。 转基因技术的安全性问题外源基因引入后，是否会影响其他重要的调节基因，甚至会激活

26、原癌基因？转基因技术广泛应用是否会导致难以消灭的新病原物出现？是否会造成生态学灾难？人类摄食大量转基因食品是否会影响人类及其后代的健康？二、对转基因生物安全性的争论a.对基因的结构,基因间的相互作用及基因的调空机制都了解的相当有限;b.转移的基因虽然是功能一直的基因,但不少是异种生物的基因;c.外源基因插入宿主基因组的部分往往是随机的. 1、在转基因生物中,有时候会出现一些人们意想不到的后果的原因食物安全、生物安全、环境安全2、转基因生物与食物安全a.转基因食物引起食物安全性问题的理由 b.不必担心转基因食物安全性的理由反对“实质性等同”安全性检测问题滞后效应担心出现新的过敏原担心营养成分的改

27、变把动物蛋白基因转入农作物，是否侵犯了宗教信仰或素食者的权益没能足够的证据证明转基因食物有问题;多环节、严谨的安全性评价,可以保证转基因食物的安全科学家的负责态度可以防止新过敏原的产生至今尚未发现食用转基因食品而影响人体健康的事例 3、转基因生物与生物安全a.引起生物安全的理由b.不引起生物安全的理由转基因植物可能会扩散到种植区以外，成为杂草转基因生物可能成为“入侵的外来物种”威胁生态其他生物的生存外源基因可能与感染转基因生物的某些细菌获病毒杂交，重组出对人类或其他生物有害的病原体。有可能使杂草成为除不掉的“超级杂草”扩散到种植区以外的转基因农作物很快死亡。转基因农作物要表现出新性状，必须有一定的水、肥等条件，以及配套的种植技术。由于存在生殖隔离，转基因农作物很难与其他植物杂交。花粉传播的距离有限，时间有限。 4、转基因生物与环境安全a.引起环境安全的理