自动化技术与仪表 第三章检测仪表 第3.6节 气体成分分析仪表

1 3 检测仪表 第6节气体成分分析仪表 2 基本要求 掌握气体成分分析仪表的组成 分类掌握氧量分析仪的工作原理掌握热导式气体分析仪的检测原理了解热导池的结构 原理掌握红外式气体分析仪检测原理掌握色谱仪检测原理 3 6 3 1概述目的是分析各种气体混合物中各组分的含量或其中某一组分的含量气体成分的检测特点 和温度 压力检测不同 一般有一个取样系统 取出被测样品 取样系统由采样装置和预处理装置组成 4 气体成分分析仪表的组成框图 采样装置 预处理系统 气体成分分析仪表的组成框图 采样系统 传感器 信号放大和处理单元 显示单元 控制单元 5 气体成分分析仪表的工作原理混合气体中待测气体组分的某一化学或物理性质比其他组分的有较大差别 或待测组分在特定环境中表现出来的物理 化学性质的不同来检测待测组分的含量 6 按测量原理分类 分析仪表主要有电化学式热学式光学式射线式磁学式色谱式电子光学式和离子光学式 7 3 6 2氧量分析仪1 工作原理利用氧化锆电解质作传感器 测量混合物气体中氧气的含量氧化锆 ZrO2 是一种陶瓷固体电解质 在高温下有良好的离子导电特性 作为氧含量检测用的氧化锆一般都掺入一定量 通常15 的CaO 也可以Y2O2 作为稳定剂 8 如果在一块ZrO2电解质的两侧分别附上一个多孔铂电极 若两侧气体的含氧量不同 则在两电极间就会出现电势 该电势称为浓差电势 9 浓差电势的大小可由涅恩斯特公式决定 pR为参比气体氧分压 含量 一般用空气作参比气体 则pR 21000Pa 视地区环境不同 pX为被测气体氧分压 含量 10 2 氧化锆探头和变送器氧化锆探头形状在氧化锆检测器中 最重要的是控制氧化锆的工作温度 一般检测器中均有恒温控制装置 以保证氧化锆工作在恒定的温度 另一方面 还要选取合适的温度值 氧化锆探头 11 3 6 3热导式气体分析仪1 检测原理基于待测组分的导热系数与被测气体中其它组分的导热系数有明显的差异 导热系数 是表征物质导热能力大小的物理参数 越大 说明该物质容易导热 反之不易导热 12 实验证明 对于混合物 其导热系数 可用下式计算其中 i 第i组分的导热系数Ci 第i组分所占的百分含量设待测组分导热系数为 1 浓度 百分含量 为C1 由于氢气的导热系数是其他气体的好多倍的缘故 所以该方法最适合用于氢气含量的检测 13 2 热导式气体分析仪组成传感器 常称为热导检测器或热导池 测量电路 显示单元 电源和温度控制器等组成 热导池是将混合气体的导热系数的变化转换为电阻值变化的关键部件 热导池结构 14 0 时的电阻值为R0 通电流I后 电阻丝产生热量并向四周散射 由于气体流量很小 气体带走的热量可忽略 热量主要是通过气体传向气室壁 设气室壁温度tc恒定 一般都设置有恒温装置 电阻丝达到热平衡时的温度为tn 电阻丝通以恒定电流I0 则电阻丝通过气体的散热为电阻丝产生的热量为 15 热平衡时Q Q 通过电阻的变化测量导热系数 如果混合气体的导热系数 愈大 其散热条件愈好 热平衡时的温度tn也愈小 反之 愈小 tn愈高 Rn愈大 电阻Rn的测量可通过电桥实现 16 3 6 4红外式气体分析仪红外式气体分析仪检测原理红外线是指波长为0 76 1000 m范围内的电磁波 既然它是一种电磁波 因此它具有折射 反射 散射 干涉和吸收等性质 红外线气体成分检测主要是利用红外线的吸收性质 归纳起来具有以下特点 同种气体对红外线的吸收能力因红外线的波长不同而不同 17 单原子分子气体和无极性的双原子分子气体不吸收红外线 而具有异核分子的大多数气体在某些特定的波长下对红外线有强烈的吸收 气体吸收了红外线辐射以后 温度升高使压力 体积 增加气体对红外线的吸收遵循朗伯 比尔定律 即 18 3 6 5色谱仪前面的成分分析方法有一个共同的特点 只能自动连续地分析混合气体中某一组分的含量 色谱仪是一种能对混合物进行全面分析 能鉴定混合物是由哪些组分组成 并能测出各组分的含量 因此这种仪器得到广泛的应用 19 检测原理流动相 需要分离的样品由气体或液体携带着沿色谱柱连续流过 该携带样品的气体或液体统称为流动相 固定相 色谱柱上放置的固体颗粒或是涂在担体上的液体 对流动相不产生任何物理化学作用 但是对样品中的各组分具有不同的吸收或溶解能力 这种放在色谱柱中不随流动相而移动的固体颗粒或液体统称为固定相 模型演示 20 检测原理色谱分析方法是利用色谱柱将混合物各组分分离开来 然后按各组分从色谱柱出现的先后顺序分别测量 根据各组分出现的时间及测量值的大小可确定混合物的组成以及各组分的浓度 模型演示 21 色谱法根据固定相和流动相的不同 可分为 气液色谱气固色谱液液色谱液固色谱 气相色谱 流动相为气体 液相色谱 流动相为液体 气相色谱柱 液相色谱柱 22 色谱图色谱图是色谱定性定量分析的基础色谱图的术语基线滞留时间死时间校正滞留时间峰高峰宽半峰宽峰面积分辨力 23 气相色谱仪用工作站 气相色谱仪 24 气相色谱仪的组成气相色谱仪主要由色谱柱 检测器 数据处理与显示记录装置以及其他配套部件组成 载气源 流量控制器 进样装置 色