光电比色类仪表教程.ppt

1 火电厂300MW及以上机组系统流程图 过热蒸汽DD,Na,SIO2 发电机 发电机冷却水DD,PH 凝结器 凝结水DD,O2,Na 凝泵 旁路 精处理 除氧器O2 除氧器 给水DD,PH,N2H2 炉水DD,PH,PO4,SIO2 锅炉 烟囱 再热蒸汽DD 饱和蒸汽DD 汽轮机 2 第一章、仪表类型 第二章、仪表结构 第三章、仪表工作原理 第四章、仪表介绍 第五章、仪表使用 第六章、仪表电路 第七章、我公司仪表在电厂中应用 第八章、仪表常见故障及排除 3 n 1056系列硅表、磷表、联氨表为在线水分析光电比色类仪表 。 型号 差异 磷表硅表联联氨表 试剂试剂钒钼 酸铵溶液 试剂 1：硫酸溶液 试剂 2：钼酸铵溶液 试剂 3：草酸溶液 试剂 4：硫酸亚铁铵 溶液 对二甲氨基苯甲醛 测测量周期4分钟（最短） 60分钟（最长） 10分钟（最短） 60分钟（最长） 5分钟（最短） 60分钟（最长） 量程及误误差(020)mg/L 误差：2%FS （0200）g/L;（02000）g/L 误差：2%FS （0100）g/L 误差：2%FS 光源和比色皿 光源：405nm（紫光） 比色皿长度：25mm 光源： 820nm（红光） 比色皿长度：50mm；25mm 光源： 450nm （蓝光） 比色皿长度：50mm； 25mm 4 仪器由电气系统和流路系统组成。电气系统位 于箱体的上部，下部为流路系统。 一、电气系统 电气系统包括：电源板、主板+液晶显示器、信号板、电流输出板、 控制板、继电器板主板、按键面板。 二、流路 流路系统包括：溢流杯、标液杯、计量混合杯、光度计组件、排污电 磁阀、精密计量泵。 5 硅、磷、联氨仪表外观基本相同，硅表流路系统如下图： 6 Q JJJJ 1234 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 15 15 16 17 1、硫酸试剂 2、钼酸铵试剂 3、酒石酸试剂 4、还原剂 5、精密计量泵 6、搅拌泵 7、标液瓶 8、校准阀 9、定容杯 10、计量阀 11、反应杯 12、混合阀 13、光度计 14、排污阀 15、排放 16、测量水样 17、溢流杯 硅表流路系统图 7 n 8 n该系列分析仪表属于光学式分析仪器 一、光学分析法的基本知识 比尔-朗伯定律有关术语 比耳定律的两种常见应用方法 影响分析精密度的因素 9 n光电比色原理朗伯-比尔（Lambert-Beer）定 律 n测定硅酸根含量的化学反应基理： 在pH值为1.11.3的条件下，水中的溶硅与 钼酸铵生成黄色硅钼络合物，用还原剂把硅钼络合物 还原成硅钼蓝，根据硅钼蓝的最大吸收波长，通过光 电比色法测量硅酸根的含量。 理论依据 10 n光学分析法： 基于被测成分的某些光学特性（如吸收光波、发射光波、反射光波、散射 光 波等），采用适当的装置，对被测成分进行定性或定量分析的法。 n光学分析特点法： 光学分析法具有准确、快速、灵敏、操作简便等优点，特别适于微量和痕 量 分析。光学式分析仪器种类之多和分析对象之广，在分析仪器中都居首位，在 种 类和数量上它约占分析仪器的30%-40%。这类仪器不仅广泛地用在电厂化学实验 室 的化学分析中，而且越来越多地用于生产流程的在线监督。 n光学分析法分类： 光学分析法按作用原理不同，可分为比色法、分光光度法、光谱分析法、 浊 度分析法等等，每种方法又均可采用多种型号的仪器。 11 n1、比尔-朗伯定律 当一束平行单色光（只有一种波长的光）照射有色溶液时，光的一部分被吸 收，一部分透过溶液。 设入射光的强度为I0，溶液的浓度为c，液层的厚度为b，透射光强度为I，则： 式中表示光线透过溶液时被吸收的程度，一般称为吸光度（A）或消光度（E）。 因此，上式又可写为： A=Kcb 上式为比尔-朗伯定律的数学表示式。它表示一束单色光通过溶液时，溶液的吸光 度与溶液的浓度和液层厚度的乘积成正比。 12 2、有关术语 1）透光率T 一束光通过溶液后的透射光强IT与入射光强I0的比值叫做透光率或透光度， 即: 式中:a=2.303K。 2）吸光度A 吸光度用下式定义： 吸光度也常称为消光度火光密度。 3）光程长L 光束通过溶液的厚度叫光程长，单位符号cm。 4）吸光系数K 不同吸光物质有不同的吸光系数，而且K还随所用的波长不同而异，任何物 都有最大吸收波长。当某一特定波长的光透过某特定的颜色时，K为一常量。 吸光系数K的量纲取决于光程长L和溶液浓度c所采用的量纲。 13 3、比耳定律的两种常见应用方法 1）等厚度法 液层厚度相同时，吸光度与吸光物质的浓度成正比。例如： 在标准溶液中 A1=KL1c1 在试样溶液中 A2=KL2c2 当L1=L2时 本公司仪表也是用此原理设计。其具体定义为： 根据朗伯比耳定律：当一束单色平行光通过有色的溶液时，一部分光能被溶液吸 收，若液层厚度不变，光能被吸收的程度（消光）与溶液中有色物质的浓度成正比。其 数学表达式： 式中：I0-入射光强度 I-透过光强度 C-有色物质浓度 L-有色溶液厚度 K-吸光系数（与溶液性质和入射光波长有关） 14 2）示差法 对于高含量的测定，若以试剂空白作参比溶液，即使没有偏离比耳定律的现象 ，所测的吸光度值也常超出准确测量的读数范围，因而引进误差，而示差法可 克服这一缺点。 示差法是采用一个与试样浓度接近的已知浓度的标准溶液，来代替空白溶液 作参比溶液的一种比色测定法。其测定原理如下。 设c1和c2分别为标准液和被测液的浓度，而且c2c1。根据比耳定律： A1=KLc1 A2=KLc2 所以A=KLc 示差法可以提高高含量溶液吸光光度法测量的准确度。 15 4、影响分析精密度的因素 用比色法，影响分析精密度的原因有两方面：一是由分析方法决定的， 二是由仪器本身引起的。前者引起的误差称为方法误差，后者称为仪器误差。 1）方法误差 a)溶液浓度的影响:被测物的浓度与吸光度的关系通常只在低浓度时与比耳 定律相符,测高浓度溶液时,浓度与吸光度之间的关系便偏离比耳定律，使 测量结果不准确。 b)操作条件的影响:在显色反应过程中，显色剂用量、溶液PH值、温度和显 色时间对溶液颜色的深浅或光的吸收都有一定影响。因此测定时须严格控 制操作条件，特别是要保证标准试样与被测样品操作条件一致。才能提高 测量准确度。 c)干扰物质的影响:干扰物本身的颜色，干扰物与显色剂生成有色物质.或者 干扰物与金属离子、显色剂生成稳定的无色物质，都会对溶液的颜色或显 色过程带来影响，影响分析精度。一般可用加掩蔽剂或将干扰物从溶液中 分离出去的方法予以消除。 16 2）仪器误差 a)光源的不稳定光源不稳定主要由光源的电压波动引起的。为了减少电源 电压的波动，仪器中设有稳压电源。有的仪器设计成双光路系统，以部分 地补偿光源不稳给测量带来的影响。 b)光的单色性影响在光电比色计和分光光度计中，为提高仪器的灵敏度和 分析准确度，都采用被测物最大吸收的单色光作为光源。光的单色性好,分 析精度越高。在光电比色计中，用滤光片得到单色光，其单色性较分光光 度计中用棱镜或光栅分成的单色光的单色性差。这样，在分析中易受其它 干扰物的影响，所以分光光度计的分析准确度较光电比色计高。在分光光 度计中，光的单色性还与光路上的狭缝宽度有关，狭缝越宽，光的单色性 越差，但狭缝过窄，光又太弱，不能满足测量要求。因此分光光度计要在 满足光强度的条件下，尽量减小狭缝的宽度。 17 3）光电元件的光电转换特性的影响 在一定条件下，光电元件（光电池、光电管、光电倍增管等）具有一定的 光电转换特性，且在一定范围内保持线性关系。但是由于元件老化或因受强光 照射而产生疲劳现象等原因，会导致光电转换关系变化，给测量造成误差。因 此老化的光电元件应及时更换，使用中应防止强光照射光电元件，被强光照射 过的光电元件，应将其置于暗处，让其消除疲劳，然后才能重新使用。光电池 的光电转换特性还与所带负载电阻的大小有关，当负载超过一定值时，其线性 关系变差，所以使用中要注意负载电阻的匹配。 4）比色皿的影响 同组比色皿的材质、厚度、长度应相同，否则也会给测量带来误差。在使 用中不要将不同仪器的比色皿混用。仪器在紫外区工作时，要用石英比色皿。 制作比色皿的材料要求对化学试剂高度稳定。 18 二、光学仪器的主要部件 2.1 光源 2.2 比色皿 2.3 光电元件 19 二、光学器件的主要部件 1、光源 光源是发射光的装置，光源分为两种，一种发射复色光，一种是单色光，仪表在 测 量过程中所用的光都是单色光，如果使用复色光源，还需将复色光转换为单色光， 将 复色光转换为单色光的装置称为单色光器，常用的单色光器有滤光片、棱镜或光栅 。 2、比色皿 比色皿是在测量时用来盛放显色溶液的容器，比色皿要求透明度高，清洁光滑 。测 量不同物质时，为获得好的响应斜率，比色皿的大小和长度是不同的，原则上，测 量浓 度越高的物质时，所用的比色皿也越小。 3、光电元件 光电元件在仪器中的作用是把光能转换成电能。 光电元件的转换作用是基于光电效应。由光的粒子性知道，频率为v的光波可以 看作 是由能为hv的粒子组成的粒子流，当这种粒子流打到不同性质的光电元件材料上时 ，可 能产生光电效应：光线作用到某物体上，在物体中产生一定方向的电动势，这种现 象称 为阻档层光电效应。基于这一效应工作的常用器件是光电池。 20 一、关键技术 n 独特有效的空白校准功能 n 本底补偿技术 n 使用隔膜精密计量泵 n 样水恒温预处理，保证低温水样的测量精度。 n 独特的工艺结构 21 二、关键技术介绍 1、空白校准的作用 任何电路都不可避免地会产生漂移现象，如果仪表产生了漂移，就会影 响测 量数值的真实性，为了消除电路漂移对测量值产生的影响，所有比色类仪表 均设 置了空白校准功能。空白校准的理论依据是：无论水的硅含量是多还是少， 是纯 水还是普通水，在未加入任何试剂之前其透光度非常好，且十分稳定。基于 这一 事实。无论何时，向仪表倒入空白水时其所测量的电压值理论上应该是一样 的， 如果不一样，那就说明是仪表产生了漂移（通常称为空白漂移）。电压差越 大说 明漂移越大。实际应用中，曲线校准的第一项为空白。测量时先测一下空白 ，如 果两个空白值产生差异，则说明漂移的存在，记录此差值，并按一定的方法 计算 出差值的大小，并在显示测量数值时补偿上。则显示值即为真实值，不受漂 移的 影响。 22 显色液吸光度-空白样水吸光度= SiO2 显色液吸光度 空白样水吸光度显色液吸光度 光源老化光源老化 样品浊度，色度样品浊度，色度 SiO2显色液 光路的机械位移光路的机械位移 光电池温漂光电池温漂 电气部件温漂电气部件温漂 23 2、本底补偿 本底补偿是硅酸根监测仪所特有的一项功能。可以将此项功能设为“开” 或 “关”。 设置此功能的原因是： 我们校准仪表所用的标准液是以零硅水为基础的，而在现实当中，根本就没有 零 硅水的存在，无论我们怎么努力 ，硅离子还是存在于水中，所以我们所做的标 准 除了添加的含量外还有水中原本就有的硅含量，即实际的硅离子浓度总比理论 的 硅离子浓度高，并且由于水中所含硅离子的浓度是一个未知量，所以并不能肯 定 高出多少，那么在测量时也就不能测得真实的硅含量。 本底补偿功能是通过用标准液对仪表进行的校准，因为理论上，校准时各 点 均应该在一条直线上，但是由于零点是倒加药，不受本底硅的影响，而其它各 点 均是正加药，受本底硅的影响。就造成了曲线的不线性，本底硅越高，则这种 不 线性越明显，根据不线性的程度，换算成一定的浓度值，再在测量时进行补偿 ， 这就是本底补偿功能的意义所 在。 24 通过两种已知标准液的增量标定及化学零点标定，实现未知无硅水中 本底硅浓度的精确测量。 有效解决由本底硅浓度带来的误差问题。不考虑本底硅，曲线1出 现了非线性，而且会造成测量值的误差。 25 计量泵工作原理如下图：活塞带到橡胶膜片，活塞受力F后，会改变空腔内的体积，依靠泵入 口和出口的单向阀来实现液体单向流动。空腔变大时，下面的液体被吸入空腔，上面的单向阀截止 。空腔变小时，空腔内的液体被顶向上方，下面的单向阀截止。达到向上泵试剂的目的。 3、精密计量泵 26 将样水引进恒温器，在恒温器中，样水的温度被恒定到 30，保证低温水样的测量精度。 保证测量的稳定性。 4、样水恒温（加热硅表） 27 n工艺创新： 采用特有的热处理工艺，消除有机玻璃内应力，避免了 成品部件放射状开裂的发生。 n结构创新 改造计量泵泵出口结构，提升加药精度，并有效解决了 试剂回流问题。 5、独特结构工艺 28 计量泵的出口结构 29 n硅酸根监测仪采用计量泵及空白校准技术 n采用精密计量泵代替传统的蠕动泵，实现水样与试剂的计量、采集系统 相对独立工作。在加试剂之前，首先将被测水样充入比色池，测量电压 值（吸光度），与初始校准的空白校准比较，计算由各种漂移引起的偏 差量，并将其在测量显色液的吸光度时扣除。 n解决蠕动泵的成本高，维护量大，在备件及试剂消耗量大，多通道测量 交叉污染严重的问题。 n首次针对仪表不可避免的漂移问题提出有效的解决方法，提高仪表测量 精度。 n样水恒温功能，保证低温水样的测量精度，以保证测量的稳定性。 小 结 30 二、仪表性能指标 n 相同指标： 示值误差：2%FS 重复性： 不大于1% 稳定性： 基线漂移：使用空白校准，检测不出 化学漂移：不大于1%读数/月（视试剂稳定性而异） 样品条件: 流量：(150300)mL/min 温度：（550） 压力：（14140）KPa 水样允许固体成分：不大于5微米（不允许有胶状物出现） 环境温度：（545） 环境湿度：不大于90%（无冷凝） 试剂消耗：最多3升/30天 显 示：中、英文（任选） 隔离输出:（010）、（020）或（420）mA（每个通道单独） 电 源：交流（85 256）V、频率（501）Hz 功 率：最大150W 报 警：断样报警、上限报警、下限报警（各通道独立输出） 31 n磷酸根监测仪 测量范围： （020）mg/L 测量周期： (4 60) min 最小分辨率： 0.01mg/L 试剂种类：1种 n硅酸根监测仪 测量范围：（0500）g/L或（02000）g/L任选 测量周期： (10 60) min 最小分辨率：0.1g/L 试剂种类：4种 n联氨监测仪 测量范围：（0100）g/L 测量周期：(5 60) min 最小分辨率：0.1g/L 试剂种类：1种 32 该部分功能详见仪表使用说明书 33 标定与校准标定设置 开始校准或标定初始标定 样品标定 手动标 定 输出校准输出16 当前进样 标准液 通道16 零点 斜率 零点+斜率 校准方式 自动标 定 自动标 定周期 标准液浓度 零点标定来源 本底补偿 显示设置 仪器记录曲线 日志 泵和阀 主 菜 单 输出保持输出16 采样顺 序 输出指定 输出类型 输出范围 输出测试 通道16 报警状态 报警配置 报警模拟 计量泵测试 泵阀测试 程序设定手动补偿 通道设定 输出设定 报警设定 安全设置 仪器复位 厂家测试 模式 通道切换时间 2.硅表菜单树单树 形图图 34 主板 计量泵 标定阀 通道阀 采样阀 计量阀 混合阀 排污阀 断样 检测器 键盘 显示屏 光度计 电源 隔离输出 断样报警继电器 超限报警继电器 仪器的系统框图如下： 35 1、电源板如下图： 交流电源端子 外接AC220V 主板连接端子 连接主板DDK1 36 继电器输出端子 连接用户接线端子排 主板连接端子 接主板DDK3 2、继电器板如下图: 37 3、电流输出板如下图: 主板连接端子 接主板DDK4 电流输出端子 38 4、信号板如下图: 主板连接端子 接主板DDK2 光度计光源接线端子 光度计参比端 光度计测量端 1、主板连接端子 端子DDK300为主板连接端子，信号板处理过的信号通过排线传递给主板。 2、光度计光源 端子J302接光度计的发光管，LED-接发光管负极，LED+接发光管正极。 3、光度计参比端 端子J301原接光度计参比侧连线。硅酸根监测仪不使用此端子。 4、光度计测量端 端子J300接光度计测量侧连线，SHLD接屏蔽层、GND接信号地、MEA接测量信号正 W300调整光源电流 （2834）mA W301调整测量电压 （40004400）mV 39 5、主板 电流板连接端子 连接电流板 DDK200 信号板连接端子 连接信号板 DDK300 控制板通讯端子 连接控制板J505 继电器板连接端子 连接继电器板 DDK400 电流输出2电流输出1 电源板连接端子 连接电源板 DDK100 40 6、控制板(加热硅) 电源端子 接AC220V 通讯端子 接主板J5 控制阀 端子 液位检测 端子 采样阀 端子 断样端子 接恒温器 搅拌泵端子 计量泵 端子 通道阀 端子 41 控制板（普通硅） 电源端子 接AC220V 通讯端子 接主板J5 计量泵 端子 通道阀 端子 控制阀 端子 液位检测端子 空气泵端子 42 一.电厂水处理系统水质监测及所用仪表情况： 仪仪表型号检测检测参数监测监测部位监测监测目的及作用监测监测指标标 硅表二氧化硅阴床出口监测阴床运行情况(0100)g/L 混床出口检测混床运行情况及水质(020)g/L 二.电厂水汽循环系统水质监测及所用仪表情况： 仪仪表型号检测检测参数监测监测部位监测监测目的及作用监测监测指标标 磷表磷酸盐炉水监控加药量(210)mg/L 联联氨联氨省