顺磁氧气传感器工作原理
氧气是一种无色、无味、无臭的气体，化学式为O₂，是地球大气的重要组成部分。氧气在标准条件下为气态，密度略大于空气，占空气体积的约21%。它在低温或高压下可以液化，液态氧呈淡蓝色，具有特定的沸点和凝固点。氧气不易溶于水、乙醇和有机溶剂。氧气对地球上的生命至关重要，参与绝大多数生物体的呼吸作用和能量的产生。在生物学上，氧气是细胞呼吸过程中的关键消耗品，通过呼吸作用被生物体吸入，用于氧化有机物，释放能量、二氧化碳和水。这一过程是多细胞生物生存的基础。氧气在化学上性质较为活泼，能与多种元素形成化合物，是一种强氧化剂，能够在反应中接受电子。这一特性使其在许多化学反应中发挥关键作用，包括燃烧反应、腐蚀过程等。
在工业上，氧气被广泛用于钢铁制造、化学品生产、医疗、火箭推进以及水处理等领域。例如，在钢铁冶炼过程中，氧气被用作助燃剂；在医疗领域，纯氧或高浓度氧气被用于治 疗各种呼吸系统疾 病。此外，氧气在自然界中的循环是通过光合作用和呼吸作用实现的，维持了地球大气中氧气的相对稳定。氧气是许多生物和化学过程的重要组成部分，其监测在各种应用中至关重要，包括环境科学、医疗保健、工业过程和气体分析。在测量氧气浓度的几种方法中，顺磁性氧气传感器因其灵敏度、准确性和通用性而受到广泛关注。本文探讨了顺磁性氧气传感器背后的原理，重点介绍了热式磁风和机械式光学磁力方法，这是驱动其功能的基本机制。
|
常见气体的相对磁化率(0℃)
|
|
气体名称
|
相对磁化率
|
气体名称
|
相对磁化率
|
气体名称
|
相对磁化率
|
|
氧气（O2）
|
+100
|
氢气（H2）
|
-0.11
|
二氧化碳(CO2)
|
-0.57
|
|
一氧化氮(NO)
|
+36.3
|
氖气（Ne）
|
-0.22
|
氨气（NH3）
|
-0.57
|
|
空气(Air)
|
+21.1
|
氮气（N2）
|
--0.40
|
氩气(Ar)
|
-0.59
|
|
二氧化氮(NO2)
|
+6.16
|
水蒸气(H2O)
|
-0.40
|
甲烷(CH4)
|
-0.68
|
|
氦气（He）
|
-0.06
|
氯气（Cl2）
|
-0.41
|
|
|
顺磁性物质具有不成对的电子，导致它们对磁场的吸引力较强。氧（O₂）是顺磁性分子的一个显著例子，因为它有两个不成对的电子。这种独特的特性使顺磁性氧传感器能够利用磁力以高精度测量氧浓度。顺磁性氧气传感器旨在检测和量化气体中的氧气水平。它们基于磁场中氧分子之间的相互作用以及由此产生的压力和力的变化来工作。这些传感器广泛应用于从空气质量监测到医疗氧气治 疗和必须准确控制氧气浓度的工业过程的应用。顺磁氧气传感器分为热式磁风和光学机械磁力两种原理。
热式磁风顺磁氧气传感器工作原理：磁风顺磁性氧气传感器的基本方法之一，它依赖于氧气等顺磁性气体对磁场的响应原理。在磁风法中，将气体样品引入包含由磁场包围的加热丝的腔室中。样品气体中的氧气分子被吸引到磁场很强的加热丝上。当氧气分子到达加热丝时，它们会被加热并失去磁化率。这导致它们由于较冷的气体从下方进入而向上上升，从而产生了一种被称为“磁风”的现象。这种磁风的强度与样品气体中的氧气浓度成正比。为了补偿温度变化等环境因素，采用了与测量室相同但缺少磁场的参考室。通过测量磁风引起的加热丝线电阻变化，可以准确地确定样品气体中的氧气浓度。
然而，这种方法可能对环境温度的波动和气体成分的变化很敏感。
热式顺磁传感器使用顺磁和导热技术的组合来准确测量工艺气体中的氧含量。氧气是一种顺磁性气体，这意味着它被磁场吸引。正是这种特性可以用来确定许多背景气体中的氧气含量。氧的磁化率与其温度成反比。热式顺磁氧传感器使用温度控制的测量室和强磁场，在一对热敏电阻之间从工艺气体中产生氧气流（称为“磁风”）。这种“磁风”从热敏电阻中吸收热量。电阻的变化产生的信号与样品气体中的氧气浓度成正比。
热式磁法氧气传感器更高定性降低了校准成本的传感器大大消除了与其他同类设备相关的热敏电阻漂移，提高了测量的稳定性。这允许更长的校准间隔，并降低了劳动力和耗材成本。在某些设施中，如海上或油轮上，存在的运动和振动可能会影响其他类型传感器的运动部件。热顺磁氧气传感器没有运动部件，非常适合这些应用。该传感器不需要常规更换，也不会像电化学电池那样中毒。这将节省停机时间和维护成本。电池性能是一致的，不会漂移，因为它没有被工艺消耗。非耗尽传感器缩短了维修间隔，不需要定期更换电池。
除了氧气传感器的稳定性外，对机械冲击的不敏感性是热式顺磁技术的另一个优势。由于它仅依赖于磁场的波动，而不是内部运动部件，因此传感器将在各种环境条件下高效运行。它非常适用于振动或移动可能对其他传感器类型造成问题的安装。
热式顺磁氧气传感器的优点：
•没有活动部件或消耗品，这意味着拥有成本更低
•经过专门校准，可在所需范围内很大限度地提高精度
•耐腐蚀性样品气体
•稳定的氧气浓度测量
•价格和性能的良好平衡
•紧凑型设计（尤其适用于危险区域）
•校准间隔长达6个月
机械式光学磁力法顺磁性氧气传感器工作原理：机械式光学磁力法是中使用的另一种关键机制。这种方法不是产生气体流，而是侧重于测量顺磁性氧气分子施加的磁力。机械式光学磁力法测量气体样品对磁场的敏感性。气体的磁化率是指它对外部磁场的磁化程度。在氧气的情况下，更高的浓度会产生更强的磁效应。在这种方法中，将具有低磁化率的哑铃形物体悬浮在磁场中。当含氧气的样品气体被引入哑铃附近时，氧分子被吸引到强大磁场强度的点，导致哑铃在相反的方向上略微偏转。哑铃的这种偏转是通过连接到悬索上的光源和反射器来检测的。产生的信号用于产生与样品气体中的氧气浓度成比例的电流。光学机械式磁力方法提供了宽的动态范围，并且受背景气体存在的影响较小。然而，它可能容易受到污染和腐蚀，与其他方法相比，它对机械干扰的抵抗力较低。
顺磁氧气传感器是准确测量各种环境中氧气浓度的强大工具。热式磁风和机械光学磁力方法各自具有独特的优势，都是利用氧气的顺磁性来提供准确可靠的测量。随着各行各业对准确氧气监测的需求不断增长，顺磁氧传感器的开发和改进将在确保从医疗保健到环境监测等应用的质量、安 全和效率方面发挥关键作用。了解这些传感器背后的原理及其操作方法对于为特定需求选择合适的解决方案至关重要，有助于气体分析领域的技术和科学进步。热磁和光学机械式磁力两种顺磁氧传感器原理各有优缺点，在不同的应用场合具有不同的适用性。热磁氧气传感器结构较为简单，成本较低。
顺磁氧气传感器用于以下用途：
•惰化/覆盖液体储罐
•反应器原料气
•离心气体
•催化剂再生
•溶剂回收
•垃圾填埋气
•污水消化池气体
•氧气纯度
•监测碳氢化合物加工的惰性覆盖气体
•制药或化学工业用惰性气体
•沼气、废物、垃圾填埋场和沼气池工厂
•钢铁行业的炉气控制
•氮气发生器
•氧气发生器
