过程参数检测及仪表课件第9章成分分析仪表

1、第九章第九章 成分分析仪表成分分析仪表主要内容主要内容 v第一节第一节 概述概述v第二节第二节 氧化锆氧量计氧化锆氧量计v第三节第三节 红外线气体分析仪红外线气体分析仪第一节第一节 概述概述专门用来测定物质化学成分的一类仪器。专门用来测定物质化学成分的一类仪器。v物质的化学成分：指一种化合物或混合物是物质的化学成分：指一种化合物或混合物是由哪些种类的分子、原子或原子团所组成，由哪些种类的分子、原子或原子团所组成，以及这些分子、原子或原子团的含量是多少。以及这些分子、原子或原子团的含量是多少。成分分析包括内容：成分分析包括内容：v确定物质的化学组成；确定物质的化学组成；v确定物质中各种成分的相对

2、含量。确定物质中各种成分的相对含量。第一节第一节 概述概述 成分分析仪器的基本组成成分分析仪器的基本组成1. 自动取样装置自动取样装置2.预处理系统预处理系统3.传感器传感器4.信号处理系统信号处理系统5.显示环节显示环节6.整机自动控制系统整机自动控制系统第一节第一节 概述概述（1）电化学式分析仪器：如电导式、氧化锆氧分）电化学式分析仪器：如电导式、氧化锆氧分析仪等；析仪等；（2）热学式分析仪器：如热导式、热化学式等；）热学式分析仪器：如热导式、热化学式等；（3）磁学式分析仪器：如磁性氧量分析仪等；）磁学式分析仪器：如磁性氧量分析仪等；（4）光学式分析仪器：如红外线气体分析仪；）光学式分析仪

3、器：如红外线气体分析仪；（5）色谱分析仪器：如气相色谱仪，液相色谱仪）色谱分析仪器：如气相色谱仪，液相色谱仪等；等；（6）物性测量仪器：如粘度计、湿度计、密度计、）物性测量仪器：如粘度计、湿度计、密度计、电导率测量仪等。电导率测量仪等。此外还有射线式分析仪器：如此外还有射线式分析仪器：如x射线分析仪，同位射线分析仪，同位素分析仪等；电子光学和离子光学式分析仪器：素分析仪等；电子光学和离子光学式分析仪器：如电子探针、质谱仪、离子探针等。如电子探针、质谱仪、离子探针等。1 火电厂锅炉燃烧质量如何检测？火电厂锅炉燃烧质量如何检测？ 炉烟成分自动分析炉烟成分自动分析2 过剩空气系数过剩空气系数保持在一

4、定范围，可保证完全保持在一定范围，可保证完全燃烧，又不过多地增加排烟量和降低燃烧温度。燃烧，又不过多地增加排烟量和降低燃烧温度。3过剩空气系数过剩空气系数可通过分析的可通过分析的o2和和co2含量来含量来判断。判断。第二节第二节 氧化锆氧量计氧化锆氧量计4 氧含量与氧含量与有单值关系，且此受燃料品种的影有单值关系，且此受燃料品种的影响较小；氧量计的反应比二氧化碳表计快。所响较小；氧量计的反应比二氧化碳表计快。所以目前电厂中大量采用氧量计测过剩空气系数。以目前电厂中大量采用氧量计测过剩空气系数。第二节第二节 氧化锆氧量计氧化锆氧量计一、概述一、概述 氧化锆氧量计是最近二十年发展起来的一种新型氧化

5、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。烟气氧含量分析测量仪表。 1 1）组成：传感器（锆头）和变送显示器）组成：传感器（锆头）和变送显示器 2 2）分类：按安装方式分为抽出式和直插式）分类：按安装方式分为抽出式和直插式 3) 3) 应用：广泛应用在火力发电、采暖、炼油、化应用：广泛应用在火力发电、采暖、炼油、化工、轻纺、水泥等工业领域内。工、轻纺、水泥等工业领域内。 第二节第二节 氧化锆氧量计氧化锆氧量计二、氧化锆氧量计的工作原理二、氧化锆氧量计的工作原理1 1 基本原理基本原理: :电化学的浓差电池原理。电化学的浓差电池原理。 即：以氧化锆作为固体电解质，高温下的即：

6、以氧化锆作为固体电解质，高温下的电解质两侧氧浓度不同时形成浓差电池，该电电解质两侧氧浓度不同时形成浓差电池，该电池产生的电势与两侧氧浓度有关。固定一侧氧池产生的电势与两侧氧浓度有关。固定一侧氧浓度，可通过测量浓度，可通过测量输出电势来测量另一侧的氧输出电势来测量另一侧的氧含量含量。2 2 氧浓差电池的构成氧浓差电池的构成第二节第二节 氧化锆氧量计氧化锆氧量计二、氧化锆氧量计的工作原理二、氧化锆氧量计的工作原理1 1）带氧离子空穴的固体带氧离子空穴的固体zro2zro2电解质。电解质。在在zro2zro2中加人一定量中加人一定量的氧化钙（的氧化钙（caocao）或氧）或氧化钇（化钇（y2o3y2

7、o3），经高），经高温烧结，温烧结，2 2价的价的ca2+ca2+会置换出会置换出4 4价价zr4+zr4+。置换出的锆离子置换出的锆离子zr4+zr4+与数量不足的氧离子与数量不足的氧离子形成带有氧离子空穴形成带有氧离子空穴的氧化锆材料，成为的氧化锆材料，成为固体电解质固体电解质3 3 具体工作过程具体工作过程2)2)在在600600120012000 0c c高温下，当氧化锆两侧氧浓度不高温下，当氧化锆两侧氧浓度不等时，浓度大侧的氧分子在该侧氧化锆管表面结合等时，浓度大侧的氧分子在该侧氧化锆管表面结合两个电子形成氧离子，然后通过氧化锆中的氧离子两个电子形成氧离子，然后通过氧化锆中的氧离子空

8、穴向氧浓度低侧泳动，到达浓度低侧时，在该侧空穴向氧浓度低侧泳动，到达浓度低侧时，在该侧电极上释放两个电子形成氧分子放出，于是在电极电极上释放两个电子形成氧分子放出，于是在电极上造成电荷积累，两电极之间产生电势，上造成电荷积累，两电极之间产生电势，3)3)此电势阻碍这种迁移的进一步进行，直至达到动此电势阻碍这种迁移的进一步进行，直至达到动平衡状态，这就形成浓差电池，它所产生的与两侧平衡状态，这就形成浓差电池，它所产生的与两侧氧浓度差有关的电势，称作浓差电势。氧浓度差有关的电势，称作浓差电势。3 3 具体工作过程具体工作过程第二节第二节 氧化锆氧量计氧化锆氧量计二、氧化锆氧量计的工作原理二、氧化锆

9、氧量计的工作原理正极：正极： o o2 24e 2o4e 2o2 2 负极：负极： 2o2o2 2 oo2 24e 4e 能斯特公式：能斯特公式：第二节第二节 氧化锆氧量计氧化锆氧量计二、氧化锆氧量计的工作原理二、氧化锆氧量计的工作原理4 4 浓差电势的输出公式浓差电势的输出公式1212lnlnnfrtppppnfrte参比气样氧容积浓度；参比气样氧容积浓度；待测气样氧容积浓度。待测气样氧容积浓度。21 1 1、氧化锆传感器需要恒温或在计算电路中采、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

10、温式和补偿量的影响。氧化锆氧量计又分为恒温式和补偿式两种式两种 。 2 2、氧化锆传感器要在一定高温下工作，以保、氧化锆传感器要在一定高温下工作，以保证有足够高的灵敏度。证有足够高的灵敏度。 3 3、保持参比气样的压力与待测气样的压力相、保持参比气样的压力与待测气样的压力相等。等。 4 4、保持参比气样和待测气样一定的流速，以、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。保证测量的准确性。 第二节第二节 氧化锆氧量计氧化锆氧量计三、保证正确测量的条件三、保证正确测量的条件1 氧化锆氧量计是根据什么原理工作的？说明氧化锆氧量计是根据什么原理工作的？说明氧浓差电势建立的过程，公式，温度对

11、其工作氧浓差电势建立的过程，公式，温度对其工作影响及消除办法。影响及消除办法。2 氧化锆氧量计能够正确进行烟气中氧含量的测氧化锆氧量计能够正确进行烟气中氧含量的测量的条件有那些？量的条件有那些？ ：红外线一般指波长从红外线一般指波长从0.76m至至1000m范围内范围内的电磁幅射。在红外线气体分析仪器中实际使的电磁幅射。在红外线气体分析仪器中实际使用的红外线波长大约在用的红外线波长大约在125m。红外线气体分析仪是利用不同气体对红外波长红外线气体分析仪是利用不同气体对红外波长的电磁波能量具有特殊吸收特性的原理而进行的电磁波能量具有特殊吸收特性的原理而进行气体成分和含量分析的仪器。气体成分和含量

12、分析的仪器。吸收：红外线通过某些物质时，其中一些频率吸收：红外线通过某些物质时，其中一些频率的光强度大为减弱甚至消失。的光强度大为减弱甚至消失。 第二节第二节 红外气体分析仪红外气体分析仪朗伯特朗伯特- -比耳定律光的吸收定律比耳定律光的吸收定律 单色平行光通过均匀介质时能量被介质吸收的规律单色平行光通过均匀介质时能量被介质吸收的规律 光强度为光强度为i0 的单色平行光通过均匀介质后，剩余光强的单色平行光通过均匀介质后，剩余光强度的大小随着介质浓度度的大小随着介质浓度c和光程和光程l按指数规律衰减。按指数规律衰减。 吸收系数吸收系数k的大小取决于介质的特性，不同介质有不同的大小取决于介质的特性

13、，不同介质有不同的的k值，而一种介质的值，而一种介质的k值又会随着光的波长值而变化。值又会随着光的波长值而变化。因此，对于不同的介质或不同波长的光，吸收的光强因此，对于不同的介质或不同波长的光，吸收的光强也是不同的。也是不同的。 kcleii0用人工的方法制造一个包括被测气体特征吸收用人工的方法制造一个包括被测气体特征吸收波长在内的连续光谱辐射源，让这个光谱通过波长在内的连续光谱辐射源，让这个光谱通过固定长度的含有被测气体的混合组分，在混合固定长度的含有被测气体的混合组分，在混合组分的气体层中，被测气体的浓度不同，吸收组分的气体层中，被测气体的浓度不同，吸收固定波长红外线的能量也不相同，继而转

14、换成固定波长红外线的能量也不相同，继而转换成的热量也不同。的热量也不同。在一个特制的红外检测器中，再将热量转换成在一个特制的红外检测器中，再将热量转换成温度或压力，测量这个温度和压力，就可以准温度或压力，测量这个温度和压力，就可以准确地测量被分析气体的浓度。确地测量被分析气体的浓度。 1-光源；光源；2-切光片；切光片；3-同步电机；同步电机；4-测量气室；测量气室；5-参比气室；参比气室；6-滤光气室；滤光气室；7-检测气室；检测气室；8-前置放大器；前置放大器；9-主放大器；主放大器；10-记录器记录器（1 1）光源和调制器）光源和调制器 光源的任务：产生具有一定调制频率（光源的任务：产生

15、具有一定调制频率（212hz）、两）、两束能量相等且稳定的平行红外光束束能量相等且稳定的平行红外光束 1-反光镜；反光镜；2-光源；光源；3-切光片；切光片；4-同步电机同步电机 优点：选择性好，灵敏度高，测量范围广，优点：选择性好，灵敏度高，测量范围广，精度较高，常量为精度较高，常量为12.5级，低浓度（级，低浓度（ppm）为）为25级，响应速度快。级，响应速度快。 能吸收红外线的能吸收红外线的co、co2、ch4、so2等气体、液体都可以进行分析。等气体、液体都可以进行分析。应用：应用：v大气检测、大气污染、燃烧过程、石油及化工过程、大气检测、大气污染、燃烧过程、石油及化工过程、热处理气体

16、介质、煤炭及焦炭生产过程等工业生产热处理气体介质、煤炭及焦炭生产过程等工业生产过程中。过程中。v测定水中微量油分，医学中肺功能的测定，并可在测定水中微量油分，医学中肺功能的测定，并可在水果、粮食的储藏和保管等农业生产中应用。水果、粮食的储藏和保管等农业生产中应用。 热导式气体分析仪是使用最早的一种物理式气体分析热导式气体分析仪是使用最早的一种物理式气体分析仪，它是利用不同气体导热特性不同的原理进行分析仪，它是利用不同气体导热特性不同的原理进行分析的。常用于分析混合气体中的、等组分的百分含的。常用于分析混合气体中的、等组分的百分含量。量。 ： 各种气体都具有一定的导热能力，但是导热程度有各种气体

17、都具有一定的导热能力，但是导热程度有所不同，即各有不同的导热系数。经实验测定，气体所不同，即各有不同的导热系数。经实验测定，气体中氢和氦的导热能力最强，而二氧化碳和二氧化硫的中氢和氦的导热能力最强，而二氧化碳和二氧化硫的导热能力最弱。导热能力最弱。 第三节热导式气体分析仪第三节热导式气体分析仪 第三节热导式气体分析仪第三节热导式气体分析仪 对于彼此之间无化学反应的多组分的混合气体，它的热导率对于彼此之间无化学反应的多组分的混合气体，它的热导率与各组分的热导率及各组分的体积百分含量有关，即与各组分的热导率及各组分的体积百分含量有关，即niiinncccc12211第三节热导式气体分析仪第三节热导

18、式气体分析仪 如果被测组分的热导率为如果被测组分的热导率为 ，其余组分为背景组分，并，其余组分为背景组分，并假定它们的热导率近似等于假定它们的热导率近似等于 。又由于。又由于 将它们带入上式后可得将它们带入上式后可得即有即有在在 、 已知的情况下，测定混合气体的总热导率，已知的情况下，测定混合气体的总热导率，就可以测定被测组分的体积百分含量。就可以测定被测组分的体积百分含量。 2121nccc1212121132211)()1 ()(cccccccn2121c112第四节第四节工业气相色谱仪工业气相色谱仪 色谱分析仪是一种多组分的分析仪器。色谱分析的色谱分析仪是一种多组分的分析仪器。色谱分析的基本原理是：使被分析样品在基本原理是：使被分析样品在“流动相流动相”的推动下流的推动下流过过“色谱柱色谱柱”（内装填充物，称固定相），由于样品（内装填充物，称固定相），由于样品中各组分在流动相和固定相中分配情况不同，它们从中各组分在流动相和固定相中分配情况不同，它们从色谱柱中流出的时间不同，从而达到分离不同组分的色谱柱