气体中氧含量测试影响因素研究

单 静 吴 鹏 刘 林 阴 杰 王 杰

(中国酒泉卫星发射中心, 兰州 732750)

1 引 言

氧含量是航空航天领域特种气体的一个重要分析测试指标，目前广泛应用的气体氧含量的测量仪器主要分两大类：一类是依据物理方法制成的，如热磁式氧分析仪等；另一类是依据电化学方法制成的，如氧化锆分析仪等[1]。随着新材料和新技术的不断产生，各类氧分析仪的性能愈来愈好，种类也愈来愈多，给实际生产和应用带来了极大的方便[2,3]。但对于航空航天等领域，要求测试数据具有高精度，高灵敏度，因此各类氧分析仪的缺点同样不可忽视[4]。本文着重研究了英国SERVOFLEX MiniMP(5200 Multipurpose)便携式气体分析仪，简称5200型氧分析仪。实验室配置了两台5200氧分析仪，在航天试验任务中主要承担液氧、液氮、氧气、氮气和空混气中氧含量的分析测试[5]。长期的化验数据显示，同种气体样品在不同的测试环境下，测得的氧含量存在一定的偏差[6]。而这样的偏差，直接关系到样品气体中氧含量指标的合格与否。此外，航天员呼吸用空混气的配制需要对氧含量进行实时监控，稍有误差将导致配气失败，最终影响航天任务的成败，甚至威胁航天员的生命。因此，本文将对造成5200氧分析仪测试误差的影响因素进行分析研究，并设计出一套改进方案，有效地解决氧含量测试偏差问题[7,8]。

2 5200氧分析仪工作原理

5200氧分析仪的检测器由两部分组成：参比气室和测量气室，两者在结构上完全相同。其中，在测量气室的下端装有磁极，形成了非均匀磁场，而在参比气室中没有磁极。两气室的底部都装有热敏元件，用来加热和测量，两个热敏元件的构造和参数完全相同。

被测气体由入口经过主气道，依靠分子的扩散充入到两个气室。若被测气体中不存在氧，那么两气室里的状况是完全相同的，扩散进来的被测气直接与热敏元件接触，从而进行热交换，形成了自然对流。由于两气室的参数完全相同，两热敏元件在单位时间内的热损失也相同，其阻值也就相等。

当被测气体中有氧存在时，主气道中的氧分子在流经至测量气室上端时，在磁极上方装有热敏元件进行加热，从而导致其体积磁化率的下降，在测量气室内形成热磁对流。这样，在测量气室内便存在热磁对流和自然对流两种形式。而参比气室内由于不存在磁场，所以只存在自然对流，其热敏元件的热损失，也是只由自然对流造成的，与被测气体的中氧含量无关。这样，由于参比气室和测量气室中热敏元件的温度出现差异，其阻值也就不等，两者阻值的差值取决于被测气体中的氧含量。若把两热敏元件置于测量电桥中作为相邻的两个桥臂，那么桥路输出的信号就代表了被测气中的氧含量。

5200氧分析仪自带充电电池，并配有标准充电器，采用液晶显示，可测量气体中的氧浓度范围为0～100%O2，测量误差±0.1%O2，工作温度-10℃～+50℃。采样系统包括联合过滤器和自动流量控制器，保证在压力变化的情况下有稳定恒量的样品气体流量通过测量元件，并且阻止固体颗粒进入，保持样品气洁净，多余的气体由支路排出。5200型氧分析仪的测试流程图如图1所示。

3 原因分析

经过多次实验反复验证，排除了人为操作因素(包括管路连接时漏气、流量控制不准确，仪器放置不平稳等)造成误差的可能性之后，重点分析以下三个因素对测试结果的影响：气体管路材质、管路长度和环境温度。

3.1 气体管路材质的影响

相关资料显示[5,8]，部分材质(如聚四氟乙烯)作为气体管路时，存在氧分子渗透的现象。为判断气体管路材质是否对5200氧分析仪的测试产生影响，分别用乳胶管、硅胶管、聚四氟乙烯管、不锈钢管和铜管作为气体管路进行了验证实验：长度均取1.0m，在20℃环境条件下，气体流量控制为0.25L/min，样品气为23.075%的氮中氧标准气体，测试结果如表1所示。

表1 不同管路材质下的氧含量测试数据Table 1 Measurement datas of oxygen content under different pipeline materials

由表1数据可知，在一般情况下，即使管路存在氧分子渗透的可能性，气体管路材质对5200氧分析仪造成的测试误差可以忽略。

3.2 气体管路长度的影响

为判断气体管路长度是否对5200氧分析仪的测试产生影响，分别对不同长度的气体管路进行了验证实验：管路材质为不锈钢(无氧渗透)，长度分别为0.5m，1.0m，1.5m，2.0m，2.5m，3.0m，在20℃环境条件下，气体流量控制为0.25L/min，样品气为23.075%的氮中氧标准气体，测试数据如表2所示。

表2 不同管路长度下的氧含量测试数据Table 2 Measurement datas of oxygen content under different pipeline length

由表2数据可见，在一定范围内，气体管路长度对5200氧分析仪的测试基本不造成影响。

3.3 环境温度的影响

为判断环境温度是否对5200氧分析仪的测试产生影响，分别对不同环境温度(-5℃,0℃,5℃,10℃,15℃,20℃,25℃,30℃,35℃)进行了验证实验，气体管路采用长3.0m不锈钢管，气体流量控制为0.25L/min，样品气为23.075%的氮中氧标准气体，测试数据如表3所示。

表3 不同环境温度下氧含量测试数据Table 3 Measurement datas of oxygen content under different environment temperature

由表3数据可见，不同环境温度对5200氧分析仪的测试影响较大，且环境温度越高，5200氧分析仪的测量值越高。

以上实验得出：管路材质和管路长度对氧含量的测定影响不大，可以忽略。环境温度为引起氧含量测量数据波动的主要因素。结合目前的化验任务，氧含量是一个至关重要的测试指标，因此有必要设计出一种改进方案，以消除环境温度变化对氧含量测试带来的误差。

4 解决方案

根据第3节的分析，拟设计一套气体管路恒温装置，通过控制气体管路出口温度，来消除环境温度造成的测试误差，保证测试结果的准确可靠。

4.1 气体管路恒温装置设计

装置主体设计为恒温水浴加热装置，水浴槽内固定一3m长的不锈钢蛇形管，两端伸出水浴槽盖板，分别为气路进出口。水浴槽分内外两层，内层用铝板制成，槽底安装有铜管，管内装有电炉丝作为加热元件。有控制电路控制加热电炉丝。水浴槽内有测温元件，可通过面板上控温调节旋钮调节温度。装置具有温度设定、加热和自动恒温功能，其结构如图2所示。

4.2 温度控制精度

为确保该气体管路恒温装置能准确控制管路出口处的气体温度，分别对不同设定温度下的温控准确性进行了验证实验。当水浴达到设定温度后，管路通气5分钟，用水银温度计(计量检定合格，并在有效使用期内)测试管路出口处温度，测试结果如表5所示。

表4 设定温度下管路出口的温度Table 4 Outlet temperature of gas pipeline under designated temperature

由表5数据可见，当水浴达到设定温度后，管路通气5分钟，出口温度基本能与设定温度达到一致，说明该装置的温度控制精确可靠。

4.3 应用效果验证

为检验该装置是否可以消除环境温度造成的测试误差，设计如下实验方案：在室内用标准气体对5200氧分析仪进行校准，再将该标准气体放置到室外进行测试，对比校准浓度和测试浓度之间的差异。测试数据如表5所示。

表5 两种不同情况下校准浓度和测试浓度的对比Table 5 Comparison of calibration and measurement content under two different conditions

由表6数据可见，当校准温度和测试温度相差较大时，在不使用气体管路恒温装置的情况下，同种标准气体的测试浓度与校准浓度偏差较大；而在使用气体管路恒温装置的情况下，同种标准气体的测试浓度与校准浓度基本一致。因此，该气体管路恒温装置可以有效地消除环境温度造成的测试误差。

5 结束语

针对5200氧分析仪在不同测试环境下对同一样品气测得的氧含量存在偏差的问题，展开深入研究分析，并对三种可能性因素进行实验验证，得出结论是5200氧分析仪测试结果受环境温度影响较大。为此，设计了一套气体管路恒温装置，经实验验证，该装置可以准确控制样品气体的出口温度，有效地消除了环境温度对测试造成的误差。

[1] 奚旦立，孙裕生等.环境监测[M].高等教育出版社:北京,2010.

[2] 王艳，王津文.几种高纯气体中氧含量的测定方法[J].分析与测试,2005(5):22～23.

[3] GB5831-1986.气体中微量氧的测定.比色法[S].

[4] 郑江琳.气体中微量氧分析测试方法综述[J].低温与特气,2012, 30(1):1～2.

[5] 张丙新.高精度氧分析仪性能简介[J] .低温与特气,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. 氧含量测定方法的选择与应用[J].低温与特气,2009,27(3):49～50.