成分分析与检测技术气敏传感器PPT课件

第6章成分分析与检测技术 6 1过程分析仪表概述6 2气体成分分析技术6 3物质性质检测技术 本章提要 物质成分分析包括 气体成分分析 气体湿度 物质的含水量和密度等参量的分析与检测 本章通过对过程分析仪表的介绍 给出了在成分分析和物性测量中如何选用合适的检测方法和仪表 重点介绍了气体成分的分析技术和湿度的检测技术 6 1过程分析仪表概述 对混合气体的成分及混合物中某些物质的含量或性质进行自动测定 称为物质成分的分析 6 1 1过程分析仪表及分类6 1 2过程分析仪表的组成6 1 3过程分析仪表的主要技术特性 6 1 1过程分析仪表及分类 成分分析是利用各物质的性质之间存在着差异 把所要检测的成分或物质性质转换成某种电信号 实现气体成分和物质性质的非电量的检测 过程分析仪表是安装在生产现场 可用来对物料的成分组成以及各种物理 化学特性进行分析测量的仪表 过程分析仪表可分为两大类 第一类是气体分析仪 它可以在一个多组分的混合气体中定性 定量地检测出一种或几种成分 第二类为物性测量仪表 它可以测量介质的多种物性参数 6 1 2过程分析仪表的组成 1 取样及预处理系统采样及预处理系统是确保分析仪表正常工作的关键部分 任务 从被测对象中取出具有代表性的样品并做必要的预处理 取样位置选择很重要 取样装置应包括取样探头及包括其他一些与探头有关的部件 如冷却与冷凝收集器 抽吸器及取样泵等 取样有正压取样和负压取样 对负压取样时 应用抽吸泵 2 检测器检测器 又称传感器 是分析仪前的主要部分它的任务是把被分析物质的成分含量或物理性质转换为电信号 分析仪器技术性能主要取决于检测器 3 信息处理系统作用 对检测器输出的微弱电信号做进一步处理4 显示装置5 整机自动控制系统主要任务 控制各部分自动而协调的工作 6 1 3过程分析仪表的主要技术特性 过程分析仪表按测量原理来分类共有八种 电化学式分析仪器 如电导式 电量式 电位式等 热学式分析仪器 如热导式 热化学式 热谱式等 磁式分析仪器 如磁性氧分析器 核磁共振波谱仪等 光学式分析仪器 如吸收式光学分析仪 发射式光学分析仪等 射线式分析仪器 如X射线分析仪 Y射线分析仪 同位素分析仪等 色谱分析仪器 如气相色谱仪 液相色谱仪等 电子光学式和离子光学式分析仪器 如电子探针 质谱仪 离子探针等 物性测量仪器 如水分计 粘度汁 湿度计 密度计 酸度计 电导率测量仪以及石油产品的闪点 倾点 辛烷值测定仪等 过程分析仪表的特点是专用性强 适用范围有限 主要技术特性有精度 灵敏度和响应时间 精度 是指检测后所得结果相对于实际值的准确度 精度是评价仪表静态性能的综合性指标 一般分析仪表精度为 1 2 5 微量分析的分析仪精度为 2 5 灵敏度 是指仪表输出信号变化与被测组分浓度变化之比 被测组分浓度有微小变化时 仪表就有较大的输出变化 响应时间 是表达被测组分的浓度发生变化后 仪表输出信号跟随变化的快慢 一般从样品含量发生变化开始 到仪表响应达到最大指示值的90 时所需的时间即为响应时间 分析仪表的响应时间愈短愈好 6 2气体成分分析技术 6 2 1气敏传感器概述6 2 2半导体式气敏传感器6 2 3接触燃烧式气体传感器6 2 4常用气体分析仪介绍6 2 5气体分析仪的选择6 2 6使用气体分析仪时需要注意的问题 6 2 1气敏传感器概述 它们利用气敏传感器中的气敏元件把混合气体中的特定成分检测出来 并将它转换成电信号 向分析仪表提供有关待测气体是否存在及其浓度大小的信息 供自动检测 控制和报警系统使用 1 气体成分的主要检测方法 利用半导体气体器件检测的电气法 使用电极和电解液对气体进行检测的电化学法 利用气体对光的折射或光的吸收等特性来检测气体的光学法 2 气敏传感器的类型 依据上述检测方法制成的气敏传感器有 半导体式接触燃烧式化学反应式光干涉式热传导方式红外吸收散射 主要特征如表6 1所示 从结构上区别可以分为两大类 即干式与湿式气体传感器 凡构成气体传感器的材料为固体者均称为干式气体传感器 凡利用水溶液或电解液感知待测气体的称为湿式气体传感器 3 气敏传感器的性能要求 准确检测出被测气体的浓度 对其它共有物质所受的影响小 能长期稳定工作 工作的重复性好 响应速度要快 维修方便 6 2 2半导体式气敏传感器 原理 利用半导体气敏元件同气体接触 造成半导体的性质发生变化 借此检测特定气体的的成分或测量其浓度 利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值发生变化而制成的 气敏电阻器的阻值将随吸附气体的数量和种类而变化 氧化性气体 吸附到N型半导体上 将使载流子R还原性气体 吸附到N型半导体上 将使载流子R 半导体气敏元件都附有加热器 一般加热到200 400 加热器使用时可以使附在探测部分处的油雾 尘埃烧掉 同时加速气体的吸附 从而提高器件的灵敏度和响应速度 1 半导体气敏机理和主要特性 半导体气敏传感器按其工作原理可分为电阻型和非电阻型 电阻型又可分为表面控制型和体控制型 非电阻型又可分为二极管型 PET型和电容型 1 半导体气敏传感器工作机理 2 半导体气敏传感器主要特性 1 灵敏度 气体传感器在最佳工作条件下 接触同一种气体 其电阻值RS随气体浓度变化的特性称之为灵敏度 用k表示k RS R0式中 R0为气体传感器在正常空气条件下 洁净空气 的阻值 RS为气体传感器在一定浓度检测气体中的阻值 2 初期稳定性 初期稳定时间 气体传感器经一定时间不通电放置后 再通电工作 其阻值达到稳定时所需的时间 图6 1N型半导体吸附气体时器件阻值的变化1 元件加热时间 2 初始稳定状态 3 气敏响应时间 4 还原性气体时元件阻值的变化 5 氧化性气体时元件阻值的变化 3 加热特性SnO2气敏传感器要在加热状态下工作 加热温度直接影响元件性能 因此可选择元件的工作条件 使其工作于最佳加热电压下 4 温湿度特性 SnO2气敏传感器易受环境温湿度影响 应用中要加温湿度补偿措施 3 半导体气敏传感器的特点 优点 制造简单 使用方便 价格低廉 对气体浓度变化的响应时间短 即使在低浓度 10 6级 情况下 灵敏度也很高 缺点 稳定性差 容易老化 各器件之间的差异大等 2 半导体气敏传感器结构 a 气敏烧结体 b 结构 c 符号图6 2气敏传感器结构1 端子 2 塑料底座 3 烧结体 4 不锈钢网 5 加热电极 6 工作电极 7 加热回路 8 测量回路 9 数字万用表 图6 2气敏传感器 d 外形 1 直接加热式SnO2气敏元件 直热式气敏元件 2 旁热式SnO2气敏元件 加热器电阻值一般为30 40 1 QM N5型气敏元件 a 结构 b 插脚布局及符号 c 外形图6 3QM N5型气敏元件内部结构与电路符号 3 SnO2系列气敏传感器应用实例 QM N5型气敏元件适用于检测可燃性气体 如 天燃气 煤气 液化石油气 氢气 一氧化碳 烷烃类 烯烃类 炔烃类等气体以及汽油 煤油 柴油 氨类 醇类 醚类等可燃液体蒸汽及烟雾等 图6 4表示被测气体在不同浓度下气敏器件的电阻值 因而也表示了气敏器件的灵敏度 SnO2气敏器件的环境条件为 温度为20 40 湿度为 85 图6 4QM N5型气敏元件的基本特性 2 QM N5型气敏传感器的应用 采用QM气敏传感器的简易煤气监测电路无煤气泄漏的正常情况下 A B间呈高阻抗 使RP滑动端为低电平 LEDl发光表示无煤气漏泄 当有煤气漏泄时 QM检测到有害气体 A B间电阻降低 使RP滑动端为高电平 LED2发光表示有煤气泄漏 a 外形 b 应用电路图6 5采用QM气敏传感器的简易煤气监测电路 图6 6所示为 种直接安装在矿工安全帽内的瓦斯报警器电路和外形 矿灯瓦斯报警器由矿灯蓄电池4V电源供电 瓦斯探头由QM N5型气敏元件 限流电阻R1和矿灯蓄电池组成 b 外形图6 6瓦斯报警器电路 a 应用电路 由于QM系列各型元件特性不同 所以选择敏感元件时应注意 QM N5供防火用 对可燃气体检测响应快 恢复速度和灵敏度高 QM N7供环保用 对一氧化碳具有选择性 QM N7供家庭用 检测液化石油气 管道煤气 天然气稳定性好 对香水 乙醇 具有 定抗干扰性 QM J3供保安用 对乙醇气体具有很高灵敏度与选择性 其应用电路及外形如图6 7所示 a 应用电路 b 外形图6 7酒精检测报警器 6 2 3接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器是利用被测气体进行的化学反应中产生的热量与气体浓度的关系进行检测的 触媒 Al2O3载体 Pt丝 元件 0 8 2 mm b 敏感元件外形图 接触燃烧式气敏元件结构示意图 a 元件的内部示意图 原理 空气中可燃性气体浓度愈大氧化反应 燃烧 产生的反应热量 燃烧热 愈多铂丝的温度变化 增高 愈大其电阻值增加的就越多 因此 只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值 R 就可检测空气中可燃性气体的浓度 接触燃烧式气敏元件的感应特性 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 50 100 150 输出电压 mV 丙烷 乙醇 异丁烷 丙酮 环己烷 气体浓度 XLEL 接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图 图中F1是检测元件 F2是补偿元件 其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度 电源电压变化等因素所引起的偏差 工作时 要求在F1和F2上保持100mA 200mA的电流通过 以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应 接触燃烧 所需要的热量 当检测元件F1与可燃性气体接触时 由于剧烈的氧化作用 燃烧 释放出热量 使得检测元件的温度上升 电阻值相应增大 桥式电路不再平衡 在A B间产生电位差E A F2 F1 M R1 R2 C B D W2 W1 E0 因为 RF很小 且RF1 R1 RF2 R2 a 工作原理 b 外形图6 8接触燃烧式气体传感器的外形与工作原理1 载体 2 Pt丝 3 催化剂 4 黑白元件 5 输出信号 6 桥路电阻 7 调零电阻 8 电压调整电阻 9 电源 6 2 4常用气体分析仪介绍 1 混合气体中组分含量的分析仪热导式气体分析仪属于热学式分析仪中的一种 它利用各种气体的导热系数不同来实现混合气体的成分检测 表6 2常用气体的导热系数 0 待测组分 混合气体一般由多个组分组成 要检测这些组分中某一组分的含量 这个组分称为待测组分 检测时须具备的必要条件是 待测组分的导热系数 要比其他组分的导热系数应有明显的差别 差别愈大 测量愈灵敏 余下组分的导热系数必须尽量相同或十分接近 对这些组分以导热系数角度来看 可视它们为同 种成分 以便与待测组分的导热系数比较 热导式气体分析仪就是完成混合气体成分检测与分析的仪表 它是利用气体体积的百分比含量与气体导热系数有关的物理特性进行分析工作的 由于混合气体的导热系数随待测组分含量而变化 因此只要测出混合气体的导热系数即可得知待测组分的含量 热导式气体分析仪将导热系数的差异转化为电阻的变化 a 富士ZAF3外形 b 热导室结构 c 热导式气体分析仪的测量电桥图6 9热导式气体分析仪外形 热导室结构和测量电桥 2 氧气含量分析仪 1 氧化锆氧化锆 ZrO2 是一种利用氧离子导电的固体电解质 若在氧化锆加入一定量的氧化钙 CaO 或氧化钇 Y2O3 不仅提高了ZrO2的稳定性 还因为Zr4 被Ca2 或Y3 置换而生成氧离子空穴 使空穴浓度大大增加 当温度为800 以上时 空穴型的氧化锆就变成了良好的氧离子导体 从而可以构成氧浓差电池 2 氧化锆氧量分析仪工作机理与条件 它利用氧化锆浓差电池所形成的氧浓差电动势与氧 O2 含量之间的量值关系进行氧含量测量 氧化锆测量探头必须在850 左右的高温下运行 否则灵敏度将会下降 所以氧化锆氧量计在探头上都装有测温传感器和电加热设备 例如 用氧化锆氧量分析仪连续分析各种工业窑炉烟气中的氧含量 即可控制送风量来调整空气系数 值 以保证最佳的空气燃料比 达到节能及环保的双重效果 3 氧化锆氧量分析仪的结构与安装 图6 10氧化锆氧量分析仪结构图中1是氧化锆管 2是内外铂电极 3是铂电吸引线 4是A12O3管 5是热电偶 6是加热炉丝 7是陶瓷过滤器 氧化锆氧分析仪的现场安装有两种方式 图6 11直插式测量系统图6 12抽吸式测量系统 3 红外线气体分析仪 红外线气体分析器是利用某些气体对不同波长的红外辐射电磁波能量具有特殊的吸收特性而进行分析的 几种气体对红外线的透射光谱 图6 13红外线气体分析仪结构原理图1 光源 2 抛物反射镜 3 同步电动机 4 切光片 5 滤波气室 6 参比室 7 测量室 8 红外检测器 9 电容动片 10 电容定片 11 放大器 红外线气体分析仪测定CO2技术及其在植物生理学中的应用 4 气相色谱仪 气相色谱仪属于色谱分析仪器中的一种 它可以定性 定量地把几十种组分一次全部分析出来 色谱法是一种物理的分离方法 它包括两个核心技术 1 分离的技术 它要把复杂的多组分的混合物分离开来 这取决于现代色谱柱技术 2 检测技术 经过色谱柱分离开的组分要进行定性和定量的分析 图6 14气相色谱仪基本设备和工作流程 图6 15气样在色谱柱中的分离 柱色谱的分离原理 出峰时间的先后可作为定性分析的依据 峰的面积或峰高可作为定量分析的依据 气敏电阻外形 酒精传感器 其他可燃性气体传感器 酒精测试仪 呼气管 家庭用煤气报警器 家庭用液化气报警器 一氧化碳传感器 NH3传感器 甲烷传感器 氧浓度传感器氧浓度传感器外形 可用于汽车尾气测量 汽车尾气分析 有毒气体传感器的使用 6 2 5气体分析仪的选择 1 确认所要检测气体种类和浓度范围对有害气体的检测有两个目的 第一是测爆 第二是测毒 所谓测爆是检测危险场所可燃气含量 超标报警 以避免爆炸事故的发生 测毒是检测危险场所有毒气体含量 超标报警 以避免工作人员中毒 测爆的范围是0 100 LEL 最低爆炸限度 测毒的范围是0 几十 或几百 ppm 1ppm 0 001 两者相差很大 危险场所有害气体有三种情况 第一 无毒 或低毒 可燃 第二 不燃有毒 第三 可燃有毒 前两种情况容易确定 第一测爆 第二测毒 第三种情况如果有人员暴露测毒 如无人员暴露可测爆 测爆选择可燃气体检测报警仪 测毒选择有毒气体检测报警仪 2 确定使用场合 检测仪有两种类型 便携式和固定式 生产或贮存岗位长期运行的泄漏检测选用固定式检测报警仪 其他如检修检测 应急检测 进入检测和巡回检测等选用便携式 或袖珍式 仪器 3 择优选择仪器型号 选择仪器型号时要考虑以下几点原则 生产厂家讲诚信 信誉好 生产的质量有保证 通过了ISO9002质量体系认证 具有技术监督部门颁发的CMC生产许可证 具有消防 防爆合格证 选择的型号产品功能指标要符合国标GB12358 90 GB15322 94 GB16808 1997等标准的要求 仪器的检测原理要适应检测对象和检测环境的要求 6 2 6使用气体分析仪时需要注意的问题 1 注意经常性的校准和检测2 注意各种不同传感器间的检测干扰3 注意各类传感器的寿命4 注意检测仪器的浓度测量范围 6 3物质性质检测技术 6 3 1湿度检测技术6 3 2物质含水量检测技术6 3 3物质密度检测技术6 3 4湿度传感器的选择 6 3物质性质检测技术 物质性质的检测主要针对湿度 物质的含水量 密度等参量来进行的 在通风与空调工程中 空气的湿度与温度是两个相关的热工参数 它们具有同样的重要意义 湿度控制有何应用呢 6 3 1湿度检测技术 在纺织行业的应用 对纺织纤维性能的影响在空气调节的应用 提高人体舒适感在卷烟业的应用 对烟丝质量的影响在通信行业的应用 确保设备可靠性 干空气 的成分主要是氮 78 氧 21 氩 0 93 二氧化碳 0 03 及其它微量气体 湿空气 大气是由干空气和一定量的水蒸气混合而成的 1 湿度的表示方法 湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量 常用绝对湿度 相对湿度等表示 1 绝对湿度 单位体积空气内所含水蒸气的质量 即空气中水蒸气的密度 6 3 式中 g m3 mV为待测空气中水蒸气质量 g V为待测空气的总体积 m3 2 相对湿度 相对湿度 表示空气中实际所含水蒸气的分压 PW 和同温度下饱和水蒸气的分压 PN 的百分比 即 6 4 通常 用RH 表示相对湿度 这是一个无量刚的值 3 露点温度 气体的相对湿度将逐渐增加 当温度增到某一值时 气体的相对湿度达100 即呈饱和状态 若再进行冷却 蒸汽的一部分将凝聚生成露 这个温度值称为露点温度 也就是说 气体在气压不变的情况下 为了使气体中所含水蒸气达到饱和状态 就必须将气体冷却到的温度值称为露点温度 这样气体温度和露点温度的差值越小 表示空气中的湿度就越接近饱和 2 湿敏器件的类型 湿敏器件按材料 1 陶瓷型湿敏器件 2 高分子类湿敏器件 3 电解质类湿敏器件 3 湿度的检测方法 1 毛发湿度计只能就地指示 精确度高 但滞后时间长 适用范围 30 100 RH 目前在无人气象站和探空气球上仍有用它构成的自动记录仪表 2 干湿球法 干球温度计 湿球温度计 刻度盘 纱布 水槽 airin airout 干球热电阻 湿球热电阻 3 露点法 图6 16自动露点仪原理 基本原理 先测定露点温度 l 然后确定对应于 l的饱和水蒸气压力Pl 显然 Pl即为被测空气的水蒸气分压力Pn 充满乙醚溶液 主要缺点 当冷却表面上出现露珠的瞬间 需立即测定表面温度 但一般不易测准 而容易造成较大的测量误差 露点湿度计 4 电阻法 当相对湿度较低时 湿敏器件上吸附的水较少 不能产生电离子 所以电阻值较高 随着相对湿度增加 水的吸附量也增加 集团化的吸附水就成为导电通道 使湿敏器件阻值下降 通过对湿敏器件电阻值的测量 即可实现相对湿度的检测 5 电容法 以高分子湿敏器件为例 当高分子器件吸水后 器件的介电常数随环境相对湿度的改变而变化 器件的介电常数是水与高分子材料两种介电常数的总和 当含水量以水分子形式被吸附在高分子介质膜中时 由于高分子介质的介电常数 3 6 远小于水的介电常数 81 所以介质中水成份的影响比较大 使元件对湿度有较好的敏感性能 电流和相对湿度成线性比例关系 4 20mA对应于0 100 由实验测得 电流为14 6mA 则当时相对湿度为66 4 湿度传感器的结构 1 电阻变化型湿度传感器 a 结构 b 外形图6 17湿敏电阻传感器 2 湿敏电容传感器 a 结构 b 特性 c 外形图6 18湿敏电容传感器的结构与特性 5 湿度检测的应用实例 1 电阻型湿敏传感器实例HS15是一种在高湿度环境中具有很强适应性的电阻 高分子型湿度传感器 测量湿度范围为0 100 RH 图6 19采用HS15湿敏传感器的测湿电路 2 电容型湿敏传感器实例 采用湿敏电容的雨量计电路如图6 20所示 a 水位传感器示意图 b 原理示意图 c 电路图图6 20采用湿敏电容的雨量计电路 6 湿度检测仪表的应用电路框图 图6 21通用湿度检测仪表内部框图 6 3 2物质含水量检测技术 1 物质含水量的定义含水量 通常将