連續順磁氧氣測量解決方案

文/Michael Kamphus 博士

在氧氣生產及其后續使用期間，必須監控流路狀況，才能確保氣體最佳質量。本文討論了使用連續順磁氧氣測量賦予流程工業的優勢。

在許多行業中，氧氣都是重要的過程氣體。在食品工業中，二氧化碳或氮氣最常用作食品包裝中的保護氣體。但是，在肉類和香腸包裝中，氧氣含量卻高達80%，以確保肉類保持代表新鮮的粉紅色。在金屬工業中，氧氣與乙炔等燃氣結合，用于焊接、切割或熔化金屬。在鋼鐵廠中，氧氣被用于提高燃燒溫度；在醫療領域，氧氣被用于輔助呼吸等其他用途。

由于氧氣有如此廣泛的用途，對氧氣的需求也相應較高——2021 年，德國有57 臺工業空氣分離器生產了約60 億m3的氧氣。如圖1 所示，空氣分離器利用膜分離法或低溫林德－漢普遜循環從周圍空氣中提取氧氣。林德－漢普遜循環首先將空氣液化，然后將其分離成氧氣、氮氣和其他惰性氣體。為了保證生產的氣體的質量，至關重要的是需要對液體精餾分離過程進行計量控制和監測。如果精餾分離過程用時過短，氧氣中的雜質（例如氮氣或二氧化碳）含量可能會增大。水分、碳氫化合物、臭氧和硫或氯等腐蝕性成分也可能進入氧氣中。

圖1 僅在德國就有大約1 000 萬個壓縮氣瓶在流通

1 過程控制，確保優質

為了獲得優質氣體，必須連續在線監控生產過程。例如，甚至在開始精餾之前就可以測量純度，并采用初步清洗優化將氣體污染降至最低。純度為99.95%（3.5 級）意味著氣體中含有500 ppm 的雜質。對于6.0 級高純度氧氣（＞99.9999%純度，例如用作化學過程中的氧化劑或儀器分析中的工作氣體），雜質含量要求不高于10 ppm，因此其純度難以分析。為此，通常使用高度靈敏的非分散紅外吸收法，來檢測一氧化碳和二氧化碳等污染物。

數十年來，在固定污染源和無組織排放的應用中，國際社會廣泛認可HORIBA 對空氣質量和廢氣排放的測量方法。HORIBA 提供緊湊型測量設備產品，使用兩種不同的順磁測量方法（使用或不使用參比氣體）進行標準和高精度測量，用于氧氣的生產過程管理和品質監控。由于HORIBA 設備能快速響應，因此過程稍有異常，就會立即反映。終端用戶例如食品生產商、工業公司和醫用氣體供應商，可以測試其購入的氣體純度。

2 順磁測量的工作原理

氧氣分析設備使用的測量原理基于氧氣的特殊性質：氧氣具有順磁性，即它會受到磁體的磁極吸引或排斥。利用這種效應，可以定量測量氧氣，并且可以輕易區分氧氣與其他氣體。

在使用“啞鈴”法的順磁測量中，將兩個充氮玻璃球放置在磁場中并相互連接，類似于啞鈴，如圖2 所示。當氧氣流過周圍的測量單元時，它會受到磁場吸引，玻璃球會從磁場中偏轉。啞鈴旋轉軸上的反射鏡將光束反射到光電管上，光電管激活反饋電流，使啞鈴返回到其起始位置。所需的電流與氧氣濃度成正比：氧氣濃度越高，使啞鈴返回起始位置所需的力和電流越大。HORIBA VA-5006R 中使用的順磁啞鈴法不需要參比氣體，適合標準測量，足以滿足氧氣生產或技術應用的需求。

圖2 順磁測量法與磁壓法的比較

3 醫用氧氣的高精度測量

HORIBA 中使用的磁壓法適用于高精度純度測量。在測量中，氧氣流入VA-5003R 上的測量單元，可在測量單元中激活磁場。磁場激活時會將氧氣流推向充滿參比氣體的檢測器。氧氣含量越高，檢測器內膜的偏轉越大。VA-5003RH 不是產生一個磁場，而是產生兩個交替激活的磁場，從而獲得更高的精度。借助雙磁場，測量設備的重復性達到0.005%。這使得測量設備能夠監測99.995%的氧氣純度；相當于4.5 級，甚至超過了《歐洲藥典》的規格（規格要求醫療應用的氧氣純度至少為99.5%）。

《歐洲藥典》收集了關于藥品及其生產中使用的物質的質量、測試、儲存、分配和標簽的公認藥品法規，由德國聯邦藥品與醫療器械管理局、德國保羅· 埃爾利希研究所以及德國聯邦消費者保護和食品安全辦公室共同出版。《歐洲藥典》還規定了測量方法：用于測試氧氣純度的設備必須基于順磁測量原理，正是HORIBA 設備采用的方法。

4 啞鈴法還是磁壓法？

磁壓法可用來測量氧氣濃度的細微變化，即使在絕對濃度非常高的情況下也可以實現。磁壓法采用高純氧氣作為參比氣體；流量為12 mL/min，消耗量非常低。磁壓法除了測量精度更高之外，比順磁“啞鈴”法更大的優勢在于被測氣體不會與檢測器接觸。而在啞鈴法中，被測氣體直接流過反射鏡和玻璃球。隨著時間的推移，殘留物可能會輕微影響測量的準確性。

氧氣雜質的測量意味著必須在高濃度水平上測量非常小的濃度變化。因此，溫度和壓力的變化對測量精度的影響起著非常重要的作用。只有對這些影響進行精確的補償，才能實現高精度測量。

最終，氧氣測量方法的選擇取決于多種因素。然而，無論您選擇啞鈴法還是磁壓法，HORIBA 的VA-5000模塊化設計的產品組合均可以滿足您的分析測試需求。

為了快速反映過程變化，HORIBA測量設備提供連續分析，可以每天24 h 監控生產過程，并在30 s 內檢測測量值的變化。借助以太網/Modbus，48.26 cm（19 英寸）機架中的緊湊型設備可以集成到現有的分析系統中。此外，設備還提供八通道模擬輸出。軟件確保定期自動校準。

第一款順磁氧傳感器于20 世紀30年代在德國上市。盡管技術不斷優化，但測量原理不變。除了細微的技術優化之外，數字維護概念中的設備功能和集成會在不久的將來發揮更重要的作用。