Lesson07-物位和成分检测仪表

1、过程控制系统及仪表过程控制系统及仪表物位测量仪表物位测量仪表o检测仪表概述o温度检测仪表o压力检测仪表o流量检测仪表o物位检测仪表物位检测仪表o成分分析仪表检测仪表主要内容检测仪表主要内容 液位液位：容器中液体介质的高低：容器中液体介质的高低料位料位：容器中固体物质的堆积高度：容器中固体物质的堆积高度界面界面：两种密度不同液体介质的分界面的高度：两种密度不同液体介质的分界面的高度 物位测量在工业生产中具有重要的地位。例如物位测量在工业生产中具有重要的地位。例如蒸汽锅炉运行时，如果汽包水位过低，就会危及锅蒸汽锅炉运行时，如果汽包水位过低，就会危及锅炉的安全，造成严重事故。炉的安全，造成严重事故。

2、 物位的含义包括：物位的含义包括：2.5 物位检测仪表物位检测仪表 物位测量仪表类型物位测量仪表类型 A1. 静压式静压式物位测量物位测量 利用液体或物料对某定点产生的利用液体或物料对某定点产生的压力随液位高压力随液位高度而变化度而变化的原理而工作。的原理而工作。2浮力式浮力式物位测量物位测量 利用浮子所受的利用浮子所受的浮力随液位高度而变化浮力随液位高度而变化的原理的原理工作。工作。3. 电气式电气式物位测量物位测量 利用敏感元件将利用敏感元件将物位的变化转换为电量物位的变化转换为电量参数的参数的变化，而得知物位。变化，而得知物位。4. 核辐射式核辐射式物位测量物位测量 利用核辐射线穿透物料

3、时，利用核辐射线穿透物料时，核辐射线的透射核辐射线的透射强度随物质层的厚度而变化强度随物质层的厚度而变化的原理进行测量。的原理进行测量。5. 声学式声学式物位测量物位测量 测量测量超声波在物质中传播时间的长短超声波在物质中传播时间的长短，据此，据此可测出物位。可测出物位。6. 光学式光学式物位测量物位测量 利用利用光波在传播中可被不同的物质界面遮断光波在传播中可被不同的物质界面遮断和反射和反射的原理测量物位。的原理测量物位。物位测量仪表类型物位测量仪表类型 B静压式液位变送器静压式液位变送器浮球液位变送器浮球液位变送器浮球液位变送器浮球液位变送器静压式液位变送器静压式液位变送器电容式物位变送器

4、电容式物位变送器超声波物位变送器超声波物位变送器2.5.1 浮力式液位变送器浮力式液位变送器恒定浮力恒定浮力变浮力变浮力0%100%mgFF=mg恒定浮力式恒定浮力式可通过电位器或可通过电位器或数码盘将位移转数码盘将位移转换为电信号换为电信号变浮力式液位变送器变浮力式液位变送器F=mg+FmgFV1V2F p1= H g + p2 p = p1 - p2= H g 式中：式中： H液位高度；液位高度； 介质密度；介质密度； g重力加速度。重力加速度。p2p12.5.2 差压式液位变送器差压式液位变送器 利用测量容器利用测量容器底部和顶部的压差底部和顶部的压差测液位。测液位。2.5.2.1 测量

5、原理测量原理 设容器上部空间为干燥气体，其压力为设容器上部空间为干燥气体，其压力为p2，下，下部取压点压力为部取压点压力为p1 ，则：，则：双法兰双法兰若被测容器是若被测容器是敞口敞口的，则气相压力为大气压，的，则气相压力为大气压，只需将差压变送器的负压室通大气，或用压力变送只需将差压变送器的负压室通大气，或用压力变送器、或用压力表即可测量。因为压力变送器和压力器、或用压力表即可测量。因为压力变送器和压力表都是测量与大气压之差。表都是测量与大气压之差。注意注意：当仪表安装与容：当仪表安装与容器底部不在同一水平，则需进行零点迁移。器底部不在同一水平，则需进行零点迁移。单法兰单法兰2.5.2.2用

6、法兰式差压变送器测量液位用法兰式差压变送器测量液位 在测量含有结晶颗粒、有腐蚀性、粘度大、易凝在测量含有结晶颗粒、有腐蚀性、粘度大、易凝固等液体液位时，引压管线可能被腐蚀、被堵塞。可固等液体液位时，引压管线可能被腐蚀、被堵塞。可使用加隔离膜盒的法兰式差压变送器。使用加隔离膜盒的法兰式差压变送器。 插入式法兰插入式法兰平法兰平法兰非导电液体非导电液体2.5.3 电容式物位变送器电容式物位变送器 利用电容器的利用电容器的极板之间介质变化极板之间介质变化时，电容量也时，电容量也相应变化的原理测物位。可测量液位、料位和两种相应变化的原理测物位。可测量液位、料位和两种不同液体的分界面。不同液体的分界面。

7、圆柱形电容器的电容量为圆柱形电容器的电容量为dDLCln=2 2为介电系数为介电系数非导电液体：金属棒为内电极，非导电液体：金属棒为内电极，金属圆筒为外电极金属圆筒为外电极导电液体：金属棒套绝缘层为导电液体：金属棒套绝缘层为内电极，容器外壳为外电极内电极，容器外壳为外电极0H = 0时：时：H0时：时：C =dD2HlndD2(L-H)0ln设空气的介电系数为设空气的介电系数为0，被测物料的介电系数为被测物料的介电系数为dD2L0C0ln=dD2H(-0 )C = C C0ln= kH 电容的变化量电容的变化量与液位成正比与液位成正比。非导电液体非导电液体LDd0H导电液体导电液体内电极内电极

8、外电极外电极绝缘层绝缘层0D0dDL设空气的介电系数为设空气的介电系数为0，绝缘层的介电系数为绝缘层的介电系数为H = 0 时：时：H 0 时：时：C = C C0= kHdD02L0C0ln=D0D-d2C =dD2HlndD02(L-H)0lnHdDdD)lnln(2002.5.4 超声波液位计超声波液位计利用超声波在液体中传播有较好的方向性，且传播过利用超声波在液体中传播有较好的方向性，且传播过程中能量损失较少，遇到分界面时能反射的特性，可程中能量损失较少，遇到分界面时能反射的特性，可用用回声测距回声测距的原理，测定超声波发射后遇液面反射回的原理，测定超声波发射后遇液面反射回来的时间，以

9、确定液面的高度。来的时间，以确定液面的高度。tTvH)(21若速度若速度v为常数，可测时间为常数，可测时间 t 算出液算出液面高度面高度H。因速度对温度敏感，所因速度对温度敏感，所以使用时需要补偿由以使用时需要补偿由 T 造成的造成的 v 变变化。化。v超声波在液体超声波在液体中的传播速度中的传播速度若测料位，则超若测料位，则超声波物位计安装声波物位计安装在容器顶部在容器顶部.超声波物位计超声波物位计过程控制系统及仪表过程控制系统及仪表成分检测仪表成分检测仪表o检测仪表概述o温度检测仪表o压力检测仪表o流量检测仪表o液位检测仪表o成分分析仪表成分分析仪表检测仪表主要内容检测仪表主要内容 所谓成

10、分，是指在多种物质的混合物中某一种物所谓成分，是指在多种物质的混合物中某一种物质所占的比例质所占的比例。例如，组分，黏度、浓度、密度和例如，组分，黏度、浓度、密度和pH值等。值等。目的：提高生产效率，保证生产安全目的：提高生产效率，保证生产安全分析仪表：分析仪表：l实验分析仪表：定期采样，由实验室离线测定实验分析仪表：定期采样，由实验室离线测定l过程分析仪表：利用仪表，连续在线测定过程分析仪表：利用仪表，连续在线测定2.6 成分分析仪表成分分析仪表 按测量原理：按测量原理：l电化学式电化学式l热学式热学式l光学式光学式按使用场合：按使用场合：l实验室分析仪实验室分析仪l过程分析仪过程分析仪l自

11、动分析仪自动分析仪l在线分析仪在线分析仪2.6 成分分析仪表成分分析仪表 过程分析仪过程分析仪l安装在现场安装在现场l自动采样、预处理自动采样、预处理(冷却、加热、气化、减压等冷却、加热、气化、减压等)l自动分析、信号处理及远传自动分析、信号处理及远传l适合生产过程的监控适合生产过程的监控2.6 成分分析仪表成分分析仪表 2.6.1 热导式气体分析仪：测量混合气体组分热导式气体分析仪：测量混合气体组分工作原理工作原理根据根据不同种类的气体具有不同的热传导能力不同种类的气体具有不同的热传导能力的特性，的特性，通过导热能力的差异分析气体的组分和含量。通过导热能力的差异分析气体的组分和含量。 几种彼

12、此间无相互作用的气体混合在一起时，混合几种彼此间无相互作用的气体混合在一起时，混合气体的导热系数近似等于各成分导热系数的数学平气体的导热系数近似等于各成分导热系数的数学平均值均值niiic1混合气体混合气体导热系数导热系数第第 i 种气体含量种气体含量第第 i 种气体种气体导热系数导热系数2.6.1 热导式气体分析仪：测量混合气体组分热导式气体分析仪：测量混合气体组分使用场合使用场合工业生产中最早使用的自动气体分析仪。工业生产中最早使用的自动气体分析仪。常用于混合气体中常用于混合气体中H2、CO2、NH3、SO2、锅炉烟、锅炉烟气等组分的百分含量测定；气等组分的百分含量测定；也常用于色谱分析仪

13、的检测器。也常用于色谱分析仪的检测器。 若混合气体中仅有两种导热系数已知的气体构成，则若混合气体中仅有两种导热系数已知的气体构成，则121212112211)()1 (ccccc则则与与 c1 成单值函数关系，可由成单值函数关系，可由求得求得 c1。p 可测多种气体混合中某一气体含量，只要除被测可测多种气体混合中某一气体含量，只要除被测气体外，其它气体导热系数近似相等气体外，其它气体导热系数近似相等p 被测气体导热系数应与其余气体导热系数相差明被测气体导热系数应与其余气体导热系数相差明显，且越明显，灵敏度越大显，且越明显，灵敏度越大p 当混合气体中有多种导热系数相差较大的气体，当混合气体中有多

14、种导热系数相差较大的气体，只要用一定预处理装置去除只要用一定预处理装置去除“干扰干扰”即可即可热导式检测器热导式检测器热导式气体分析仪组成热导式气体分析仪组成热导池热导池+测量电桥测量电桥导热系数变化导热系数变化电阻变化电阻变化导热系数大时，散导热系数大时，散热好，电阻丝温度热好，电阻丝温度下降多，电阻变小下降多，电阻变小检测电桥：补偿温度变化检测电桥：补偿温度变化为补偿温度，使用与测量室完全相同的构造，称参比室。为补偿温度，使用与测量室完全相同的构造，称参比室。R1、R3为测量室电阻；为测量室电阻；R2、R4为参比室电阻。为参比室电阻。双电桥检测电路双电桥检测电路 2.6.2 红外线气体分析

15、仪红外线气体分析仪根据不同的根据不同的气体对不同波长的红外线具有选择性吸收气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特征制成。的特征制成。使用范围宽，不仅可以分析气体，也可分析溶液，且使用范围宽，不仅可以分析气体，也可分析溶液，且灵敏度较高，反应迅速，有着广泛的应用。灵敏度较高，反应迅速，有着广泛的应用。红外线是波长为红外线是波长为0.76300 m mm之间之间的不可见电磁波，的不可见电磁波，在工业红外线气体分析仪中，使用的红外线波长一般在工业红外线气体分析仪中，使用的红外线波长一般在在125 m mm之间。之间。可见光可见光紫外线紫外线红外线红外线实验证明，除氦、氖、氩等单原子惰性气体及氢、实

16、验证明，除氦、氖、氩等单原子惰性气体及氢、氧、氮、氯等具有对称结构的双原子气体外，氧、氮、氯等具有对称结构的双原子气体外，大部大部分多原子气体分多原子气体如如CO、CO2、CH4等，等，对对125 m mm波波长范围的红外线都有强烈的选择性吸收的特性长范围的红外线都有强烈的选择性吸收的特性。如图，如图，CO对波长为对波长为4.55 m mm的红外线的红外线具有强烈的吸收作用。具有强烈的吸收作用。红外线气体分析仪红外线气体分析仪根据朗伯根据朗伯-贝尔定律，当光通过吸收介质时，其贝尔定律，当光通过吸收介质时，其强度随介质的浓度和厚度按指数规律衰减。强度随介质的浓度和厚度按指数规律衰减。cleIIm

17、 m 0 式中：式中： I0 射入时的光强；射入时的光强； I 透出时的光强；透出时的光强； l 介质厚度；介质厚度； c 吸收介质的浓度；吸收介质的浓度； m m 吸收系数吸收系数 红外线气体分析仪就是根据这一定律，测某波红外线气体分析仪就是根据这一定律，测某波长红外线的透射强度。从波长光强被吸收的程度，长红外线的透射强度。从波长光强被吸收的程度，推知该组分在混合气中的浓度。推知该组分在混合气中的浓度。红外线气体分析仪组成红外线气体分析仪组成测量气室测量气室+参比气室参比气室+接受气室接受气室+电容式差压计电容式差压计 用碳化硅白炽灯作为光源产生红外线，经反用碳化硅白炽灯作为光源产生红外线，

18、经反光镜反射成两束平行光线。光镜反射成两束平行光线。 用电机带动切光片（开有对称孔的铝片），用电机带动切光片（开有对称孔的铝片），将两束红外线调制成几赫兹的矩形波。将两束红外线调制成几赫兹的矩形波。如果混合气体中有和被测组分的吸收峰相重叠如果混合气体中有和被测组分的吸收峰相重叠的干扰组分，就在干扰滤光室里面充以高浓度的干扰的干扰组分，就在干扰滤光室里面充以高浓度的干扰气体，使混合气体中干扰组分可能吸收的辐射能在这气体，使混合气体中干扰组分可能吸收的辐射能在这里全部被吸收掉。里全部被吸收掉。 测量气室连续通过被测混合气体。参比气室测量气室连续通过被测混合气体。参比气室内密封着氮、氩等对红外线完全

19、不吸收的气体。内密封着氮、氩等对红外线完全不吸收的气体。 薄膜电容接收器是在两个接收气室之间设置薄膜电容接收器是在两个接收气室之间设置一薄膜弹片和固定极板构成的电容。两个接收气室分一薄膜弹片和固定极板构成的电容。两个接收气室分别接受由测量气室和参比气室透出的红外线。别接受由测量气室和参比气室透出的红外线。 接收气室内封有浓度较大的待测组分气体，它能将接收气室内封有浓度较大的待测组分气体，它能将射入的符合其吸收波长的红外线幅射能全部吸收，变为射入的符合其吸收波长的红外线幅射能全部吸收，变为接收气室内的气体温度变化和压力变化。接收气室内的气体温度变化和压力变化。当测量气室中无待测组分时，调整两束光

20、的强度，当测量气室中无待测组分时，调整两束光的强度，使其达到上下接收室的光强相等，此时两边气体压力相使其达到上下接收室的光强相等，此时两边气体压力相等，薄膜片不变形，电容量不改变，接收器无输出。等，薄膜片不变形，电容量不改变，接收器无输出。 当测量气室中有待测组分时，上接收气室就吸当测量气室中有待测组分时，上接收气室就吸收到的能量比下接收气室小，两个接收气室温度不收到的能量比下接收气室小，两个接收气室温度不同，出现压力差，推动中心薄膜片变形，改变了与同，出现压力差，推动中心薄膜片变形，改变了与固定极板间的距离，即改变了电容量。测定此电容固定极板间的距离，即改变了电容量。测定此电容量的变化幅度，

21、便可知样气中待测组分的浓度。量的变化幅度，便可知样气中待测组分的浓度。 2.6.3 气相色谱分析仪气相色谱分析仪特点：特点：先分离，再分析，先分离，再分析，分离能力强，分析灵敏分离能力强，分析灵敏度高、速度快和样品用量少。度高、速度快和样品用量少。例如分析石油产品时，一次可分离分析一百多种例如分析石油产品时，一次可分离分析一百多种组分；在分析超纯气体时，可鉴定出组分；在分析超纯气体时，可鉴定出1ppm (ppm为浓度单位，表示百万分之为浓度单位，表示百万分之)，甚至，甚至0.1 ppb (ppb表示十亿分之一表示十亿分之一) 的组分。的组分。目前被广泛应用于石油、化工、电力、医药、食目前被广泛

22、应用于石油、化工、电力、医药、食品等生产及科研中。品等生产及科研中。碳碳酸酸钙钙吸吸附附剂剂色谱分析原理色谱分析原理被测气体在载气携带下按一定方向通过色谱被测气体在载气携带下按一定方向通过色谱柱，各成分与吸附剂作用，吸附作用强的成柱，各成分与吸附剂作用，吸附作用强的成分脱附慢，吸附作用弱的成分脱附快，则各分脱附慢，吸附作用弱的成分脱附快，则各成分由于通过色谱柱速度不同而分开，时间成分由于通过色谱柱速度不同而分开，时间上先后依次通过色谱柱，逐个进入检测器接上先后依次通过色谱柱，逐个进入检测器接受测定与分析受测定与分析移动相是液态的称为液相色谱，移动相是气移动相是液态的称为液相色谱，移动相是气态的

23、称为气相色谱。态的称为气相色谱。实用的气相色谱仪由色谱柱、检测器及载气、实用的气相色谱仪由色谱柱、检测器及载气、采样等辅助装置组成。采样等辅助装置组成。色谱柱色谱柱 一般的一般的色谱柱色谱柱，是在直径约，是在直径约36mm、长约、长约14m的玻璃或金属细管中，填装固体吸附剂颗粒构的玻璃或金属细管中，填装固体吸附剂颗粒构成。称为固定相。常用的固体吸附剂有氧化铝、硅成。称为固定相。常用的固体吸附剂有氧化铝、硅胶、活性炭、分子筛等。胶、活性炭、分子筛等。 用氢、氮、空气等用氢、氮、空气等作作“载气载气”，运载被分，运载被分析样气通过固定相。载析样气通过固定相。载气和被分析样气称为移气和被分析样气称为

24、移动相。动相。分离过程分离过程 设样气中有设样气中有A、B、C三种不同的成分。三种不同的成分。从色谱柱分离从色谱柱分离原理可知，被分析的原理可知，被分析的样气应当是脉冲式输样气应当是脉冲式输入，在载气的推动下入，在载气的推动下通过色谱柱。在流动通过色谱柱。在流动的过程中，吸附性小的过程中，吸附性小的成分前进速度快，的成分前进速度快，C、B、A各组分依各组分依次从色谱柱流出。次从色谱柱流出。 样气中样气中A、B、C三种不同的成分，经色谱柱分离三种不同的成分，经色谱柱分离后，依次进入检测器。检测器输出随时间变化的曲后，依次进入检测器。检测器输出随时间变化的曲线称为色谱流出曲线或色谱图，线称为色谱流出曲线或色谱图， 色谱图上色谱图上三个峰的面积三个峰的面积（或高度）分（或高度）分别代表相应组别代表相应组分在样品中的分在样品中的浓度大小。浓度大小。 检测器的作用是将由色谱柱分离的各组分进行检测器的作用是将由色谱柱分离的各组分进行定量的测定。常用的检测器有热导式和氢火焰电离定量的测定。常用的检测器有热导式和氢火焰电离式。氢火焰电离式检测器的灵敏度比热导式高式。氢火焰电离式检测器的灵敏度比热导式高1000倍，只能检测有机碳氢化合物等在火焰中可电离的倍，只能检测有机碳氢化合物等在火焰中可电离的组分。组分。氢火焰电离检测器氢火焰电离检测器2.