氣體中氧含量測(cè)試影響因素研究

單 靜 吳 鵬 劉 林 陰 杰 王 杰

(中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心, 蘭州 732750)

1 引 言

氧含量是航空航天領(lǐng)域特種氣體的一個(gè)重要分析測(cè)試指標(biāo)，目前廣泛應(yīng)用的氣體氧含量的測(cè)量?jī)x器主要分兩大類(lèi)：一類(lèi)是依據(jù)物理方法制成的，如熱磁式氧分析儀等；另一類(lèi)是依據(jù)電化學(xué)方法制成的，如氧化鋯分析儀等[1]。隨著新材料和新技術(shù)的不斷產(chǎn)生，各類(lèi)氧分析儀的性能愈來(lái)愈好，種類(lèi)也愈來(lái)愈多，給實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用帶來(lái)了極大的方便[2,3]。但對(duì)于航空航天等領(lǐng)域，要求測(cè)試數(shù)據(jù)具有高精度，高靈敏度，因此各類(lèi)氧分析儀的缺點(diǎn)同樣不可忽視[4]。本文著重研究了英國(guó)SERVOFLEX MiniMP(5200 Multipurpose)便攜式氣體分析儀，簡(jiǎn)稱(chēng)5200型氧分析儀。實(shí)驗(yàn)室配置了兩臺(tái)5200氧分析儀，在航天試驗(yàn)任務(wù)中主要承擔(dān)液氧、液氮、氧氣、氮?dú)夂涂栈鞖庵醒鹾康姆治鰷y(cè)試[5]。長(zhǎng)期的化驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，同種氣體樣品在不同的測(cè)試環(huán)境下，測(cè)得的氧含量存在一定的偏差[6]。而這樣的偏差，直接關(guān)系到樣品氣體中氧含量指標(biāo)的合格與否。此外，航天員呼吸用空混氣的配制需要對(duì)氧含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，稍有誤差將導(dǎo)致配氣失敗，最終影響航天任務(wù)的成敗，甚至威脅航天員的生命。因此，本文將對(duì)造成5200氧分析儀測(cè)試誤差的影響因素進(jìn)行分析研究，并設(shè)計(jì)出一套改進(jìn)方案，有效地解決氧含量測(cè)試偏差問(wèn)題[7,8]。

2 5200氧分析儀工作原理

5200氧分析儀的檢測(cè)器由兩部分組成：參比氣室和測(cè)量氣室，兩者在結(jié)構(gòu)上完全相同。其中，在測(cè)量氣室的下端裝有磁極，形成了非均勻磁場(chǎng)，而在參比氣室中沒(méi)有磁極。兩氣室的底部都裝有熱敏元件，用來(lái)加熱和測(cè)量，兩個(gè)熱敏元件的構(gòu)造和參數(shù)完全相同。

被測(cè)氣體由入口經(jīng)過(guò)主氣道，依靠分子的擴(kuò)散充入到兩個(gè)氣室。若被測(cè)氣體中不存在氧，那么兩氣室里的狀況是完全相同的，擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的被測(cè)氣直接與熱敏元件接觸，從而進(jìn)行熱交換，形成了自然對(duì)流。由于兩氣室的參數(shù)完全相同，兩熱敏元件在單位時(shí)間內(nèi)的熱損失也相同，其阻值也就相等。

當(dāng)被測(cè)氣體中有氧存在時(shí)，主氣道中的氧分子在流經(jīng)至測(cè)量氣室上端時(shí)，在磁極上方裝有熱敏元件進(jìn)行加熱，從而導(dǎo)致其體積磁化率的下降，在測(cè)量氣室內(nèi)形成熱磁對(duì)流。這樣，在測(cè)量氣室內(nèi)便存在熱磁對(duì)流和自然對(duì)流兩種形式。而參比氣室內(nèi)由于不存在磁場(chǎng)，所以只存在自然對(duì)流，其熱敏元件的熱損失，也是只由自然對(duì)流造成的，與被測(cè)氣體的中氧含量無(wú)關(guān)。這樣，由于參比氣室和測(cè)量氣室中熱敏元件的溫度出現(xiàn)差異，其阻值也就不等，兩者阻值的差值取決于被測(cè)氣體中的氧含量。若把兩熱敏元件置于測(cè)量電橋中作為相鄰的兩個(gè)橋臂，那么橋路輸出的信號(hào)就代表了被測(cè)氣中的氧含量。

5200氧分析儀自帶充電電池，并配有標(biāo)準(zhǔn)充電器，采用液晶顯示，可測(cè)量氣體中的氧濃度范圍為0～100%O2，測(cè)量誤差±0.1%O2，工作溫度-10℃～+50℃。采樣系統(tǒng)包括聯(lián)合過(guò)濾器和自動(dòng)流量控制器，保證在壓力變化的情況下有穩(wěn)定恒量的樣品氣體流量通過(guò)測(cè)量元件，并且阻止固體顆粒進(jìn)入，保持樣品氣潔凈，多余的氣體由支路排出。5200型氧分析儀的測(cè)試流程圖如圖1所示。

3 原因分析

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，排除了人為操作因素(包括管路連接時(shí)漏氣、流量控制不準(zhǔn)確，儀器放置不平穩(wěn)等)造成誤差的可能性之后，重點(diǎn)分析以下三個(gè)因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響：氣體管路材質(zhì)、管路長(zhǎng)度和環(huán)境溫度。

3.1 氣體管路材質(zhì)的影響

相關(guān)資料顯示[5,8]，部分材質(zhì)(如聚四氟乙烯)作為氣體管路時(shí)，存在氧分子滲透的現(xiàn)象。為判斷氣體管路材質(zhì)是否對(duì)5200氧分析儀的測(cè)試產(chǎn)生影響，分別用乳膠管、硅膠管、聚四氟乙烯管、不銹鋼管和銅管作為氣體管路進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：長(zhǎng)度均取1.0m，在20℃環(huán)境條件下，氣體流量控制為0.25L/min，樣品氣為23.075%的氮中氧標(biāo)準(zhǔn)氣體，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同管路材質(zhì)下的氧含量測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Measurement datas of oxygen content under different pipeline materials

由表1數(shù)據(jù)可知，在一般情況下，即使管路存在氧分子滲透的可能性，氣體管路材質(zhì)對(duì)5200氧分析儀造成的測(cè)試誤差可以忽略。

3.2 氣體管路長(zhǎng)度的影響

為判斷氣體管路長(zhǎng)度是否對(duì)5200氧分析儀的測(cè)試產(chǎn)生影響，分別對(duì)不同長(zhǎng)度的氣體管路進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：管路材質(zhì)為不銹鋼(無(wú)氧滲透)，長(zhǎng)度分別為0.5m，1.0m，1.5m，2.0m，2.5m，3.0m，在20℃環(huán)境條件下，氣體流量控制為0.25L/min，樣品氣為23.075%的氮中氧標(biāo)準(zhǔn)氣體，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同管路長(zhǎng)度下的氧含量測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Measurement datas of oxygen content under different pipeline length

由表2數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在一定范圍內(nèi)，氣體管路長(zhǎng)度對(duì)5200氧分析儀的測(cè)試基本不造成影響。

3.3 環(huán)境溫度的影響

為判斷環(huán)境溫度是否對(duì)5200氧分析儀的測(cè)試產(chǎn)生影響，分別對(duì)不同環(huán)境溫度(-5℃,0℃,5℃,10℃,15℃,20℃,25℃,30℃,35℃)進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，氣體管路采用長(zhǎng)3.0m不銹鋼管，氣體流量控制為0.25L/min，樣品氣為23.075%的氮中氧標(biāo)準(zhǔn)氣體，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同環(huán)境溫度下氧含量測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Measurement datas of oxygen content under different environment temperature

由表3數(shù)據(jù)可見(jiàn)，不同環(huán)境溫度對(duì)5200氧分析儀的測(cè)試影響較大，且環(huán)境溫度越高，5200氧分析儀的測(cè)量值越高。

以上實(shí)驗(yàn)得出：管路材質(zhì)和管路長(zhǎng)度對(duì)氧含量的測(cè)定影響不大，可以忽略。環(huán)境溫度為引起氧含量測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)的主要因素。結(jié)合目前的化驗(yàn)任務(wù)，氧含量是一個(gè)至關(guān)重要的測(cè)試指標(biāo)，因此有必要設(shè)計(jì)出一種改進(jìn)方案，以消除環(huán)境溫度變化對(duì)氧含量測(cè)試帶來(lái)的誤差。

4 解決方案

根據(jù)第3節(jié)的分析，擬設(shè)計(jì)一套氣體管路恒溫裝置，通過(guò)控制氣體管路出口溫度，來(lái)消除環(huán)境溫度造成的測(cè)試誤差，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

4.1 氣體管路恒溫裝置設(shè)計(jì)

裝置主體設(shè)計(jì)為恒溫水浴加熱裝置，水浴槽內(nèi)固定一3m長(zhǎng)的不銹鋼蛇形管，兩端伸出水浴槽蓋板，分別為氣路進(jìn)出口。水浴槽分內(nèi)外兩層，內(nèi)層用鋁板制成，槽底安裝有銅管，管內(nèi)裝有電爐絲作為加熱元件。有控制電路控制加熱電爐絲。水浴槽內(nèi)有測(cè)溫元件，可通過(guò)面板上控溫調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)溫度。裝置具有溫度設(shè)定、加熱和自動(dòng)恒溫功能，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.2 溫度控制精度

為確保該氣體管路恒溫裝置能準(zhǔn)確控制管路出口處的氣體溫度，分別對(duì)不同設(shè)定溫度下的溫控準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。當(dāng)水浴達(dá)到設(shè)定溫度后，管路通氣5分鐘，用水銀溫度計(jì)(計(jì)量檢定合格，并在有效使用期內(nèi))測(cè)試管路出口處溫度，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表4 設(shè)定溫度下管路出口的溫度Table 4 Outlet temperature of gas pipeline under designated temperature

由表5數(shù)據(jù)可見(jiàn)，當(dāng)水浴達(dá)到設(shè)定溫度后，管路通氣5分鐘，出口溫度基本能與設(shè)定溫度達(dá)到一致，說(shuō)明該裝置的溫度控制精確可靠。

4.3 應(yīng)用效果驗(yàn)證

為檢驗(yàn)該裝置是否可以消除環(huán)境溫度造成的測(cè)試誤差，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)方案：在室內(nèi)用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)5200氧分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，再將該標(biāo)準(zhǔn)氣體放置到室外進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比校準(zhǔn)濃度和測(cè)試濃度之間的差異。測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 兩種不同情況下校準(zhǔn)濃度和測(cè)試濃度的對(duì)比Table 5 Comparison of calibration and measurement content under two different conditions

由表6數(shù)據(jù)可見(jiàn)，當(dāng)校準(zhǔn)溫度和測(cè)試溫度相差較大時(shí)，在不使用氣體管路恒溫裝置的情況下，同種標(biāo)準(zhǔn)氣體的測(cè)試濃度與校準(zhǔn)濃度偏差較大；而在使用氣體管路恒溫裝置的情況下，同種標(biāo)準(zhǔn)氣體的測(cè)試濃度與校準(zhǔn)濃度基本一致。因此，該氣體管路恒溫裝置可以有效地消除環(huán)境溫度造成的測(cè)試誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)5200氧分析儀在不同測(cè)試環(huán)境下對(duì)同一樣品氣測(cè)得的氧含量存在偏差的問(wèn)題，展開(kāi)深入研究分析，并對(duì)三種可能性因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)論是5200氧分析儀測(cè)試結(jié)果受環(huán)境溫度影響較大。為此，設(shè)計(jì)了一套氣體管路恒溫裝置，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置可以準(zhǔn)確控制樣品氣體的出口溫度，有效地消除了環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試造成的誤差。

[1] 奚旦立，孫裕生等.環(huán)境監(jiān)測(cè)[M].高等教育出版社:北京,2010.

[2] 王艷，王津文.幾種高純氣體中氧含量的測(cè)定方法[J].分析與測(cè)試,2005(5):22～23.

[3] GB5831-1986.氣體中微量氧的測(cè)定.比色法[S].

[4] 鄭江琳.氣體中微量氧分析測(cè)試方法綜述[J].低溫與特氣,2012, 30(1):1～2.

[5] 張丙新.高精度氧分析儀性能簡(jiǎn)介[J] .低溫與特氣,2004,22(5):35～38.

[6] Brian DM, Colette MM, Gerard O. Fiber optic oxygen sensor based on fluorescence quenching of evanescent waveexcited ruthenium complexes in sol-gel derived porouscoatings. Analyst,1993,118(4):385～388.

[7] W Trettnak, C Kolle, F Renillger. Miniaturized luminescence lifetime-based oxygen sensor instrumentation utilizing a phase modulation technique. Sens Actuator B Chem. 1996,5(33～36):6～512.

[8] 戴斌. 氧含量測(cè)定方法的選擇與應(yīng)用[J].低溫與特氣,2009,27(3):49～50.