成分分析仪表1.ppt

第9章成分分析仪表 9 1成分分析方法及分类9 2自动分析仪表的基本组成9 3工业常用自动分析仪表 9 1成分分析方法及分类 成分分析仪表是对物质的成分及性质进行分析的仪表 使用成分分析仪表可以了解生产过程中的原料 中间产品及最终产品的性质及其含量 9 1 1成分分析方法 成分分析方法分为两种类型 一种是定期取样 通过实验室测定的实验室人工分析方法 另一种是利用可以连续测定被测物质的含量或性质的自动分析仪表进行自动分析的方法 自动分析仪表又称为在线分析仪表或过程分析仪表 这种类型更适合于生产过程的监测与控制 是工业生产过程中所不可缺少的工业自动化仪表之一 9 1 2成分分析仪表分类 成分分析所用的仪器和仪表基于多种测量原理 在进行分析测量时 需要根据被测物质的物理和化学性质 来选择适当的手段和仪表 目前 按测量原理分类 成分分析仪表有电化学式 热学式 磁学式 射线式 光学式 电子光学式和离子光学式 色谱式 物性测量仪表及其他式 本章将介绍几种常用的自动分析仪表 9 2自动分析仪表的基本组成 工业自动分析仪表的基本组成如图9 1所示 图9 1工业自动分析仪表的基本组成 自动取样装置的作用是从生产设备中自动 连续 快速的提取待分析样品 预处理系统可以采用诸如冷却 加热 气化 减压 过滤等方式对所采集的分析样品进行适当的处理 为分析仪器提供符合技术要求的试样 检测器 又称传感器 是分析仪表的核心 它可以把被分析物质的组分或性质转换成电信号输出 信息处理系统的作用是对检测器输出的微弱电信号做进一步处理 变为标准信号 将其输出到显示仪表 显示仪表可以用模拟 数字或屏幕图文显示方式给出测量分析结果 整机自动控制系统用于控制各个部分的协调工作 使取样 处理和分析的全过程可以自动连续地进行 9 3工业常用自动分析仪表 工业用自动分析仪表种类很多 我们仅介绍其中较常用的热导式气体分析器 红外线气体分析器 氧化锆氧分析器 气相色谱分析仪 酸度检测仪表和湿度检测仪表 热导式气体分析器是一种使用最早的 应用较广的物理式气体分析器 它是利用不同气体导热特性不同的原理进行分析的 9 3 1热导式气体分析器 物体的导热能力即反映其热传导速率大小 通常用导热系数或热导率 来表示 气体的热导率还与气体的温度有关 导热系数愈大 表示物质在单位时间内传递热量愈多 即它的导热性能愈好 其值大小与物质的组成 结构 密度 温度 压力等有关 表9 1列出了在0 时以空气热导率为基准的几种气体的相对热导率 对于彼此之间无相互作用的多种组分的混合气体 它的导热系数可以近似地认为是各组分导热系数的加权平均值 即 9 1 表9 1气体在0 时的相导对热系数 式中 混合气体的导热系数 混合气体中第i种组分的导热系数 混合气体中第i种组分的体积百分含量 如果被测组分的导热系数为 其余组分为背景组分 并假定它们的导热系数近似等于 又由于所有组分的体积百分含量之和为1 将它们代入式 9 1 后可得或 9 2 9 3 用热导法进行测量时 应满足以下两个条件 1 混合气体中除待测组分外 其余各组分 背景组分 的导热系数必须相同或十分接近 2 待测组分的导热系数与其余组分的导热系数要有明显差异 差异愈大 愈有利于测量 在实际测量中 若不能满足上述两个条件时 应采取相应措施对气样进行预处理 又称净化 使其满足上述两个条件 再进入分析仪器分析 热导式分析仪表最常用于锅炉烟气分析和氢纯度分析 也常用作色谱分析仪的检测器 在线使用这种仪表时 要有采样及预处理装置 9 3 2红外线气体分析器 红外线气体分析器属于光学分析仪表中的一种 它是利用不同气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性来进行分析的 这类仪表的特点是测量范围宽 灵敏度高 能分析的气体体积分数可到 ppm级 反应速度快 选择性好 红外线气体分析器常用于连续分析混合气体中CO CO2 CH4 NH3等气体的浓度 工业用红外线气体分析器有非色散 非分光 型和色散 分光 型两种型式 9 3 3氧化锆氧分析器 氧化锆氧分析器是20世纪60年代初期出现的一种新型分析仪器 这种分析器能插入烟道中 直接与烟气接触 连续地分析烟气中的氧含量 这样就不需要复杂的采样和处理系统 减少了仪表的维护工作量 与磁式氧分析器相比较 具有结构简单 稳定性好 灵敏度高 响应快 测量范围宽等特点 广泛用于燃烧过程热效率控制系统 1 工作原理氧化锆氧分析器基于电化学分析方法 利用氧化锆固体电解质原理工作 由氧化锆固体电解质做成氧化锆探测器 简称探头 直接安装在烟道中 其输出为电压信号 便于信号传输与处理 氧化锆对氧的检测是通过氧化锆组成的氧浓差电池 图9 2为氧化锆探头的工作原理图 图9 2氧浓差电池原理示意图 两个电极间出现的电位差在数值上等于浓度电势E 称为氧浓差电势 可由能斯特公式确定 9 4 假定参比侧与被测气体的总压力均为p 实际上被测气体压力略低于大气压力 可以用体积百分比代替氧分压 空气中氧含量一般为20 8 在总压力为一个大气压情况下 可以得到E与被测气体氧浓度的关系式为 9 5 2 工作条件 1 工作温度要恒定 分析器要有温度调节控制的环节 一般工作温度保持在850 此时仪表灵敏度最高 2 必须要有参比气体 参比气体的氧含量要稳定不变 二者氧含量差别越大 仪表灵敏度越高 3 参比气体与被测气体压力应该相等 这样可以用氧气的体积百分数代替分压 仪表可以直接以氧浓度刻度 3 分析器的结构及安装 图9 3管状结构的氧化锆氧分析器原理结构图1 氧化锫管 2 内外铂电极 3 铂电极引线 4 Al2O3管 5 热电偶 6 加热丝 7 陶瓷过滤装置 氧化锆氧分析器的现场安装方式有直插式和抽吸式两种结构 如图9 4所示 图9 4 a 为直插式结构 多用于锅炉 窑炉烟气的含氧量测量 它的使用温度在600 850 之间 图9 4 b 为抽吸式结构 多用于石油化工生产中 最高可测1400 气体的含氧量 图9 4氧化锆氧分析器的现场安装方式示意图 b a 9 3 4气相色谱分析仪 气相色谱分析仪属于色谱分析仪器中的一种 是重要的现代分析手段之一 是一种高效 快速 灵敏的物理式分析仪表 它对被分析的多组分混合物采取先分离 后检测的方法进行定性 定量分析 可以一次完成对混合试样中几十种组分的定性或定量的分析 具有取样量少 效能高 分析速度快 定量结果准确等特点 广泛地应用于石油 化工 冶金 环境科学等各个领域 包括两个核心技术 第一是分离技术 它要把复杂的多组分混合物分离开来 这取决于现代色谱柱技术 第二是检测技术 经过色谱柱分离开的组分要进行定性和定量分析 这取决于现代检测器的技术 图9 5混合物在色谱柱中的分离过程 图9 6气相色谱仪基本结构及流程示意图 9 3 5酸度的检测 溶液的酸碱性可以用氢离子浓度的大小来表示 由于溶液中氢离子浓度的绝对值很小 一般采用pH值来表示溶液的酸碱度 测量pH值一般使用参比电极和测量电极以及被测溶液共同组成的pH测量电池 参比电极的电极电位是一个固定的常数 测量电极的电极电位则随溶液氢离子浓度而变化 电池的电动势为参比电极与测量电极间电极电位的差值 其大小代表溶液中的氢离子浓度 工业酸度计是以电位法为原理的pH测量仪 工业pH值测量中 以玻璃电极作为测量电极 以甘汞电极作为参比电极的测量系统应用最多 9 3 6湿度的检测 一般习惯上称空气或气体中的水分含量为湿度 表示方法如下 1 绝对湿度在一定温度及压力条件下 每单位体积的混合气体中所含的水汽质量 单位以g 表示 2 相对湿度指单位体积湿气体中所含的水汽质量与在相同条件下饱和水汽质量之比 相对湿度还可以用湿气体中水汽分压与同温度下饱和水汽分压之比来表示 单位是以 表示 3 露点温度在一定压力下 气体中的水汽含量达到饱和结露时的温度 以 为单位 露点温度与空气中的饱和水汽量有固定关系 所以亦可以用露点来表示绝对湿度 4 百分含量水蒸汽在混合气体中所占的体积百分数 单位以 表示 在微量情况下用百万分之几表示 符号就用 L L表示 5 水汽分压指在湿气体的压力一定时 湿气体中水蒸汽的分压力 单位以毫米汞柱表示 湿度的检测方法很多 传统的方法是露点法 毛发膨胀法和干湿球温度测量法 随着科学技术的发展 利用潮解性盐类 高分子材料 多孔陶瓷等材料的吸湿特性可以制成湿敏元件 构成各种类型的湿敏传感器 目前已有多种湿敏传感器得到开发和应用 传统的干湿球湿度计和露点计采用了新技术 也可以实现自动检测 1 干湿球湿度计干湿球湿度计的使用十分广泛 常用于测量空气的相对湿度 由两支温度计组成 一只用来直接测量空气的温度 称为干球温度计 另一只在感温部位包有被水浸湿的棉纱吸水套 并经常保持湿润 称为湿球温度计 如图9 8所示 图9 8干湿球测温示意图 相对湿度为 9 6 式中 干球温度下的饱和水汽压 湿球温度下的饱和水汽压 湿空气或其他湿气体的总压 仪表常数 2 氯化锂湿敏传感器氯化锂湿敏元件是电解质系湿敏传感器的代表 氯化锂是潮解性盐类 吸潮后电阻变小 在干燥环境中又会脱潮而电阻增大 a 元件结构 图9 9氯化锂湿敏传感器 b 电阻 相对湿度特性曲线 3 陶瓷湿敏传感器陶瓷湿敏传感器感湿原理是利用陶瓷烧结体微结晶表面对水分子吸湿或脱湿 使电极间的电阻值随相对湿度而变化 a 元件结构 b 电阻 相对湿度特性曲线 图9 10烧结式陶瓷湿敏传感器 4 高分子聚合物湿敏传感器作为感湿材料的高分子聚合物能随所在环境的性对湿度的大小成比例地吸附和释放水分子 这类高分子聚合物多是具有较小介电常数的电介质 2 7 由于水分子的存在 可以很大地提高聚合物的介电常数 83 用这种材料可制成电容式湿敏传感器 测定其电容量的变化 即可得知对应的环境相对湿度 图9