在线分析仪表1

过程分析仪表

1热导式气体分析仪2氧分析仪3红外线气体分析仪4工业气相色谱仪第一节热导式气体分析仪

热导式气体分析仪是一种物理式分析仪表，用来分析混合气体中某一种组分（待测组分）的百分含量。由于热导式气体分析仪具有结构相对简单、性能稳定、价格便宜、易于在生产流程上进行在线分析的特点，各种结构不同、性能各异、具有不同特点的热导式气体分析仪被广泛地应用在化工、石油、轻工、冶金、电站等行业及环保大气监测部门。同时，还可作为一种基本检测器被广泛的应用在实验室色谱仪和工业色谱仪中。工作原理各种物质的导热性能是不同的，物质的导热能力用热导率λ表示，热导式气体分析仪是通过测量混合气体热导率的变化量来实现分析被测组分浓度的。由于气体的热导率很小，而它的变化量更小，所以很难用直接的方法测量出来。工业上多采用间接的方法，即通过热导检测器（又称热导池），把混合气体热导率的变化转化为热敏元件电阻的变化，电阻值的变化是比较容易精确测量出来。这样通过热敏元件电阻的测量便可知混合气体热导率的变化量，进而分析出被测组分的浓度。

热导式气体分析仪的测量桥路

从上述测量原理可知，通过热导池的转换作用，把混合气体中待测组分浓度的变化转化成电阻丝阻值的变化，应用电桥测量电阻十分方便，而且灵敏度和精度都比较高，所以各种型号的热导式气体分析仪几乎都采用电桥作为检测环节。这里仅介绍单电桥测量线路。把热导池内设置的电阻丝Rm作为电桥的一臂，称为测量臂或工作臂。其余三个臂采用电阻值相等的固定电阻，即Rl=R2=R3。

电桥工作电源接在电桥顶点A、B之间，输出信号从电桥的另一个顶点C、D间取出。如果电桥输出回路的阻抗足够大，则输出回路的分流很小，可以忽略不计。此时，电桥的输出为U0=[(RmR2—R1R3)/(Rm+R3)/(R1+R2)]*E各种不同型号的热导式气体分析仪，在电桥的结构和桥臂配置方式上也不尽相同，在提高桥路的测量灵敏度和测量精度以及工作稳定性方面，表现出各自的特色。当测量臂的气室中通入含量为测量下限的混合气体时，Rm=R1=R2=R3,RmR2—R1R3=0根据式（1一19)，此时桥路输出U0为零。当混合气体中待测组分浓度发生变化时，Rm将随之改变，电桥的平衡被破坏，桥路输出Uo不再为零。在电源E保持恒定的前提下，UO与Rm的变化有确定的关系。待测样品气体连续地通过热导池，UO的变化就反映了混合气体中待测组分浓度的变化。组成测量电桥稳压电源温控系统传感器维护

(1)日常维护通常每班至少要进行两次巡回检查，巡检内容如下。①观察仪表示值及记录曲线有无异常，是否与工况相符，以判断仪表运行状况是否正常。②检查取样装置及样品预处理系统的工作状况有无异常。如样气和参比气（对于采用流动参比气的仪表）的压力、流量以及旁路放空流量是否为规定值；样气的冷却、加热、伴热、保温状况是否良好，有无带水现象；气路有无堵、漏现象；过滤器、干燥器的填料是否失效等。③检查供系统工作的电源、气源、水源是否正常。④检查仪表的恒温状况和分析电桥的工作电流是否正常。⑤及时更换记录纸，填加墨水并保持记录笔下水通畅。⑥置于防爆现场的仪表系统工作环境的安全检查。⑦做好巡检记录。(2)定期维护定期维护的时间长短，要根据仪表所处场合而定。在化肥企业，一般每6个月对仪表进行一次定期维护，主要内容包括：①对样品预处理系统中的个别部件，如过滤器、干燥器、鼓泡器、转子流量计、乳胶管等，进行检查、清洗，必要时更换内部填料；②对气路系统做气密性检查，并处理发现的问题；③对显示仪表进行一次检修调校；④做好维护记录。仪器的启动及调校A、启动通气――调稳压阀―――通电―――预热B、仪器零点调整在校对零点之前应先校对桥流，桥流符合额定值后才能校对零点。C、量程调整通入量程气，调整仪器指示100％。调整零点和量程应反复多次，直至仪器指示在误差允许范围内。仪表的投运和停运一、投运1、在监护下，用工艺样气对仪表导压管路和样气预处理系统进行吹扫。2、按规定流量给分析仪通入参比气和零气。3、检测器升温预热。4、在确认检测器已充分恒温的前提下对仪表进行系统联校。5、在确认工艺样气不带水的前提下，将零气关断，把工艺样气通入分析仪，调整样气流量为规定值。6、观察样气预处理系统、分析仪、显示仪的工作状况是否正常，仪表示值是否与工况相符，如果一切正常，仪表投运就完成了。二、停运仪表在需要短期停运时，可以关断仪表电源，检测器保持恒温状态，但在切断工艺样气的同时，必须迅速向仪表通入零气，零气和参比气保持一定的流速。当仪表需要长期停运时，则必须关断仪表电源，再切断工艺样气和参比气，以防烧断热丝。第二节氧分析仪分为两类：一类是根据电化学的原理制成的，如原电池法、固体电解质法、极谱法等；另一类是物理式的，如热磁式和磁力机械式等。电化学式主要用于微量氧的分析，物理式的主要用于常量氧的分析。物理式的氧分析仪任何物质在外磁场的作用下都呈现出一定的磁特性，气体介质处于磁场中也能被磁化，氧气是顺磁性气体，而且氧气的体积磁化率要比其它气体大的多，氧气的这一突出物理特性为采用物理方法分析混合气体中氧的含量奠定了基础。1、热磁式氧分析仪1.1热磁对流顺磁性气体的体积磁化率与温度之间的关系，可用居里定律来描述，即k=C*ρ/T式中C―居里常数；ρ―气体密度；T―气体的绝对温度。即在气体温度升高时，其体积磁化率急剧下降。顺磁性气体体积磁化率的大小在磁场中的表现为：k值大，与外磁场的作用力大，或者说所受磁场的吸引力大；反之，受磁场吸引力小。顺磁性气体在磁场中因温度变化而导致所受磁场吸引力变化的这一性质，是形成热磁对流的机理。但仅凭这一点还不够，形成热磁对流还需另一条件，即不均匀磁场，

如图3－1(a）所示，一个T形薄壁石英管，在其水平方向(X方向）的管道外壁均匀地绕以加热丝，在水平通道的左端拐角处放置一对小磁极，以形成一恒定的外磁场。在这种设置下，磁场强度曲线和温度场曲线如图3－1(b）所示。可以看到，磁场强度沿X方向按一定的磁场强度梯度衰减，H(X）是变化的。对于水平通道而言，处于一个不均匀磁场之中，通道左端磁场强度最强，越往右磁场强度越弱，而温度场基本上是均匀的。它们之间的相对位置关系应该是：在磁场强度最大值区域开始建立均匀的温度场，这一点正如图3－1(b）所示。

当有顺磁性气体在垂直管道内沿Y方向自下而上运动到水平管道口处时，由于受到磁场的吸引力而进人水平管道。在其处于磁场强度最大区域的同时，也就置身于加热丝的加热区，在加热区，顺磁性气体与加热丝进行热交换而使自身温度升高，其体积磁化率随之急剧下降，受磁场的吸引力也就随之减弱。其后的处于冷态的顺磁性气体，在磁场的作用下被吸引到水平通道磁场强度最大区域，就会对先前已经受热的顺磁性气体产生向右方向的推力，使其向右运动而脱离磁场强度最大区域。后进入磁场的顺磁性气体同样被热丝加热，体积磁化率下降，又被后面冷态的顺磁性气体向右推出磁场，如此过程反复不断地进行，在水平管道中就会有气体从左向右地移动，这种气体的流动就称为热磁对流，或称为磁风。1.2测量原理

实际的热磁式氧分析仪虽然依据热磁对流的原理工作，但工业上是采用间接的方法来测量混合气体中氧含量的。热磁式氧分析仪的工作原理如图3－2所示，热磁式氧分析仪的发送器是一个中间有通道的环形气室。在中间通道的外面均匀地绕有电阻丝。电阻丝通过电流后，既起到加热作用，同时又起到测量温度变化的感温作用。电阻丝从中间一分为二，作为两个相邻的桥臂电阻r1、r2与固定电阻R1、R2组成测量电桥。在中间通道的左端设置一对小磁极，以形成恒定的不均匀磁场。

待测气体从底部人口进人环形气室后，沿两侧流向上端出口。如果被测混合气体中没有顺磁性气体存在，这时中间通道内没有气体流过，电阻丝r1、r2没有热量损失，电阻丝由于流过恒定电流而保持一定的阻值。当被侧气体中含有氧气时，左侧支流中的氧受到磁场吸引而进人中间通道，从而形成热磁对流，然后由通道右端排出，随右侧支流流向上端出口。环形气室左侧支流中的氧因远离磁场强度最大区域，受不到磁场的吸引，加之磁风的方向是自左向右的，所以不可能由右端口进人中间通道。

由于热磁对流的结果，左半边电阻丝rl的热量有一部分被气流带走而产生热量损失。流经右半边电阻丝r2的气体已经是受热气体，所以r2没有或略有热量损失。这样就造成电阻丝r1和r2因温度不同而阻值产生差异，从而导致测量电桥失去平衡，有输出信号产生。被测气体中氧含量越高，磁风的流速就越大，rl和r2的阻值相差就越大，测量电桥的输出信号就越大。由此可以看出，测量电桥输出信号的大小就反映了被测气体中氧含量的多少。磁力机械式氧分析仪磁力机械式氧分析仪是利用氧的顺磁性特性对混合气体中氧含量进行测量的又一种分析仪表。这种分析仪表的灵敏度较高，所以除了用来测量常量氧含量以外，还常用于微量氧的测量。这种分析仪在测量中不受被测气体的导热性、密度变化等影，与热磁式氧分析仪相比，有其独到的优越性，得到越来越广泛广泛的应用。测量原理

测量原理如图3－13所示，在不均匀磁场中放置一空心球，球体内部充以弱抗磁性气体，如高纯度氮气或氢气。显然，球体在磁场中将受到沿X方向的排斥力，该力的大小取决于球体在磁场中所获得的能量。球体受力的大小与磁场中充人的介质的体积磁化率有关。如果在磁场中充人被测气体，而被测气体的体积磁化率又取决于其中的氧含量，这样，球体所受力F的大小就反映了被测气体的氧含量。这就是磁力机械式氧分析仪的测量原理。

结构如图3一14所示，在一个密闭的气室中，装有两对不均匀磁场的磁极，它们的磁场强度梯度正好相反。两个空心球组成哑铃状，中间用一根弹性金属带将哑铃悬挂起来，使两个空心球置于两对磁极的间隙中，金属带固定在壳体上，这样，哑铃只能以金属带为轴转动而不能上下移动。在哑铃与金属带交点处装一平面反射镜。

被测样气由人口进人气室后，它就充满了气室。两个空心球被样气所包围，被测样气的氧含量不同，其体积磁化率k值也不同，球体所受到的作用力FM就不同。如果哑铃上的两个空心球体积相同，体积磁化率值相等，两个球体受到的力大小相等、方向相反，对于中心支撑点金属带而言，它受到的是一个力偶MM的作用，这个力偶促使哑铃以金属带为轴心偏转。该力偶矩为MM=FM×2RP式中RP―球体中心至金属带的垂直距离（哑铃的力臂）。

在哑铃做角位移的同时，金属带会产生一个抵抗哑铃偏转的复位力矩以平衡MM，被测样气中的氧含量不同，旋转力矩和复位力矩的平衡位置不同，也就是哑铃的偏转角度Ψ不同，这样，哑铃偏转角度Ψ的大小，就反映了被测气体中氧含量的多少。对哑铃偏转角度Ψ的测量，大多是采用光电系统来完成的，如图3－15所示，由光源发出的光投射在平面反射镜上，反射镜再把光束反射到两个光电元件（如硅光电池）上。在被测样气不含氧时，空心球处于磁场的中间位置，此时，平面反射镜将光源发出的光束均衡地反射在两个光电元件上，两个光电元件接受的光能相等，一般两个光电元件采用差动方式连接，因此，光电组件输出为零，仪表最终输出也为零。

当被测样气中有氧存在时，氧分子受磁场吸引，沿磁场强度梯度方向形成氧分压压差，其大小随氧含量不同而异，该压力差驱动空心球移出磁场中心位置，于是哑铃偏转一个角度，反射镜随之偏转，反射出的光束也随之偏移，这时，两个光电元件接受到的光能量出现差值，光电组件有毫伏电压信号输出。被测气体中氧含量越高，光电组件输出信号越大。该信号经反馈放大器放大作为仪表的输出。为了改善分析仪的输出线性，有的仪表在空心球的外围环绕一匝金属丝，该金属丝在电路上接受输出电流的反馈，对哑铃产生一个附加复位力矩，从而使哑铃的偏转角度Ψ大大减小。特点（1）、在0～100％范围内线性刻度，可制成多量程的分析仪。（2）、灵敏度高，可实现对微量氧的分析。（3）、测量室内没有热源存在，不受热导率高的背景气组分的影响，但应考虑像氧化氮等较强顺磁性气体的干扰，实际应用中应将这些组分除掉。（4）、样气压力、环境温度的变化以及检测器的振动都会给测量带来影响，因此，分析仪应有稳压、恒温、防振措施。

第三节红外线气体分析仪原理

由于各种多元子气体（CO、CO2、CH4等），对红外线这一段电磁波都具有一定的吸收能力，而且这种吸收能力对波长具有选择性，就是说某一种气体只对某一段红外线光谱的辐射能具有吸收能力，而对其余波段的辐射能则不能吸收，只有在红外线光谱的频率与分子本身的特定频率相一致时，这种分子才能吸收红外光谱辐射能。这种分子吸收辐射能后，可部分地转化为热能，使温度升高。正因为红外线的这个特点，才利用热敏电阻或热电堆等热元件作为接受元件来测量辐射能的大小，红外线气体分析仪就是基于这些特征工作的，它主要利用的是1～25μm之间的一段红外线光谱，来间接测量混合气体中被测气体的浓度。适用被测气体

COCO2CH4C2H2NH3等但是无极性同核双原子结构的气体，如N2、O2、H2、Cl2及各种惰性气体，如He、Ne、Ar等并不吸收1～25μm波长范围内的红外辐射能，所以工业红外线气体分析器不能用来分析这类气体。特点灵敏度高精度高有良好的选择性操作简单，维护方便能连续分析并自动控制红外线气体分析仪的类型

分为分光式和不分光式工业上使用的红外线气体分析仪大多是不分光的，可分为正式和负式。负式的特点是进入测量气室的混合气体，其待测组分的浓度越大，测量后输出的信号越小，即待测组分的浓度与输出信号的大小成反比。这种分析仪灵敏度低，应用也少，这里就不再介绍。正式分析仪的结构原理与负式大部分相同，见图4－3所示：

1是辐射光源，发射出一定波长的红外线，经反射镜2后，分成两束平行的红外线光束，3是切光片，由同步电机带动，做周期转动，将两束红外线光按一定周期切割，即连续周期性的遮断红外线光束，使两束原来连续的平行的红外线光束变成了断续的脉冲式的红外线光束，其脉冲频率一般在3～25Hz之间，要求使两束红外线的波长范围与发射辐射能量基本相同。

两束脉冲红外线光中的一束经过参比气室4、过滤气室6进入接收器气室8。另一束脉冲红外线光则经过测量气室5、过滤器气室7，进人接收器气室9。接收器气室8和9实际上是一个整体的两部分，中间用薄膜隔开。薄膜有两片，靠8一侧的那片可根据室内压力的大小做弹性变形，叫动片。靠9一侧的那一片是固定的，不能动，叫定片。参比气室4中封装了不吸收红外线的中性气体，如N2等，其作用是保证两束平行的脉冲红外线的光学长度相等，也就是光程加上窗口的数值相等。

经过参比气室4后的红外线其波长和光强与进人参比气室前基本不变。但另外经过测量气室5的那一束红外线，由于测量气室5中待测组分按其特征吸收波长，吸收了相当一部分的红外线，所以射出测量气室5的红外线光强是随待测组分的浓度不同而变化的，待测组分的浓度高，吸收红外线多，浓度低，吸收红外线少。从测量气室5出来的那一束光强发生了变化的红外线脉冲光束，经过过滤器气室7，进入接收器气室9。这样进入接收器气室（检测器）两边的两束脉冲红外线光的光强是不相等的。从参比气室4来的那一束脉冲红外线的光强因为没有被吸收，所以其光强要大于经测量气室5进人接收器气室的那一束。

接收器气室8、9中封装着与待测气体组分浓度相同的组分和中性气体的混合气体，其中与待测组分相同的组分将仍对红外线吸收，吸收后气体分子热运动加剧，体积膨胀，压力发生变化。由于进人接收器气室两侧的脉冲红外线能量不同，所以两侧吸收的能量也就不同，导致两侧的温度变化不同，自然两侧的压力也就不同了，靠8一侧的压力必然大于靠9一侧的压力，这就使动片与定片的距离发生变化。而动片与定片组成的测量元件10是一个电容器，两片之间距离的变化将引起电容量的变化，将这个变化的电容量转变成为电压信号，再经放大器11，就可用显示或记录仪将其显示或记录下来，仪表显示或记录的信号就代表待分析气体组分的浓度。

从以上的叙述中可以看出，待测气体组分的浓度越高，进人接收器气室的两束脉冲红外线光的能量差别就越大，电容量的变化也就越大，则最后的输出信号也就越大，这就是被称为正式红外线气体分析仪的原理所在。红外线气体分析仪的组成及主要元件（1）、光源（辐射能），包括辐射源和反光镜（2）、窗口材料（晶片）（3）、气室：有测量气室、参比气室和滤波气室（4）、检测器（接收器）：工业用的红外线检测器主要有薄膜微音式检测器、热电偶式检测器、半导体光电式检测器等，目前大都采用薄膜微音器（又称薄膜电容检测器或电容微音器），它是仪表的心脏部件。日常维护（1）、每天应做的工作（2）、定期应做的工作第四节工业气相色谱仪化工生产过程中对化学成分的监视、检测和控制对提高化工生产产品的产量、降低消耗、提高产品质量及安全生产起着十分重要的作用。随着工业和仪器仪表技术的发展，工业气相色谱仪在石油、化工、医药、冶金、环保等领域及科学研究工作中的应用日渐普遍，在工业生产中成为人们不可缺少的工具。工业色谱仪是一种大型精密仪器，其结构较复杂，应用中存在许多技术问题。工业气相色谱仪主要由取样和预处理装置、检测器、信号放大电器电路、显示记录数据处理器、控制器等五部分组成。如图5－1所示。

图5－1工业气相色谱仪的组成分析气经过取样和预处理装置除去污物和水分获得干净、干燥的气体，在载气的携带下进人检测器，首先利用气体中各种组分在色谱柱中的气相和固定相间的分配及吸附系数不同而进行分离，组分分离后依次进人热导检测器。不同的物质热导率不同，其传热的能力也不同，因此气体中不同组分的热导率也不同，将热导率的变化转化为热敏元件电阻的变化，然后将电阻的变化转变为电量信号，微弱的电量信号经放大电路处理后进行数据处理。最后送显示记录器。控制器控制各部分按预先安排的动作程序自动、协调、周期地工作。系统框图如图5－2所示。

色谱分析法的基本原理

分离原理：以气相色谱为主讨论色谱分析法的工作原理。工业中被测气体多是由多种气体组分组成的混合气体，要定量分析其中需要了解或掌握的一个或多个气体组分的含量有多少，就必须把它们进行分离。把混合气体分离开的技术称为分离技术。这里用来分离气体的设备是色谱柱，它具有分离效率高，适用范围广，分析速度快，样气用量少等特点。色谱柱是色谱仪的心脏，没有分离组分能力的色谱柱仪器将不能工作。下面讨论气液柱及气固柱的分离原理。

将能分离混合组分的高沸点的有机溶液均匀、稀薄地徐在多孔的、惰性的固体颗粒上，这种高沸点的有机溶液称为固定液（固定相）。惰性的固体颗粒称为担体。担体起支撑固定液的作用。固定液起分离被测气体组分的作用。当待测气体在载气（流动相）的携带下进人色谱柱后，由于待测气体内的各组分在固定液中有各自不同的溶解能力，样气各组分的溶解度的不同决定了它们各自在色谱柱中的移动速度，溶解度小的组分被固定液滞留的时间短一些，溶解度大的组分被固定液滞留的时间就长一些，完全不溶解的组分随载气一起流动，首先流出色谱柱，溶解度大的则最后流出色谱柱，从而达到分离的目的。

用图5－3表达这种分离过程。设待测气体由A、B、C三个组分组成，设其组分浓度C>B>A。当由载气（流动相）带人色谱柱后，在柱子的始端，由于组分C的溶解度大，它首先溶解到固定相中，在固定相中停留的时间最长，B组分次之，A组分的溶解度最小，在固定相中停留的时间最短。在流动相的携带下经过多次的分配（溶解和解析），溶解度小的A组分首先流出色谱柱，随后是B组分，C组分最后流出。通过以上过程就把待测气体中的各组分完全分离出来。

色谱图及常用参数色谱仪的基本功能是先将被分析的气体中的组分进行分离，然后通过检测器转换成电信号，电信号放大后在记录仪上