單 靜 吳 鵬 劉 林 陰 杰 王 杰

(中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心, 蘭州 732750)

1 引 言

氧含量是航空航天領域特種氣體的一個重要分析測試指標，目前廣泛應用的氣體氧含量的測量儀器主要分兩大類：一類是依據(jù)物理方法制成的，如熱磁式氧分析儀等；另一類是依據(jù)電化學方法制成的，如氧化鋯分析儀等[1]。隨著新材料和新技術的不斷產(chǎn)生，各類氧分析儀的性能愈來愈好，種類也愈來愈多，給實際生產(chǎn)和應用帶來了極大的方便[2,3]。但對于航空航天等領域，要求測試數(shù)據(jù)具有高精度，高靈敏度，因此各類氧分析儀的缺點同樣不可忽視[4]。本文著重研究了英國SERVOFLEX MiniMP(5200 Multipurpose)便攜式氣體分析儀，簡稱5200型氧分析儀。實驗室配置了兩臺5200氧分析儀，在航天試驗任務中主要承擔液氧、液氮、氧氣、氮氣和空混氣中氧含量的分析測試[5]。長期的化驗數(shù)據(jù)顯示，同種氣體樣品在不同的測試環(huán)境下，測得的氧含量存在一定的偏差[6]。而這樣的偏差，直接關系到樣品氣體中氧含量指標的合格與否。此外，航天員呼吸用空混氣的配制需要對氧含量進行實時監(jiān)控，稍有誤差將導致配氣失敗，最終影響航天任務的成敗，甚至威脅航天員的生命。因此，本文將對造成5200氧分析儀測試誤差的影響因素進行分析研究，并設計出一套改進方案，有效地解決氧含量測試偏差問題[7,8]。

2 5200氧分析儀工作原理

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

被測氣體由入口經(jīng)過主氣道，依靠分子的擴散充入到兩個氣室。若被測氣體中不存在氧，那么兩氣室里的狀況是完全相同的，擴散進來的被測氣直接與熱敏元件接觸，從而進行熱交換，形成了自然對流。由于兩氣室的參數(shù)完全相同，兩熱敏元件在單位時間內的熱損失也相同，其阻值也就相等。

當被測氣體中有氧存在時，主氣道中的氧分子在流經(jīng)至測量氣室上端時，在磁極上方裝有熱敏元件進行加熱，從而導致其體積磁化率的下降，在測量氣室內形成熱磁對流。這樣，在測量氣室內便存在熱磁對流和自然對流兩種形式。而參比氣室內由于不存在磁場，所以只存在自然對流，其熱敏元件的熱損失，也是只由自然對流造成的，與被測氣體的中氧含量無關。這樣，由于參比氣室和測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氣體中的氧含量。若把兩熱敏元件置于測量電橋中作為相鄰的兩個橋臂，那么橋路輸出的信號就代表了被測氣中的氧含量。

5200氧分析儀自帶充電電池，并配有標準充電器，采用液晶顯示，可測量氣體中的氧濃度范圍為0～100%O2，測量誤差±0.1%O2，工作溫度-10℃～+50℃。采樣系統(tǒng)包括聯(lián)合過濾器和自動流量控制器，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測量元件，并且阻止固體顆粒進入，保持樣品氣潔凈，多余的氣體由支路排出。5200型氧分析儀的測試流程圖如圖1所示。

3 原因分析

經(jīng)過多次實驗反復驗證，排除了人為操作因素(包括管路連接時漏氣、流量控制不準確，儀器放置不平穩(wěn)等)造成誤差的可能性之后，重點分析以下三個因素對測試結果的影響：氣體管路材質、管路長度和環(huán)境溫度。

3.1 氣體管路材質的影響

相關資料顯示[5,8]，部分材質(如聚四氟乙烯)作為氣體管路時，存在氧分子滲透的現(xiàn)象。為判斷氣體管路材質是否對5200氧分析儀的測試產(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行了驗證實驗：長度均取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%的氮中氧標準氣體，測試結果如表1所示。

表1 不同管路材質下的氧含量測試數(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，氣體管路材質對5200氧分析儀造成的測試誤差可以忽略。

3.2 氣體管路長度的影響

為判斷氣體管路長度是否對5200氧分析儀的測試產(chǎn)生影響，分別對不同長度的氣體管路進行了驗證實驗：管路材質為不銹鋼(無氧滲透)，長度分別為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%的氮中氧標準氣體，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

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

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

3.3 環(huán)境溫度的影響

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

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

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

以上實驗得出：管路材質和管路長度對氧含量的測定影響不大，可以忽略。環(huán)境溫度為引起氧含量測量數(shù)據(jù)波動的主要因素。結合目前的化驗任務，氧含量是一個至關重要的測試指標，因此有必要設計出一種改進方案，以消除環(huán)境溫度變化對氧含量測試帶來的誤差。

4 解決方案

根據(jù)第3節(jié)的分析，擬設計一套氣體管路恒溫裝置，通過控制氣體管路出口溫度，來消除環(huán)境溫度造成的測試誤差，保證測試結果的準確可靠。

4.1 氣體管路恒溫裝置設計

裝置主體設計為恒溫水浴加熱裝置，水浴槽內固定一3m長的不銹鋼蛇形管，兩端伸出水浴槽蓋板，分別為氣路進出口。水浴槽分內外兩層，內層用鋁板制成，槽底安裝有銅管，管內裝有電爐絲作為加熱元件。有控制電路控制加熱電爐絲。水浴槽內有測溫元件，可通過面板上控溫調節(jié)旋鈕調節(jié)溫度。裝置具有溫度設定、加熱和自動恒溫功能，其結構如圖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確控制管路出口處的氣體溫度，分別對不同設定溫度下的溫控準確性進行了驗證實驗。當水浴達到設定溫度后，管路通氣5分鐘，用水銀溫度計(計量檢定合格，并在有效使用期內)測試管路出口處溫度，測試結果如表5所示。

表4 設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，當水浴達到設定溫度后，管路通氣5分鐘，出口溫度基本能與設定溫度達到一致，說明該裝置的溫度控制精確可靠。

4.3 應用效果驗證

為檢驗該裝置是否可以消除環(huán)境溫度造成的測試誤差，設計如下實驗方案：在室內用標準氣體對5200氧分析儀進行校準，再將該標準氣體放置到室外進行測試，對比校準濃度和測試濃度之間的差異。測試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 兩種不同情況下校準濃度和測試濃度的對比Table 5 Comparison of calibration and measurement content under two different conditions

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

5 結束語

針對5200氧分析儀在不同測試環(huán)境下對同一樣品氣測得的氧含量存在偏差的問題，展開深入研究分析，并對三種可能性因素進行實驗驗證，得出結論是5200氧分析儀測試結果受環(huán)境溫度影響較大。為此，設計了一套氣體管路恒溫裝置，經(jīng)實驗驗證，該裝置可以準確控制樣品氣體的出口溫度，有效地消除了環(huán)境溫度對測試造成的誤差。

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

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