第九章_成分分析仪表.ppt

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，同时配合其他有关参数的测量，更易于使生产过程达到提高产品质量、降低材料消耗和能源消耗的目的，保证生产安全和防止环境污染。,成分是指混合气体或液体中的各个组分，成分检测的目的是要确定某一或全部组分在混合气体或液体中所占地百分含量。例：在锅炉燃烧系统中，为了确定炉子燃烧状况，计算燃烧效率，要求知道烟道气中O2、CO、CO2等气体的含量。,家庭用煤气报警器,家庭用液化气报警器,一氧化碳传感器,汽车尾气分析,酒精测试仪,呼气管,甲烷传感器,成分的基本概念,混合气体或液体中的各个组分。其目的是要确定某一或全部组分在混合气体或液体中所占的百分含量。成分分析仪表就是对物质的成分及性质进行分析与测量的仪表。,成分分析方法的两种类型：（1）定期取样（2）自动分析仪表（连续测定被测物质的含量或性质）,自动分析仪表通常和试样预处理系统组成一个分析检测系统。传感器是核心部分，把被测组分的信息转换成电信号输出。,成分分析方法的分类,1、按测量对象分类：气体、液体、PH值、水分湿度、生化参数、溶解气体、粘度等测量仪表。2、按测量原理分类：电化学式被测的非电量电量，化学能电能如电导式、电量式、电位式、酸度计、离子浓度计等热学式如热导式、热化学式光学式如红外、紫外等吸收光式光学分析仪色谱式如气相、液相色谱仪其他如半导体气敏传感器,工业用成分分析仪表,1、热导式气体分析仪-最早的物理式气体分析仪器,一类气体分析仪，是测量混合气体中某一种气体浓度的仪表。,热导式检测技术是根据待测组分的导热率与气体组分的导热系数有明显的差异这一特性工作的。当被测气体的待测组分含量变化时，将引起导热系数变化，通过导热池，转换成电热丝电阻值的变化，从而间接地得到待测组分的含量。利用这一原理制成的仪表称为热导式气体分析仪。,混合气体中各组分的体积百分含量。,混合气体中各组分的热导率，,混合气体热导率：,其中,若被测组分的热导率为,，其余组分为背景组分，热导率,近似为,（差别大时需要在预处理时去掉），则,即有：,为已知，为测定的总的热导率。,某些气体在0时导热系数（）和相对导热系数（）,气体,0时导热系数,0时对空气导热系数,注意：,1）混合气体中除待测组分外，其余各组分的应相同或相近，否则要进行预处理；2）待测组分的与其余各组分的要有明显差别，差别越大，灵敏度越高；3）同一种气体在不同温度下，其是变化的，随温度的升高而增大。所以需要保持恒定的温度。,解：大致步骤如下：（1）将混合气体分成CO2和由N2、CO、SO2、H2、O2组成的背景气体两部分。（2）混合气体中间SO2和H2的热导率与其他三个气体的热导率相差很大，需要进行预处理，将SO2和H2除去。（3）经过预处理后的背景气体由N2、CO、O2组成，平均热导率为2=（0.998+0.964+1.015）/3=0.992（4）测定由CO2、N2、CO、O2构成的混合气体的总的热导率，再由公式,可以得到CO2的体积百分含量。(其中1=0.614，2=0.992，是测定的。),例：已知烟道气体的组分有CO2、N2、CO、SO2、H2、O2。其各自的相对热导率依次为：0.614、0.998、0.964、0.344、7.130，1.015。试分析该混合气体中CO2的体积百分含量，给出分析步骤和体积百分含量的表达式。,热导检测器的结构池体：一般用不锈钢制成。热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。,钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值：R参=R测;R1=R2则：R参R2=R测R1无电压信号输出；记录仪走直线（基线）。进样后，载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参R测则：R参R2R测R1这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。,检测原理,平衡电桥，右图。不同的气体有不同的热导系数。,采用微流型热导式气体传感器显示屏、可联接打印机，定时自动打印具有定时自动存储功能、可随时查看存储数据可设置上、下限报警点、具有报警接点输出、可选择输出电流为010mA或420mA,TEN50系列热导式气体分析仪,2.红外式气体分析仪光学式气体分析仪器,电磁波谱图,2.红外式气体分析仪光学式气体分析仪器,是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。,不同气体其吸收波段（吸收带）不同，下图给出了几种气体对红外线的透射光谱,从图中可以看出，CO气体对波长为4.65m附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78m和4.26m附近以及波长大于13m的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.65m附近的吸收波段进行分析。,几种气体对红外线的透射光谱,乙烯,乙烷,乙炔,甲烷,二氧化碳,一氧化碳,红外线气体分析仪结构原理图,分析仪由红外线辐射光源、气室、红外检测器及电路等部分组成。,光源由镍铬丝通电加热发出310m的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外线检测器信号的检测。测量气室中通入被分析气体，参比气室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）。红外检测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，导致室内压力增大。,测量时（如分析CO气体的含量），两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室，由于测量气室中含有一定量的CO气体，该气体对4.65m的红外线有较强的吸收能力，而参比气室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个吸收气室的红外线光造成能量差异，使两吸收室压力不同，,测量边的压力减小，于是薄膜偏向定片方向，改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容C。如被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。,结构中还设置了滤波气室，其目的是为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO气体和CO2在45m波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO）的浓度有关。,注意：如果干扰气体对测量结果没有影响的话，就不需要滤波气室,优点：,灵敏度高，测量范围宽，精度高，通用性好可用于多种气体的成分分析,缺点：,1）由于其结构特点，一台仪表通常只能测量一中组分的一定浓度范围。2）安装条件严格：位置稳定、尘埃小。3）对气体要先进行预处理（除水、干燥）。,3、氧化锆氧量计,氧化锆氧量计是最近二十年发展起来的一种新型烟气氧含量分析测量仪表，根据电化学的原理制造的。组成：它由传感器（锆头）和变送显示器组成。,应用：氧化锆氧量计广泛地应用在火力发电、采暖、炼油、化工、轻纺、水泥等工业领域内。,分类：氧化锆氧量计按其安装方式分为抽出式和直插式两类。抽出式是通过取样预处理系统把烟气从烟道中抽出来，经过滤、净化后送到氧化锆传感器。这种类型的氧量计由于有取样预处理系统而失去了氧化锆氧量计自身响应快的优点。这种类型的氧化锆氧量计一般不用于指导锅炉燃烧的分析测量，而多用于环境保护方面的烟气分析。直插式是将氧化锆传感器直接插入高温烟道或旁路烟道，不需要烟气预处理装置。直插式氧化锆氧量计又有两种类型，即恒温式氧化锆氧量计和补偿式氧化锆氧量计。,氧化锆氧量计的工作原理-基于电化学中浓差电池原理工作的,氧化锆（ZrO2）材料的化学性质在ZrO2材料中加人一定量的氧化钙（CaO）或氧化钇(Y2O3)，经高温烧结，2价的钙离子Ca2+会进入ZrO2晶体而置换出十4价的锆离子Zr4+。置换出的锆离子Zr4+与数量不足的氧离子结合而形成带有氧离子空穴的氧化锆材料，成为一种不再随温度变化的正立方晶型的材料。这种材料被称为空穴型氧化锆晶体，为固体电解质。,在两极板上表现出的电极反应为参比气样侧极板：O24e2O2-待测气样侧极板：2O2-O24e其浓差电势由能斯特公式确定：,式中R气体常数，8.314J（Kmol）；T浓差电池温度（池温），K；F法拉第常数，96.487Cmol；n电极反应时一个氧分子输送的自由电子数（n=4）；p2参比气样的氧分压力；p1待测气体的氧分压力。,（还原反应）,（氧化反应）,由于在混合气体中，某气体组分的压力与总压力之比与其容积浓度成正比，因此当参比气样的总压与待测气样的总压相等时，上式可化成如下形式：,式中p参比气样总压力；参比气样氧容积浓度；待测气样氧容积浓度。,氧化锆氧量计的传感器对待测气样中氧量的测量就是利用了氧浓差电池的工作原理。由以上分析可知，要正确测量出待测气样中的含氧量（浓度），必须保证以下的条件：1、氧化锆传感器需要恒温或在计算电路中采取补偿措施，以消除传感器温度（池温）对测量的影响。氧化锆氧量计又分为恒温式和补偿式两种。2、氧化锆传感器要在一定高温（850）下工作，以保证有足够高的灵敏度。3、保持参比气样的压力与待测气样的压力相等。4、保持参比气样和待测气样一定的流速，以保证测量的准确性。,注意：,1氧化锆管；2内外铂电极；3电极引出线；4热电偶；5氧化铝管；6加热炉丝；7陶瓷过滤器,这种氧量计的传感器精确度高，可达到士0.2。它不需要复杂的预处理，响应快（10s达到被测氧量90），适用的烟气温度可高达1000，其变送显示器的精确度优于1.0级。复现性和稳定性高，输出信号为010mA和420mA，DC。显示可为模拟显示，亦可以为数字显示，且显示的功能多，能显示氧含量（）、氧量信号（mA）、浓差电势（mV）、锆头温度（oC）。锆头寿命为12年。,氧化锆氧量计特点：,4、色谱分析法,色谱法由俄国植物学家茨维特（Tswett）在20世纪初首先提出：充填有含色素碳酸钙的玻璃管用石油醚淋洗，依靠碳酸钙对叶绿素中不同色素吸附能力的差别，在石油醚的流动方向把有关色素分离成一个个带有颜色的谱带，色谱一词也由此得名。,基于色谱法原理构成的分析仪器称为色谱仪,可以对被测样品进行全面的分析,即能鉴定混合物的组成成分和各成分的含量,因此在科学实验和工业中得到广泛的使用.,检测原理:,分离和分析,色谱是一个建立在分配基础上的分离过程；它利用不同组分在两相中（静止的一相称固定相，运动的相称流动相）分配系数等性质的微小差别，连续多次在两相间进行质量交换，使不同组分得到分离。注意:固定相只是对被测样品中的各个组分具有不同的吸收或溶解能力,绝对不能有任何化学反应.,各组分通过色谱分离，再送入检测器，经检测器检测以达到分析目的。最终得到由记录器记录下来的色谱图。,分离能把复杂的混合物分离为各有关组分，再分别检测出来。是成分分析和结构测定的重要工具基础不同组分性质上的微小差别是色谱分离的必要条件；微小差别的组分能得到分离是因它们在两相间进行了千次甚至几十万次的质量交换，这是色谱分离的充分条件色谱法高效进行成千上万次的质量交换，使性质上仅有微小差别的组分得到分离色谱法快速组分在两相质量交换速度很快，仅千分之几秒，因此一个复杂样品的分析仅需几分钟到几十分钟色谱法灵敏可直接检测含量在ppm级甚至更低含量的成分色谱应用广泛作为一种分离检测手段可用于测定分子量很低的常量，又可分离测定分子量上百万的材料；可分离性质非常接近的同位素、同分异构体、空间异构体、自旋异构体或光学异构的对映体，也广泛用于大分子和一些生物活性物质以及无机阴、阳离子的测定色谱法已成为有机物和一些无机物分离测定的重要手段，是科研和生产中分离检测不可缺少的工具,色谱的特点,根据分离过程中两相（流动相和固定相）的物理状态、作用原理和分离系统的物理特征的不同，色谱可以分为几种类型：,1、按两相所处的状态分类色谱中有两相，即流动相（mobilephase）和固定相stationaryphase）。流动相可以是气体或液体。气相色谱法用气体作流动相的色谱法液相色谱法用液体作流动相的色谱法由于固定相可分为固体吸附剂和涂在固体担体（support）或毛细管内壁上的液体固定相，故再按固定相的状态，气相色谱又可分为气固色谱和气液色谱，液相色谱亦可分为液固色谱和液液色谱,色谱法的种类,2、按固定相的使用形式分类（1）柱色谱（columnarchromatography）固定相装在玻璃管或金属管内，或涂在柱内壁上。又分为填充柱色谱和空心毛细管色谱（2）纸色谱（paperchromatography）用滤纸作载体，吸附在滤纸上的水为固定相。试样溶液在纸上进行展开、分离（3）薄层色谱（thinlayerchromatography）将固定相(吸附剂粉末)均匀地涂铺在玻璃板上或塑料板上，样品的展开、分离在其上进行,3、按照分离过程的物理化学原理分类（l）吸附色谱（adsorptionchromatography）利用吸附剂对混合物中不同组分吸附性能的差异进行分离（2）分配色谱（partitionchromatography）利用混合物中各组分在固定相和流动相之间分配系数的差异进行分离（3）离子交换色谱（ionexchangechromatography）利用混合物中各组分离子与离子交换剂的交换能力不同进行分离（4）空间排阻色谱（sizeexclusionchromatography）利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用。分离机制类似分子筛从仪器分析的角度，常见的色谱法为液相色谱和气相色谱。主要以气相色谱为例，说明色谱分析的应用,气相色谱仪,在气相色谱中，作为流动相的气体称作载气。载气减压阀净化干燥管稳压阀流量计压力表进样口气化室色谱柱检测器记录仪电子计算机积分仪由记录仪得到的色谱图可进行定性或定量分析。出峰顺序与物质性质有关，信号大小与物质的量有关。,1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；7-进气室；8-色谱柱9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器12-记录仪；,1.载气系统：包括气源、净化干燥管和载气流速控制;2.进样系统：进样器及气化室；3.色谱柱：填充柱（填充固定相）或毛细管柱（内壁涂有固定液）；4.检测器：可连接各种检测器，以热导检测器或氢火焰检测器最为常见；5.记录系统：放大器、记录仪或数据处理仪；6.温度控制系统：柱室、气化室的温度控制。,气相色谱流程,载气系统,让载气(不与被测物作用，用来载送试样的惰性气体H2，N2)、燃气、助燃气以一定量稳定地流经仪器内部。,包括气源、净化干燥管和载气流速控制,进样系统,进样器及气化室,使待测气体定量注人色谱柱，或将液体试样经汽化室加热转变为气体定量地注入色谱柱。,色谱柱,包括恒温控制装置，主要功能是进行混合组分的分离。有两种形式，一种是内装固定相，称为填充柱，常用金属(铜或不锈钢)或玻璃制成，内径2mm6mm、长0.5m10m的U形或螺旋形管子。另一种是将固定液均匀地涂在毛细管内壁，称为毛细管柱。下面以前者为例。它又分两类：气固色谱中的固定相和气液色谱中的固定相,注意：1）根据组分的特性选用合适的色谱柱，即色谱柱不是万能的；2）根据固定相和被测组分不同，要合理选择流动相；3）注意温度的影响，工作期间色谱柱的温度要恒定。,气固色谱中的固定相原理固定相是一种多孔、有较大比表面的吸附剂颗粒。试样由载气带进柱子，即被吸附剂吸附。载气不断流过吸附剂时，已被吸附的被测组分又被洗脱脱附。脱附的组分随着载气前进时，又可被前面的吸附剂吸附。随着载气的流动，被测组分在吸附剂表面进行反复的吸附、脱附过程。由于被测物质中各组分的性质不同，在吸附剂上吸附能力不同：较难被吸附的组分易被脱附，较快地移向前面；易被吸附的组分移动较慢。经过一段时间，即通过一定量的载气后，试样中各组分彼此分离而先后流出色谱柱。在气固色谱中，此法应用较多所用吸附剂多为非极性的活性炭，弱极性的氧化铝，强极性的硅胶，以及分子筛等。它们对各种气体吸附能力强弱不同，可根据分析对象选用,气液色谱分析中的固定相在化学惰性的固体微粒(它用于支持固定液，称为担体)表面，涂上一层高沸点有机化合物液膜，称固定液。在气液色谱柱内，被测物质中各组分的分离是基于各组分在固定液中溶解度不同：载气携带被测物质进入色谱柱与固定液接触时，气相中的被测组分溶解到固定液中，载气连续流经色谱柱，溶解在固定液中的被测组分会从固定液中挥发到气相中。随着载气的流动，挥发到气相的被测组分又会溶解在前面的固定液中。反复多次溶解、挥发、再溶解、再挥发。由于各组分在固定液中溶解能力不同，溶解度大的较难挥发，停留在柱中时间较长，前移较慢；溶解度小的前移较快。经一段时间后，各组分彼此分离对担体的要求气液色谱分析中的担体应是化学惰性的多孔性的固体颗粒。其作用是提供一个大的惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布在其表面,检测器,包括检测器、电源和控温装置。功能：把组分浓度的变化转换成易测量的电信号，指示和测量自色谱拄中分离出各组分的浓度及其变化的情况。检测器多达30种以上。最常用的是浓度型检测器(如热导检测器TCD)和质量型检测器(如氢焰离子检测器FID)两种,氢火焰检测器简称氢焰检测器。适用于在火焰中可发生自由基反应而电离的多数有机化合物。灵敏度比热导池检测器高几个数量级，适用于痕量有机物的分析。因其结构简单、灵敏度高响应快，稳定性好，是一种较理想的检测器。但对CO、CO2、SO2、N2、NH3不能电离的无机化合物不能检测。,湿度的检测,主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法。,精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。,气体的湿度：空气（或气体）中含有水蒸气的量称为湿度。,湿度的检测,固体的湿度是物质中所含水分的百分数。物质中所含水分的质量与干物质质量之比，称为含水量。物质中所含水分的质量与其总质量之比，称为湿度。,固体的湿度,传统的湿度检测方法,干湿球温度测量法,用一对并列装置的、形状完全相同的温度表，一支测气温，称干球温度表，另一支包有保持浸透蒸馏水的脱脂纱布，称湿球温度表。当空气未饱和时，湿球因表面蒸发需要消耗热量，从而使湿球温度下降。与此同时，湿球又从流经湿球的空气中不断取得热量补给。当湿球因蒸发而消耗的热量和从周围空气中获得的热量相平衡时，湿球温度就不再继续下降，从而出现一个干湿球温度差。干湿球温度差值的大小，主要与当时的空气湿度有关。空气湿度越小，湿球表面的水分蒸发越快，湿球温度降得越多，干湿球的温差就越大；反之，空气湿度越大，湿球表面的水分蒸发越慢，湿球温度降得越少，干湿球的温差就越小。,干球温度计,湿球温度计,刻度盘,纱布,水槽,1、2水银温度计3金属总管4护板5、6外护管7风扇外壳8钥匙9塑料箍10内管,通风干湿球温度计,电动干湿球湿度计的传感器,1轴流风机2镍电阻3纱布4盛水杯5接线端子,电动干湿球湿度计的传感器,1干球温度测量桥路2补偿可变电阻3检流计4湿球温度测量电桥,传统的湿度检测方法,毛发湿度表,利用脱脂人发（或牛的肠衣）具有空气潮湿时伸长，干燥时缩短的特性，制成毛发湿度表或湿度自记仪器。它的测湿精度较差，毛发湿度表通常在气温低于-10时使用。,1脱脂毛发2小钩3平衡锤4、5弧片6记录笔(指针)7自动记录筒,自记式毛发湿度计工作原理,传统的湿度检测方法,露点仪,使一个镜面处在样品湿空气中降温，直到镜面上隐现露滴（或冰晶）的瞬间，测出镜面平均温度，即为露（霜）点温度。它测湿精度高，但需光洁度很高的镜面，精度很高的温控系统，以及灵敏度很高的露滴（冰晶）的光学探测系统。使用时必须使吸入样本空气的管道保持清洁，否则管道内的杂质将吸收或放出水分造成测量误差。,湿度传感器,1、电解质湿度传感器某些盐类放在空气中，其含湿量与空气的相