检测技术及仪表 教学课件 ppt 作者 樊春玲 第6章 工业分析仪表

第6章 工业分析仪表 教学目的与要求 1. 掌握工业分析仪表的组成和基本原理； 2.掌握热导式气体分析仪的原理和结构特点； 3.掌握氧量分析仪的原理和结构特点； 4.掌握pH、湿度、密度的测量原理和相应的分 析仪表。 主要内容 6.1 工业分析仪表简介 6.2 热导式气体分析仪 6.3 氧量分析仪 6.4 pH值的自动测量 6.5 湿度的自动测量 6.6 密度的自动测量 6.1 工业分析仪表简介 分析仪表是对物质的组成和性质进行分析和测 量，并能直接指示物质的成分及含量的仪表。 分析仪表分为实验室用仪表和工业用自动分析 仪表。前者用于实验室，其分析结果较准确， 通常是先人工现场取样，然后进行人工进样分 析。而后者用于连续生产过程中，周期性自动 采样，连续自动进样分析，随时指示、记录、 打印分析结果，所以工业分析仪表又称为在线 分析仪表或过程分析仪表。 工业分析仪表的基本组成 工业分析仪表一般由取样及预处理系统 、检测器、信号处理及转换系统以及显 示装置四部分组成，如图6-1所示。 6.2 热导式气体分析仪 热导式气体分析仪，是热学式成分分析仪器的一种，这种分析仪 器在工业上已经有几十年的应用历史。类型很多，能分析的气体 也很广泛，可分析气体混合物中某个组分的百分含量，如分析混 合气体中H2、CO2、SO2、NH3、Ar等气体的含量，是目前气 体成分分析仪器中比较基本和重要的一种。热导式气体分析仪在 化肥工业和有氢气作业的工业流程中，应用极为广泛。以热导式 气体分析仪作为变送器组成的自动调节系统，可以实现对生产过 程的自动调节，对于提高产品质量，安全生产和节能等有一定的 作用。此外，热导检测器也广泛应用于气相色谱仪和实验室分析 中。 6.2.1 热导分析的基本原理 由传热学知，同一物体各部分之间，或者互相接触的 两物体之间，若存在着温度差，则热量会从高温部分 传递到低温部分，或者从高温物体传向低温物体，这 种传递热量的方式叫热传导，简称导热。固体、液体 和气体都有导热能力。一般来说，固体导热能力强于 液体和气体，气体导热能力最弱。物体的导热能力以 热导率来表示，物体传热的关系可用傅里叶定律描述 ，即单位时间内传导的热量和温度梯度以及垂直于热 流方向的截面积成正比。 （6-1） （6-1） 由该式可以看到，通过介质微元等温面传导的 热量，不仅与等温面处温度梯度有关，而且与 介质的热导率成正比。介质的热导率越大，在 同样的温度梯度情况下，通过单位微元等温面 传导的热量越多，可见热导率标志着物质的导 热能力。式中的负号说明热量的传导方向与温 度梯度的方向相反（即温度下降的方向）。 气体导热的实质是气体分子在热运动过程中相互碰撞 而传递能量。气体导热率通常与温度有关。当温度升 高时，分子运动加剧，热导率随之增大。热导率与温 度的关系（在温度范围不是很大时）可近似写成： （6-2） 对于大多数烟气，一般都是由多种气体组成的混合气 体，除含有CO2外，还可能含有SO2、N2、O2以及 H2O（蒸汽）等。混合气体的热导率是由所含组分气 体的热导率共同决定的。对于彼此之间无相互作用的 多组分气体，其热导率可以近似地认为是各组分热导 率按组分含量的加权平均值，即： （6-3） 严格地讲，热导式成分分析仪只能解决双组分气体的 含量分析，此时式（6-3）的具体形式为： 设下标1的组分为待测组分，下标2为背 景气体。由于 ，于是： （6-4） （6-5） （6-6） 对式（6-5）微分，可得： 或 可见仪器的灵敏度与两个组分热导率之差成正 比，即双组分的热导率相差越大，仪器的灵敏 度越高。 （6-7） （6-8） 6.2.2 热导分析仪的检测器 1. 检测器的特性分析 实现将混合气体热导率的变化转换成热敏电 阻阻值变化的部件，称为检测器或热导池。图 6-2为热导池的结构示意图 图6-2 热导池结构示意图 1腔体；2电阻丝；3支撑弹簧；4绝缘； 5引线；6气体出口；7气体入口 2. 影响检测器特性的因素 （1）电阻丝的参数 ； （2）工作电流 ； （3）壁腔温度影响； （4）其他散热影响 。 3. 检测器的结构 （1）结构类型 根据待分析气体流过检测器的方式不同，检测器可分 为直通式、对流式和扩散式三种。 图6-3双臂直通式检测器结构示意图 图6-4 单臂对流式检测器结构示意图 图6-5 扩散式检测器结构示意图 图6-6 半扩散式检测器结构示意图 图6-7 双臂扩散式检测器结构示意图 （2）电阻丝支撑方法 如前所述，电阻丝是检测器的关键元件，它是在低温 情况下安装，在高温情况下工作，因此工作时其长度 会有所伸长。 图6-8 电阻丝支撑方法示意图 6.2.3 热导分析仪的测量桥路 最常用的是双臂测量线路。双臂测量线路与单臂测量 线路在线路安排上几乎没有什么区别，只是双臂测量 线路所采用的检测器是双臂热导池。具体测量线路如 图6-9（a）、（b）两种。 图6-9 双臂测量电路 图6-10 双桥路测量线路原理图 检测电桥；参比电桥；A交流放大器； SM可逆电机；Tp电源变压器 6.3 氧量分析仪 氧含量分析方法有两种：一种是物理分析法，如磁氧 分析器；另一种是电化学法，如氧化锆分析器。磁氧 分析器是利用氧的磁化特性工作的，根据仪器结构原 理不同，磁性氧化分析器又可以分为热磁式氧化分析 器和磁力机械式分析器。本节着重介绍磁式氧分析仪 和氧化锆分析仪。 6.3.1 磁式氧分析仪 1. 磁性氧量分析仪的物理基础 磁性氧量分析仪的物理基础建立在两个方面： （1）含氧混合气体的总磁化率随氧气含量而发生变化 ； （2）磁化介质在磁场中所受到的磁场力密度与介质的 磁化率有关。 2. 热磁对流式氧量分析仪 （1）工作原理 由居里定律知道，气体的磁化率与它的热力学温度有 关： 根据气体状态方程，可以得到气体的密度为： （6-27） （6-28） 将式（6-28）代入式（6-27），得： 可见，对于特定的气体（为定值），它的磁化率与气 体的压力成正比，与温度的平方成反比。 对于具有一定氧气含量的多组分混合气体，将式（6- 29）代入式（6-23）可得： （6-29）， （6-30）， 对于在磁场中相邻，但温度却不相同的两部分含氧混 合气体，假定它们的氧气含量相同，压力相等，由式 （6-26）和式可以得到二者所受到的磁力密度差为： （6-31） 磁风速度的大小，与磁力密度差有关： （6-32） 将式（6-31）代入式（6-32）得： （6-33） （2）典型分析仪器 仪器可按两种方式构成：一是通过测量磁风流 速确定待分析气体的氧气含量，二是用压力平 衡的方法，构成一个补偿压力，使之与磁风推 力平衡（此时磁风流速等于零），通过测量补 偿压力或有关参数的大小，实现混合气体的氧 量分析。 1）测速式热磁氧量分析仪 测速式热磁氧量分析仪，通常采用热线风速计 测量磁风流速，以实现对待分析气体的氧气含 量测定。仪器的典型结构如图6-11所示。 图6-11 测速式热磁氧量分析仪示意图 1水平通道；2环形气室；3磁极 2）压力平衡式热磁氧量分析仪 测速式热磁氧量分析仪具有明显的非线性，虽然通过 改变通道的方向可以提高仪器的适用范围，但对于中 间一段含量（例如40%80%）的测量仍然有一定的困 难。解决这一问题比较彻底的方法是采用压力平衡（ 或压力补偿）测量法。 图6-13 压力平衡式热磁氧量分析仪原理简图 1加热线圈；2热线风速计；3补偿压力源；4放大器 6.3.2 氧化锆氧量分析仪 氧化锆氧量分析仪也称为氧化锆氧量计是电化学式成分分析仪中 发展比较晚的一种。它开始出现于20世纪60年代，由于它具有结 构简单、工作可靠、灵敏度高、稳定性好、响应速度快、安装使 用方便等优点，因此发展很快。到20世纪70年代，美国、英国以 及日本等国家已经有成熟的产品。我国在此方面成熟较晚，70年 代初开始研制，目前已有一些厂家生产出正式产品。 氧化锆氧量计可以应用于硫酸、空气分离、燃烧系统等多组分气 体的氧量分析以及熔融金属的含氧测定。 氧化锆氧量计是根据浓差电池原理工作的。仪器的检 测器是氧化锆测试探头，又称电化学电池。它由两个 半电池组成，如图6-14所示。 图6-14 氧化锆浓差电池原理示意图 属于气体分析用的氧化锆探头主要有插入式和抽气式 两种，如图6-15和6-16所示。 图6-15 插入式氧化锆探头结构示意图 1氧化锆管；2外铂电极；3内铂电极；4铂引线；5氧化铝管； 6碳化硅过滤器；7金属套管；8法兰；9接线盒 图6-16 两端开口抽气式探头结构示意图 1、5氧化铝管；2氧化锆管；3外铂电极； 4内铂电极；6内电极引线；7外电极引线 6.4 pH值的自动测量 氢离子浓度的测定通常采用两种方法：一种是酸碱指 示剂法，它利用某些指示剂颜色随离子浓度而改变的 特性，以颜色来确定离子浓度范围。颜色可以用比色 或分光比色法确定，另一种是电位测定法，它利用测 定某种对氢离子浓度有敏感性的离子选择性电极所产 生的电极电位来测定pH值。这种方法的优点是使用简 单、迅速，并能取得较高的精度，在通常的pH值范围 内，实验室多采用此法。 6.4.1 pH计的结构 pH计也称酸度计，主要用来测量水溶液的pH值，pH 定义如下： （6-36） pH计是以电位法 为原理的pH测定 仪，它由电极组成 的变换器和电子部 件组成的检测器所 构成，如图6-18所 示。 图6-18 pH计组成示意图 1甘汞电极；2玻璃电极 6.4.2 电位式pH计 1电位法测量pH计理论 电位法测量pH的原理来源于能斯特公式。如把一支对 氢离子可逆的电极和一只参比电极放入到溶液中，就 组成了下列原电池。 由于原电池中参比电极的电位在一定条件下是不变的 ，那么原电池的电动势的数值就随着被测溶液中氢离 子活度而变。因此，可以通过测量原电池的电动势， 计算溶液中的pH值。氢离子选择电极符合能斯特方程 。 电极电位为： （6-37） 2. 电位法测量pH计的实用定义 在测量pH值溶液的原电池中，由于参比电极的电位随温度变化而变化等原因 ，使得无液界电位的原电池装置复杂，操作困难。因此，pH值的测量实际上 采用的是有液界电位的原电池。它是用相对已知的pHs标准溶液测定pHx比值 的，由下列原电池组成： 被测溶液为已知pHs标准溶液时，原电池电动势为： 当被测溶液为未知的pHx时，原电池电动势为： （6-38） （6-39） 若两次测定中 和 均保持不变（测定中，一定 条件下是不变的，的变化很小），则有： 上式称为pH的实用定义，由此可以看出标准溶液是测 量的基准。 （6-40） 6.4.3 pH值测量及应用 1. 实验室用酸度计 实验室用酸度计一般采用补偿法电位测量原理。对测量线路的要 求是在整个系统接通时，被测电池（即电极对产生的电动势）必 须在没有电流通过的情况下进行。否则，将会引起电解及电极的 极化作用，造成测量误差。这就是为什么要求采用补偿法测量的 原因。 酸度计的测量部分就是一般的电位计或电桥，图6-19是一种实验 室用酸度计测量线路原理图。 图6-19 实验室用酸度计测量线路原理图 M酸度计电极；R酸度计参比电极； Ea标准电池；Eb电池组 图6-20 带有温度自动补偿装置的桥式测量线路 M酸度计电极；R酸度计参比电极 为了提高仪表的稳定性，常采用深度负反馈放大电路。图6-21 表示这种酸度计的反馈原理图。通过简单的计算，可得到： 图6-21 酸度计反馈原理图 输入电压；净输入电压；反馈电压；输出电压 2. pH G型工业酸度计 pH G型工业酸度计可在线测量，并具有抗恶劣条件，长期运行 等特点。测量电极采用金属锑，参比电极采用固体电极，电机结 构坚固、性能稳定。锑电极表面的清洗采用机械刮片式，清洗效 果良好。pH G传感器结构如图6-22（a）、（b）所示。 图6-22 pH G型工业酸度计结构图 （a）常压式 （b）压力式 1电动机；2防护罩；3压簧； 4法兰； 5锑电动机；6刮片；7固参； 8转轴；9可调螺丝 3. 复合针型pH计 4. 离子膜pH计 5. 智能一体化具有总线功能的pH计 6.5 湿度的自动测量 6.5.1 湿度的表示方法 （1）绝对湿度 每单位体积（在一定温度及压力条件下）混合气 体中所含的水蒸气量，单位以g/m3表示。 （2）百分含量 水蒸气在混合气体中所占的体积分数，单位以% 表示。在微量情况下用百万分之几表示，符号就用表示，这里一 般也是以体积计算。 （3）水蒸气分压 水蒸气分压是指在湿气体的压力一定时，湿气 体中水蒸气的分压力，单位以毫米汞柱表示。 （4）露点温度 在一定温度下，气体中所能容存的水蒸气含量是 有限的，超过此限度就会凝结成液体露滴，此时的水蒸气量称之 为此温度下饱和水蒸气量。温度越高，饱和水蒸气量越大。相当 于水蒸气量达到饱和时的温度称为露点。 （5）相对湿度 相对湿度是指每立方米的湿气体中所含水蒸气的 质量与在相同条件（同温度同压力）下可能含有最大限度水蒸气 质量之比。相对湿度有时也称水蒸气的饱和度。单位是以%表示 。 6.5.2 干湿球湿度计 1. 测量原理 干湿球湿度计是一种使用十分广泛的湿度计，在气象 、空调、工业部门常用来测量和调节空气的相对湿度 。它是一个两支完全相同的温度计，如图6-27所示。 图6-27 干湿球湿度计示意图 1干球温度计；2湿球温度计；3棉纱吸水套管；t温差 6.5.3 露点湿度计 露点是气体中水汽达到饱和结露时的温度。一种未饱 和的气体，如将它的温度慢慢降低，其中含的水汽开 始冷凝成露时的温度就是露点。在这一露点温度时的 饱和水汽压与未饱和气体原来温度时的水汽分压相等 。水汽分压可以表示气体的绝对湿度，露点也是一种 常用的表示绝对湿度的方法。 如果空气的温度为 ，露点生成的温度为 ；则湿 空气的相对湿度可以通过下式算出： （6-48） 1. 光电冷凝式露点计 被测湿气进入露点测量室时掠过冷镜面，当镜面温度高于湿气的 露点温度时，镜面呈干燥状态，此时光电检露装置中光源发出的 光照在镜面上，几乎完全发射，由光电传感器感应到并输出光电 信号，经控制回路比较、放大、驱动热电泵，对镜面制冷。当镜 面温度降至湿气露点温度时，镜面上开始结露（霜），光照在镜 面上出现漫反射，光电传感器感应到的反射信号随之减弱，此变 化经控制回路比较、放大后调节热电泵激励，使其制冷功率适当 减小，最后，镜面温度保持在样气露点温度上。镜面温度由一紧 贴在冷镜面下方的铂电阻温度传感器感应，并显示在显示窗上。 图6-28 光电冷凝式露点计原理图 1样气进口；2样气出口；3光敏桥；4光源；5散射光检测器； 6直接光检测器；7镜面；8热交换半导体制冷器；9测温元件；10放大器； 11脉冲电路；12晶闸管整流器；13直流电源；14交流电源 2. 普通冷镜露点计 普通冷镜露点计是指采用热电制冷获得露或霜，用光电方法判断 露点，并由铂电阻温度计测定露点的光电露点计。图6-29是其 原理框图。借助热电制冷在镜面上形成露或霜，这些细小水滴靠 光电检测系统来确定。光电信号送往反馈系统以控制镜面的加热 或冷却，使整个测量过程保持一定的露层厚度。这种类型的露点 计广泛用于精密实验室测量，并作为检定的传递标准，它也用于 许多准确度要求高的工业领域的测量。 图6-29 普通冷镜露点计的原理框图 3. 氯化锂露点计 氯化锂露点计的工作原理是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽压 随温度而变化进行工作的。通过测量氯化锂饱和溶液的饱和水汽 压与被测气体的水汽分压相等，即达到平衡时盐溶液的温度，称 为平衡温度，来确定被测气体的露点。由于这种露点计结构简单 、性能稳定、寿命很长，因此使用甚广。 氯化锂露点计构造如图6-30所示 图6-30 氯化锂露点计结构示意图 6.5.4电解式湿度计 图6-31是电解式湿度计的原理图，仪器主要由电解池、电路部分 及气流系统组成。试样湿气从样气入口3进入仪器分为两路，一 路由旁通阀2和旁通流量计1经气样出口8排出，另一路干燥管4、 电解池5、流量调节器6及流量计7排出。电解电流由电源部分供 电及表头测量，也可用记录仪记录。气体流量用流量调节器（或 针阀）调节为恒定值（一般为100mL/min）。为了提高仪器的反 应速度，可采用高速取样，将旁通阀开大。 图6-31 电解式湿度计的原理图 1旁通流量计；2旁通阀；3气样入口；4干燥管；5 电解池；6流量调节器；7流量计；8气样出口 6.5.5 电容式湿度计 1. 工作原理 电容式湿度传感器是利用某些物质吸附水汽后，其电 介质的介电常数发生变化，从而引起电容量的改变而 工作的。湿敏膜与基体组成电极，当膜吸湿后，两极 电容变化，电容量随湿度变化而变化。电容式湿度计 用的电介质通常有两类：有机高分子介质和陶瓷。近 年来，等离子体复合膜和玻璃陶瓷作为介质的电容式 湿度传感器得到较快发展。 2. 测量电路 电容式湿度计常采用的测量电路有两种：一种是基于 脉冲调宽原理的模拟法，另一种是引入单片机的频率 测量法。 3. 高分子聚合物电容湿度计 高分子聚合物电容式湿敏元件是利用某些物质因吸收 和解吸所含水分引起的介电常数变化来测量湿度的。 6.5.6 压电晶体振荡式湿度计 1. 测量原理 采用具有压电效应的晶体制成压电晶体振子，因物理 、化学性能稳定而被广泛应用。这种压电晶体振子的 振荡频率的衰减率与重量成正比，其形状如图6-34所 示，在约9MHz AT切割型压电晶体振子的两面被蒸镀 上金电极，再在上面形成对湿度敏感而牢固的薄膜， 膜上吸附的水分质量（m）与压电晶体振子的频率 变化（f）之间存在着下列比例关系： （6-54 图6-34 压电晶体振荡式湿度传感器图 1石英振子；2感湿膜；3金电极 2. 湿度计结构与功能 采用压电晶体振荡式水分传感器的MAH湿度计的基本结构如图6-35 所示. 图6-35 MAH湿度计的基本结构 6.5.7 电阻式湿度计 1. 氯化锂电阻式湿度计 氯化锂湿度计的湿敏元件分为柱状和片状两种。目前 主要采用如图6-36所示的片状结构。 图6-36 片状氯化锂湿敏元件 2. 陶瓷湿度传感器 陶瓷湿度传感器采用金属氧化物半导体陶瓷湿敏元件 。这种元件的感湿体，是一种经过高温烧结的多孔陶 瓷体，它具有吸水性，容易吸附空气中的水汽，并且 很快达到平衡。金属氧化物的电阻随所吸水分的量而 变化，半导体陶瓷湿敏元件就是利用这种特性工作的 。 图6-37 陶瓷传感器的结构示意图 6.6密度的自动测量 6.6.1 密度测量的基本概念 密度是指在一定状态的温度和压力下，单位体积物质 （包括固体、液体和气体）的质量，常用克/厘米3（ g/cm3）、千克/米3（kg/m3）等单位表示。 其定义式为： （6-60） 6.6.2液体密度的测量 1. 浮子式密