《过程检测及仪表》-第7章 分析仪表

知识目标了解分析仪表的特点掌握热导式气体分析仪、氧化锆氧分析仪、红外线气体分析仪和色谱分析仪测量原理掌握热导式气体分析仪、氧化锆氧分析仪、红外线气体分析仪和色谱分析仪的使用方法返回能力目标能完成热导式气体分析仪的校验与投运任务能完成氧化锆氧分析仪、红外线气体分析仪和色谱分析仪的操作任务返回7.1概述在现代工业生产过程中，要确定原料、成品、半成品的质量是否符合标准，就必须对有关质量的参数进行分析，例如化学性质、化学成分及其特点。用来测量这些参数的仪表称为分析仪表。能够自动监视与测量工业生产过程中物料成分或性质的分析仪表称为流程分析仪表。下一页返回7.1概述随着现代工业生产过程的反应速度愈来愈快，依靠人工化验分析已不能满足生产需要，因为从取样到分析需要一定时间，而且是断续进行的，这就不能保证这段时间内产品的质量。例如纯氧顶吹炼钢，吹炼一炉钢水仅需15min，为保证产品质量，必须采用在线炉前快速定碳分析。又如在氢冷式发电机中，为了保证氢气纯度，防止混入过多氧气而发生爆炸，必须在线连续监视氢气的纯度。上一页下一页返回7.1概述如果能通过流程分析仪表及时得到原料、成品或半成品的质量情况和给出控制指标，根据分析信号进行质量控制，就可以取得最佳的控制质量。例如锅炉燃烧过程，若根据分析烟道气的化学成分来控制空气供给量，则可获得最高的热效率，节省能源消耗。环境保护是关系到人民身体健康的大事，在工业生产中排至空气中某些有害气体成分高达某一限度时，便会危及人类的生命。所以，必须用分析仪器仪表对这些成分进行连续监视。上一页下一页返回7.1概述7.1.1作用及特点分析仪表主要用于以下几个方面：(1)工艺监督在生产流程中，合理地选用分析仪表能准确、迅速地分析出参与生产过程的相关物质成分，可以及时地控制和调节，达到最佳生产过程的条件，从而实现稳定生产和提高生产效率。例如，连续分析进入氨合成塔气体的组成，根据分析结果及时调节和控制气体中氢和氮的含量，使两者之间保持最佳的比值，从而获得最佳的氨合成率，使产氨量增加。上一页下一页返回7.1概述(2)节约能源目前，工业分析仪表越来越多地应用在锅炉等燃烧系统，用来监视燃烧过程，降低能耗，节约燃料。例如，实时分析燃烧后烟气中成分(如二氧化碳和氧的含量)，是判断燃烧状况，监视锅炉经济运行的主要手段。(3)污染监测对生产中排放物进行分析，使其中的有害成分不得超过环保规定的值。例如，化工生产中排放出来的污水、残渣、烟气对大气、水源和农田等都会造成污染，所以需要对排放物及时进行分析和处理。上一页下一页返回7.1概述(4)安全生产在工业生产中，必须确保生产安全和防止设备事故。例如，锅炉给水和蒸汽中的含盐量及二氧化硅等，会腐蚀设备和形成水垢，从而造成受热面过热，降低强度而引起不安全问题，这就须对锅炉给水或蒸汽中的含盐量、二氧化硅等进行分析，确保锅炉的安全运行。分析仪表有以下几个特点：(1)自动分析仪表的分析方法的研究比较困难，仪表结构复杂；(2)仪表元件机械加工要求高，电子线路复杂；(3)仪表专用性强，品种多，价格高；(4)使用条件苛刻。上一页下一页返回7.1概述7.1.2分类分析仪表按使用场所可分为实验室分析仪和工业分析仪。按被测对象分类有氢分析仪、氧分析器、工业pH仪、盐量表等。若按分析仪表的工作原理，可分为以下几种：①电化学式分析仪表如电导式、电位式、电量式分析仪等；②热学式分析仪表如热导式、热化学式分析仪等；③磁学式分析仪表如热磁式、磁力机械式分析仪等；④光学式分析仪表如红外线吸收式、分光光度式、光电比色式分析仪等；⑤色谱仪如气相色谱仪、液相色谱仪。其他还有射线式分析仪表、离子式光学分析仪表等。本篇将着重介绍化工生产中常用的工业分析仪表。上一页下一页返回7.1概述7.1.3组成工业分析仪表一般有四个基本组成部分：(1)取样及预处理系统取样及预处理系统是确保分析仪表正常工作不可缺少的部分。它的功能是从对象中取出有代表性的待分析介质样品并作必要的预处理。上一页下一页返回7.1概述取样装置包括取样探头及其他一些与探头有直接关系的部件，如冷却与冷凝收集器、反吹清洗器、抽吸器及取样泵等。这些部件的主要作用是取样，同时也对样品作初步预处理。例如，取样有正压取样和负压取样，对负压取样，应有抽吸器。另外在取样时，对烟尘量很大的样品往往采用水洗的方法进行机械杂质与腐蚀性气体的过滤，初步过滤掉样品中颗粒较大的机械杂质。由于取样装置直接安装在现场，工作条件恶劣，容易损坏，因此要用良好的材料制造，同时又要便于修理和更换。上一页下一页返回7.1概述样品经取样探头后再通入预处理系统，这一部分包括过滤器、干燥器、精密压力调节阀、稳压阀、稳流阀、各种切换系统(如样品与标准样品的切换、多点取样切换)、分流器、流量指示仪与流量调节器、各种启闭阀与回收系统等。这些部件的作用是对样品作进一步预处理，其中主要是过滤掉细小的灰尘，对油污、腐蚀性的物质与水分进行化学过滤或吸收，以及除去某些干扰组分。同时还要对样品的压力、流量、温度进行控制，使之能满足分析仪表的要求。上一页下一页返回7.1概述(2)检测器检测器(也称发送器、传感器)是仪器的心脏部分。它的功能是把被分析物质的成分或物质性质变换为电信号。不同分析仪表，有不同的检测形式，也就有不同的检测器。一台分析仪表的技术性能，在很大程度上取决于检测器，因此对于检测器的设计、使用和维护必须给予充分重视。(3)测量及信号处理系统这部分的作用是进一步处理检测器提供的信息，如电信号的转换、放大、线性化、变换为统一信号(如4~20mA、0~10mA电流等)和数字信号等，并将信号不失真地送给显示装置。上一页下一页返回7.1概述(4)显示装置它是显示分析结果的装置。显示方式一般有模拟显示和数字显示两种。模拟式显示仪表一般采用通用的显示仪表，如动圈式显示仪表或带记录的电子电位差计等，这些显示仪表要按被测物质成分重新分度标尺。现在在分析仪表中也逐渐用数字显示，并且与计算机联用的分析仪表中开始应用图像显示。上一页下一页返回7.1概述7.1.4主要性能指标分析仪表由于其自身特点，仪表性能具有一定的特殊性。(1)精度指仪表分析结果和人工化验分析结果之间的偏差。目前自动分析仪表的精度等级不是太高，一般为1.0，1.5，2.0，2.5，4.0，5.0级。(2)再现性指同类产品仪表分析相同样品输出信号的误差。(3)灵敏度仪表识别样品最小变化量的能力。(4)稳定性指在规定的时间连续分析同一样品时仪表输出信号的误差。上一页下一页返回7.1概述(5)测量范围仪表所能测出最大和最小值之间的范围。(6)可靠性在正常的使用条件下，无故障连续工作的能力。(7)时间常数被测量出现一个阶跃变化后，仪表开始响应到输出信号达到最终稳定示值的63%之间的时间间隔。自动分析仪表的时间常数愈短愈好，尤其是在以分析仪表的输出作为自动控制系统的信号源时更加重要。上一页返回7.2热导式气体分析仪利用各种气体具有不同的导热系数这一性质来测量混合气体中某一组分的含量的仪器，称为热导式气体分析器。热导式气体分析器是出现最早、种类较多、应用较广的气体分析器，它能分析的气体的种类也很广，常用来自动分析混合气体中CO2

，NH3，SO2

，H2等多种气体的百分含量。热导式气体分析仪结构简单、性能稳定、使用维护方便、价格便宜，并能在比较恶劣的环境下工作。因此广泛应用在化肥工业和有氢气作业的工业过程中，在监督生产和确保安全方面起了一定的作用。下一页返回7.2热导式气体分析仪7.2.1基本原理各种气体在热力学上有这样的性质：不同的气体，具有不同的热传导能力。热传导能力通常用导热系数表示，它的含义是在某一均匀稳定的传热介质中，在单位温度梯度(0℃/cm2)下，每秒钟通过单位面积(cm2)的热量(cal)。其单位为cal/(cm2℃)(1cal=4.1868J)。各种气体的导热系数不同，常用气体的相对导热系数(某气体的相对导热系数一导热系数/空气的导热系数)来表征气体的热传导能力的相对大小。表7.1列出了几种常见气体的相对导热系数。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪实验结果证明，各种组分的混合气体，它的总导热系数是各组分的导热系数的数学平均值，即：

(7-1)式中——混合气体的导热系数；

Ci——混合气体中第i组分的百分含量；

——混合气体中第i组分的导热系数。式(7-1)表明混合气体的导热系数，随着混合物中各组分的百分含量而变化。只要混合气体中的某一组分的百分含量Ci发生变化，则混合物的导热系数就要发生变化。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪热导式成分分析器的工作原理，就是基于不同的气体具有不同的导热系数，以及混合气体的导热系数随所分析气体的百分含量而改变这一物理特性来分析某一组分的百分含量。另外，各种气体的导热系数，不仅因气体本身的性质而异，而且也随着气体的温度变化而变化，这种变化关系，用下式表示，即：

(7-2)式中——t℃时的导热系数；

——0℃时的导热系数；

——导热系数的温度系数。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪因此对导热系数的测量条件有一定的要求，即从混合气体的导热系数与待测组分含量C的关系来看，要求温度在一定的范围内。根据上述可知，要利用热导式气体分析仪来分析混合气体中某组分的百分含量时，必须满足下列条件：(1)待测组分的导热系数与其余组分的导热系数相比，要有显著的差别。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪(2)非待测组分的导热系数要尽可能相同或十分接近，即如果几为待测组分的导热系数，则：根据这个条件，则式(7-1)可做如下的变换，即：因为上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪所以则得或式中——待测组分的百分含量；

——待测组分的导热系数；

——非待测组分的导热系数。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪这样，在测得混合物气体的热导率之后，即可求待测组分的百分含量，式中的和可以根据混合物的组成，由表7-1查得。因此只要测得，就可以计算出待测组分的百分含量，从而达到分析测量的目的。例如燃烧后的烟道气，其中有CO2

，N2

，CO，SO2

，H2及水蒸气等，如果分析前先除去水蒸气，SO2和H2，则剩下导热系数相近的N2，O2和CO以及与上述组分导热系数有显著差别的CO2，这样就能应用热导式气体分析仪来分析烟道气中CO2的百分含量。(3)混合气体应具有较恒定的温度。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪7.2.2热导式气体分析仪的检测器1.检测器的工作原理从上述分析可知热导式气体分析仪通过对混合气体的导热系数的测量来分析待测组分的含量。由于气体的导热系数很小，直接测量比较困难，所以热导式分析仪大多是把气体导热系数的变化转换成热敏电阻值的变化，通过对热敏电阻值进行测量，来反映出待测组分的体积百分含量。通常把导热系数转换成电阻值的转换部件称为热导式气体分析仪的检测器，又称为热导池。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪图7.1为热导检测器原理图。在由金属制成的圆筒形腔体内垂直悬挂一根热敏电阻元件，一般为铂丝。热敏电阻元件和腔体之间有良好的电绝缘。电阻元件通过两端引线通以一定强度的电流I0设电阻元件的长度为L，半径为r0，电阻元件在电流I作用下平衡温度为t0，此时的电阻值为Rn。0℃时电阻值为R0，气室的内半径为rc。，气室内壁温度为tc。被测气体从气室的下口流入，从上口流出，气体的流量很小，并且控制其恒定。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪气室内电阻丝由于通过电流I，所产生的热量为：

(7-5)电阻丝向四周散发热量的方式有周围气体的热传导、热对流、电阻丝的辐射散热、被流通气体带走的热量、电阻丝的轴向热传导等。在这些散热方式中，只有热传导通过导热系数来反映，其余方式散发热量均为干扰。为减少干扰，可采取加大电阻丝长度与直径比、控制tn‑tc<200℃、减小rc

，使被测气体流量小且恒定等措施。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪热导池气室依靠周围气体热传导所散失的热量经过理论推导为：

(7-6)式中——混合气体在平均温度[(tn-tc)/2]下的导热系数；

tn——热平衡时电热丝的温度；

tc——气室内壁温度。当电阻元件所产生的热量与通过气体热传导所散失的热量相等时，就达到热量平衡，即Q1=Q2。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪根据理论推导电阻丝的电阻值和气体导热系数之间近似为

(7-7)式中Rn——温度为tn时电阻元件的阻值；

R0——0℃时电阻丝的电阻值；

A——电阻材料的电阻温度系数。由式(7-7)看出，当R0，a，tc，I为常数时，电阻丝的阻值与导热系数之间为单值函数关系。因为电阻值的变化与电流成平方关系，所以电流稳定与否对电阻值影响极大，气室壁温度、流过气室气体流量对电阻值都有一定的影响，所以热导式气体分析仪表都设有稳压、稳流、恒温装置。以保证流过电阻丝的电流、壁温、气体流量稳定。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪2.检测器的结构(1)检测器的结构类型检测器是热导式气体分析仪的核心部件，它决定分析仪的测量精度。一个好的检测器，在结构上要保证对气体热传导以外的各种散热途径都有抑制和稳定作用，电阻丝的平衡温度受外界条件影响小，且有良好的动态性能。目前各国生产的检测器，其结构有分流式、对流式、扩散式、对流扩散式四种，如图7.2(a)~图7.2(d)所示。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪分流式结构具有反应速度快、滞后小的优点。但气体流量变化对测量具有一定影响，因此，采用分流式检测器的仪表必须有严格的稳压、稳流措施，才能保证分析结果的可靠性。对流式结构的检测器特点是待测气体流量变化对测量影响不大。缺点是反应速度慢，滞后大，动态特性差。扩散式结构的检测器适用于分析质量小而扩散系数大的气体(如H2)，滞后时间小。当分析质量大而扩散系数小的气体时，应减小测量气室的体积，以防滞后。由于测量气室内的气体以扩散方式运动，所以气体的流量波动不影响分析结果。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪对流扩散式结构综合了对流式和扩散式检测器的优点，减少了待测气体压力和流量波动对分析结果的影响，提高了仪表的灵敏度和响应速度。当待测气体从主气路中流过时，一部分气体以扩散方式进入测量气室中，被电阻丝加热，形成上升的气流。由于节流孔的限制，一部分气体经过节流孔进入支管中，被冷却后向下方移动，最后排入主气路中，这样气体流过测量气室的动力既有对流作用，也有扩散作用，故称为对流扩散式。这种结构即不会产生气体倒流现象，也避免了气体在测量室内的囤积，从而保证气体有一定流速。这种检测器反应速度快、滞后小、且气体流量的波动影响小。目前生产的热导式气体分析仪都采用这种形式的检测器。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪(2)检测器内电阻丝的支承方法热导式气体分析仪，普遍采用裸体铂丝作为热敏电阻元件。目前国内外生产的热导式气体分析仪中裸体铂丝的支承方法有V字形、直线型、弓形三种，见图7.3。安装时要保证电阻丝在工作过程中始终处于气室中心位置，电阻丝与池壁保持绝缘。直线型结构最简单，易满足安装要求；弓形结构安装方便；V形结构特点是在同样长度的气室条件下，电阻丝长度可增加近一倍，灵敏度高。目前应用最多的是弓形结构的检测元件。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪为了提高热敏电阻元件的耐蚀性和抗振性，可在铂丝表面覆盖一层玻璃，其结构形式可分为U形、直线形和螺旋形，如图7.4所示。从提高热导池的动态特性和灵敏度的角度，利用半导体热敏电阻代替金属电阻作为敏感元件是一个发展方向。不过目前半导体热敏电阻的复制性和稳定性问题还没有很好地解决，一旦这个问题有了突破，热导式气体分析仪的特性将得到改善。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪7.2.3热导式气体分析仪的测量电路通过检测器的转换作用，把待测组分含量的变化转换成电阻值变化，而电阻的测量普遍采用电桥法。电桥法测量电阻，具有线路简单、灵敏度和精度较高、调整零点和改变量程方便等优点。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪1.单电桥测量电路图7.5(a)为简单的测量电路，电桥的四个臂分别由Rn，Rs电阻丝和两个固定电阻R1，R2组成。Rn为电桥的测量臂，是置于流经被测气体的测量气室内的电阻；Rs为参比臂，是置于封有相当于仪表测量下限值的标准气样的参比气室的电阻。当测量气室中通入被测组分含量为下限值的混合气体时，桥路处于平衡状态。即此时电桥无输出，显示仪表指示值为零。当被测气体含量变化时，Rn的值也相应地随之变化，电桥失去平衡，即：上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪于是就有不平衡电压输出，输出的电压与Rn成正比，这样显示仪表就直接指示出被测组分含量大小。参比气室是结构形式和尺寸与测量气室完全相同的热导池，气室内封入或连续通入被测组分含量固定的参比气，其电阻值也是固定的，并置于工作臂的相邻桥臂上，其作用是克服或减小当桥路电流波动及外界条件变化(如tc变化)对测量的影响。为了提高电桥输出灵敏度，可把图7.5(a)中固定电阻R1，R2也改换为参比臂和测量臂，如图7.5(b)所示。这样测量臂为Rn1，Rn2，参比臂为Rs1

，Rs2，这种电桥称为双臂测量电桥，它的灵敏度为图7.5(a)的单臂电桥的两倍。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪2.双电桥测量电路由于加工工艺难以保证测量气室和参比气室的对称性，即干扰影响难以对称性出现，为了消除这方面的影响，可以采用双电桥测量电路，如图7.6所示。I为测量电桥，II为参比电桥。测量电桥中R1，R3气室中通入被测气体，R2，R4气室中充以测量下限气体；参比电桥中R5、R7气室充以测量上限气体，R6，R8气室中充以测量下限气体。参比电桥输出一固定的不平衡电压UAB加在滑线电阻RP的两端，测量电桥输出电压UCD的变化随着被测组分含量的变化而变化。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪显然若D、E两点之间有电位差UDE，则经放大器放大后，推动可逆电机ND转动，并带动滑线电RP的滑动点E移动，直到UDE=0，放大器无输入信号，此时以UCD=UAE。所以滑动触点E的每一个位置x对应于测量电桥的输出电压UCD，即相应于一定的气体含量。X=LUCD/UAB，L为滑线电阻的长度。由此可见，当环境温度、电源电压等干扰信号同时出现在两个电桥中时，虽然会使两电桥的输出电压发生变化，然而却能保证两者比值不变，仪表指示不受影响，提高了仪表的测量精度。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪7.2.4热导式气体分析器实例—RD型热导式气体分析器RD型热导式气体分析仪品种和规格比较多，结构简单，使用维护方便，被广泛地用来分析混合气体中的H2、Ar，SO2

，NH3等气体，实现对工艺过程的监控。RD-004型氢气分析仪表在化肥厂通常用来分析合成氨生产过程中氢气的含量。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪1.仪表组成RD-004型氢气分析仪由取样及预处理系统、检测器、电源控制器、显示仪表四部分组成。其组成框图如图7.7所示。(1)取样及预处理系统按照取样方法不同预处理有不同的流程，其气路流程如图7.8所示。图(a)为正压气体流程，取样及预处理组件有调节阀、稳压器、过滤器、干燥器、流量计及取样探头。图(b)为负压气体流程，取样及预处理组件有抽气泵、调节阀、流量计、过滤器、干燥器和取样头。RD-004型氢气分析仪一般是正压气体流程。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪(2)检测器检测器包括测量桥路的桥体、温度控制器的加热电阻丝、电接点温度计、底座、接线盒等。所有部件均罩在圆筒形壳体内，并安装在塑料制成的底座上，通过底座上的塑料接头将检测气室与取样管沟通，由接线端子与电源控制器内的电路联系，检测器结构如图7.9所示。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪检测器的核心部分是圆柱形桥体，它有两组结构对称的对流扩散式气室，一组为参比气室，内封装有分析下限浓度的参比气体和热敏元件RS1，RS2；另一组为检测气室，电桥测量臂Rn1，Rn2置于其中，热敏元件用0.02mm高纯铂丝熔包在玻璃毛细管里制成，呈“弓”字形式，铂丝不与被测气体接触，所以具有很好的抗腐蚀性和较高的机械强度，每组元件都经过特殊处理和严格选配。桥体外装有带加热线圈的金属骨架，骨架上装有电接点水银温度计，加热线圈与外部电路组成桥体温度控制系统，使其温度恒定，一般为60℃。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪(3)电源及控制器电源及控制器包括直流稳压电源、检测器温度控制系统、桥路供电及检测电桥输出分压电路，如图7.10所示。①温度控制系统。包括电接点水银温度计KJ、加热线圈RJ、干簧继电器J、降压电阻R16等。其工作过程如下：当桥体温度低于60℃时，电接点温度计不通，这时由D5~D8组成的桥式整流电路输出的电流经过电容C2和电阻R16滤波后，通过干簧继电器激磁绕组，使继电器J触点闭合，加热电阻丝RJ通电加热，指示灯ZD2亮；当温度升至60℃时，温度计接点接通，则继电器的激磁线圈被短路，继电器J触点断开，电阻丝RJ停止加热，指示灯ZD2灭。如此周而复始，桥体温度始终保持在60℃±0.5℃范围内。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪②电桥供电及输出分压电路稳压电源通过R10，R11和W4为电桥提供18V直流电压。R11是校对电桥电流的标准电阻，阻值为0.04。当切换开关K1拨向“校对”位置时，R11两端电压加到显示仪表上，仪表指示在规定位置，即8mV(0.04*200=8)地方，电桥工作电流为200mA。如果供给电桥电流与规定值不符，可以调节W4使仪表指示值在规定位置上。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪电桥输出信号加在R14，R15

，W2三个电阻组成的分压器上，当K1拨向“工作”位置时，显示仪表指示被测组分含量大小。W2为量程调节电位器，用来调节显示仪表的上限。电桥的调零是由电阻R12，W3

，R13组成的分流支路来完成的，它是采用并联调零法，即在相邻的两个桥臂上分别并联比桥臂电阻大得多的R12

，R13，W3为零位调节电位器，用来小范围内调整零位。大范围调整测量下限须改变参比气室内参比气体下限浓度。RL为线路补偿电阻，为了减少线路电阻变化的影响，引线应尽量短。用线路补偿电阻把线路总电阻调整为规定值，一般为10。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪③直流稳压电源稳压电源是为测量电路提供稳定工作电压的装置。它是一个带辅助电源和过载保护的串联调整式稳压电路。(4)显示仪表RD-004型氢气分析仪的显示仪表采用0~10mVDC的电子电位差计，刻度是按氢含量刻度的。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪2.仪表的安装仪表的检测器应安装在取样点附近，周围环境应符合仪表的要求，显示仪表安装在控制室内。①按不同气路流程用优质橡胶管或软聚乙烯管连接，管路需按要求进行气密性试验，干燥器内装满合适干燥剂、稳压器内注满变压器油或甘油。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪②按说明书中的接线图接线，控制器与检测器之间各连接导线的电阻相等，导线电阻加上线路电阻盒内电阻总和应等于10，如果导线电阻小于2，又不影响仪表零位调整可不必调整线路电阻。桥臂电阻绝缘不低于20M。③信号线和电源线应分开敷设，信号线采用屏蔽导线(或穿管屏蔽)。仪表应设专用地线，绝不能和电源的地线相接。④多台分析仪表在一起时，仪表的排气管线最好单独敷设，如果共用一个排气管，其截面应大于各气路管线面积之和。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪3.仪表的启动和调校(1)启动打开取样阀，缓慢调节调节阀，使零气样流进稳压器并连续鼓泡，流量计指示在规定刻度线；接通显示仪表和电源控制器的电源，将开关K1拨向“校对”位置，此时检测器加热，加热指示灯亮，通电1.5h后加热指示灯周期性明灭，表示检测器已经恒温，温控系统正常。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪(2)调校①桥路工作电流的校对。切换开关K1置于“校对”位置，此时显示仪表应指在红线或“▲”符号位置，表示电桥工作电流符合规定值。如果不指在应有位置，可调节电流调整电位器W4，使之指在规定值。②零点的校对。将切换开关K1拨向“工作”位置，仪表仍通入标准零气样，显示仪表应指在零位。否则可调零位电位器W3，使其指在零气样的实际位置。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪③仪表量程的校对。切换开关K1仍置于“工作”位置，仪表通入标准大气样，显示仪表应指在满度附近，否则应调节电位器W2使其达到要求。轮流接通零气样和大气样，反复校对零点和量程2~3次，直到仪表指示值在允许误差范围之内。全部调校工作完毕后，各电位器应锁紧，并将箱盖盖上、锁紧以保密闭、安全和正常工作。至此仪表的气路、电路调整工作全部结束，可通流程气监视生产。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪4.使用与维护仪表的正常运行很大程度上取决于口常使用中的定期调校和精心维护。应经常检查并调准气样流量，干燥器内干燥剂的潮湿和污染都会增加气阻，严重时甚至会堵塞气路管道，应予及时更换。根据恒温指示灯明灭周期监视仪表温控系统的工作情况，如果指示灯损坏应立即更换。经常清洗仪表可动触点触头，保持良好接触。此外为了保证仪表的全量程范围内的准确性，应定期检查工作电流、零点和满刻度。取样探头要经常检查，发现问题，及时处理。上一页下一页返回7.2热导式气体分析仪5.故障分析与处理(1)显示仪表指示最大或最小，调节零位电位器和量程电位器均不起作用。产生这种故障的原因，一般是电桥桥臂损坏。这时可测量桥臂电阻值，四个电阻应相等并且符合规定值。若不等或不符合规定值，则桥臂有故障，须更换或重新焊接。一般应送到制造厂修理或更换。上一页下一页返回(2)恒温控制系统指示灯一直亮而不灭，检测器外壳发烫。这是由于温控系统失控所致。若把温度计两根引线短路，指示灯随即熄灭，表明温度计损坏，应予更换或修理；若指示灯仍然亮，说明干簧继电器的簧片被粘住，需更换干簧继电器。(3)稳压电源输出不为18V或输出不稳定。一般是由于稳压电源出现故障，须检修稳压电源。上一页返回7.2热导式气体分析仪氧化锆氧分析器又叫氧化锆氧量计。它是利用氧化锆固体电解质做成的检测器，用来测量混合气体中氧气的含量。这种氧分析器与磁性氧分析器比较起来，具有结构简单，反应迅速和维护工作量小等特点，它广泛地应用于连续分析锅炉或窑炉内的燃烧状况，由于它分析滞后小，可以与调节器等组成自动调节系统，控制进风量和燃料比值，达到节约能源及减小环境污染的双重效果。下一页返回7.3氧化锆气体分析仪7.3.1氧化锆固体电解质导电机理电解质溶液是靠离子导电，后来人们发现，一些固体也具有离子导电的性质，故把具有某种离子导电性质的固体物质称为固体电解质。凡能传导氧离子的固体电解质称为氧离子固体电解质，现以氧化锆ZrO2固体电解质为例，来说明导电机理。纯氧化锆基本上是不导电的，但掺杂一些氧化钙或氧化钇等稀土氧化物后，它的导电性大大增加。如在氧化锆中加人氧化钙，Ca置换了Zr原子的位置，由于Ca2+和Zr4+，离子价数不同。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪因此在晶体中形成许多氧空穴。这种情况可以形象地用图7.11表示。由于氧化钙的存在，晶体中产生许多空穴，这时如果有外加电场，就会形成氧离子O2-占据空穴的定向运动而导电。带负电荷的氧离子占据空穴的运动，也相当于带正电荷的空穴的反向运动。因此，也可以说固体电解质是空穴导电，这和P型半导体靠空穴导电相似。固体电解质的导电性与温度有关，温度愈高，其导电性愈强。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪7.3.2氧化锆氧分析仪的工作原理氧化锆氧分析仪的检测器是由氧化锆管组成的一个浓差电池，其原理如图7.12所示。在掺有氧化钙的氧化锆固体电解质片的两侧，用烧结的方法制成几微米到几十微米厚的多孔铂层，并焊上铂丝作为引线，就构成了一个浓差电池。当氧化锆两面的混合气体的氧分压不同时，在两个电极之间就产生电动势，这电动势是由于氧化锆固体电解质两侧的氧离子浓度差所形成，所以叫浓差电势。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪如电池左侧通入参比气体(通常以空气作参比气)，氧分压为P0，右侧通入被测气体，氧分压为P1(未知)，高温下(750℃)在氧化锆固体电解质浓氧分压一侧(即空气侧)发生还原反应，氧分子O2从铂电极的正极取得4个电子，变成氧离子O2-，即

(7-8)上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪这些氧离子O2-经过固体电解质氧化锆中的空穴，到达铂电极的负极，在淡氧一侧发生氧化反应，在负极上释放出电子，并结合成分子O2而析出，即

(7-9)负极上电子从外线路流到正极，再供给氧分子形成离子用。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪这样在两个电极间就产生浓差电动势，浓差电动势大小与两侧氧浓度有关，通过理论分析和实验验证，它们的关系可用能斯特公式表示：

(7-10)上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪式中E——浓差电池电动势，V；

R——气体常数，8.315J/(mol·K)；

T——气体绝对温度，K；

n——参加反应的电子数(对氧而言，z=4)；

F——法拉第常数，96500C；

P0——参比气体(常用空气)氧分压；

P1——被测气体氧分压。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪如被测气体的总压力与参比气体总压力相同，则上式可改写为：

(7-11)式中C0——参比气体中氧的体积含量；

C1——被测气体中氧的体积含量。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪从上式可看出，当参比气体的氧浓度C0一定时，浓差电势仅是被测气体氧浓度C1与温度T的函数；如果温度T一定，则仅是被测气体氧浓度C1的函数。把上式的自然对数换为常用对数，得：

(7-12)再将R，F，n等值代人，得：

(7-13)如用空气作参比气体，则氧含量C0为20.8%，如检测器温度恒定在800℃，被测气体氧含量为10℃，参比气体和被测气体压力相同，这时可算出浓差电势为：上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪氧浓差电势与氧浓度的关系见表7.2。利用氧化锆浓差电池测量氧含量的条件如下：(1)只有保证工作温度T恒定，浓差电势与氧含量成单值函数关系，因此在测量系统中应有恒温装置，或者采用温度补偿装置。(2)为了保证测量的灵敏度，工作温度应选择在700℃以上，但不能超过1150℃，因为氧化锆烧结温度为1120℃；另外，当温度过高时，被测气体中的可燃物质会与氧化合而成为燃料电池，使输出增大，会对测量带来干扰。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪(3)使用时应保持被测气体和参比气体的压力相等，只有这样，两种气体的氧分压之比才能代表两种气体的氧含量之比。同时，要求参比气体的氧分压比被测气体的氧分压大得多，才能保证有较高的输出灵敏度。(4)被测气体和参比气体要有一定的流速，以保证测量具有一定的代表性。但应注意，流量不可过大，引起热电偶测温不准和氧化锆温度不均，造成无法估计的误差。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪7.3.3氧化锆氧分析仪的构成氧化锆氧分析仪由氧化锆探头(又称传感器、检测器)、变送器两部分组成。探头的作用是将含氧量转化为电势信号，而变送器的作用是恒定探头中电池温度并将电势信号转换为含氧量显示和4~20mA电流输出，供记录仪或控制系统使用。氧化锆管是氧化锆探头的核心，它由氧化锆固体电解质管、铂电极和引线构成。如图7.13所示。管外径为10mm，壁厚1mm，管长为70~160mm，在管内、外壁上各烧结一层长为20~30mm的多孔铂电极，通过铂丝引线引出。管子内部通入参比气体，管子外部通入被测气体。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪1.直插定温式氧化锆图7.14为直插定温式测量系统方框图。系统由氧化锆探头、温度控制器、毫伏变送器及显示记录仪表组成。直插定温式氧化锆探头结构示意图，如图7.15所示，主要由氧化锆管、热电偶、恒温加热器、陶瓷管等构成。氧化锆管构成氧浓差电池，根据被测气体中氧含量的高低转换为相应的毫伏电势；加热器用于加热氧化锆，使它达到某一设定温度范围内；热电偶用于测量氧浓差电池中的温度。氧化锆探头长度为600~1500mm，直径为60~100mm。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪温度控制器、连接探头、热电偶和加热器用于控制氧浓差电池的温度，使之恒定在某一设定温度上。毫伏变送器连接探头信号，将含氧量信号(毫伏电势信号)转换成统一的电流信号，送给显示仪表进行显示。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪2.直插补偿式式氧化锆图7.16所示为直插补偿式氧化锆探头结构，与定温式相比无加热器。在测量烟道气中的氧含量时，烟气的温度是不稳定的，恒温控制系统不能达到要求，可采用补偿式测量系统。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪7.3氧化锆气体分析仪(1)完全补偿式测量系统图7.17(a)是温度完全补偿式氧化锆探头示意图，由热电偶的输出ET通过函数发生器转换成与绝对温度T成比例的信号和氧化锆输出的电势E组成除法电路，对温度变化进行补偿。图7.17(b)为温度补偿原理方框图。氧化锆输出电势为

(7-14)上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪令K1=R/nF，上式可写成：

(7-15)毫伏变送器将氧化锆输出电势转换成I1，转换系数为1/K2，则：

(7-16)热电偶输出信号ET通过函数发生器转换成与绝对温度T成比例的信号为：

(7-17)上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪毫伏变送器将电势E’T转换成电流I2，转换系数为1/K5则：

(7-18)除法器输入为I1和I2，输出为I，除法器系数为K6，则

(7-19)将式(7-16)，(7-18)代入式(7-19)得

(7-20)由式(7-20)可知，温度补偿后的输出电流I与被测气体工作温度无关。I的大小仅取决于氧浓差的大小，这种补偿称为完全补偿。上一页下一页返回(2)部分补偿式测量系统由于完全补偿式所用仪表多、线路复杂、投资大，在实际应用中也可采用部分补偿式的方法来达到温度补偿的目的。图7.18为部分补偿式测量系统。此系统将热电偶的输出ET与氧化锆的输出E反向串接，可起到部分温度补偿作用。氧化锆由于工作温度升高引起电势增大，热电偶温度升高电势也增大，两电势反向串接，温度变化引起的电势变化可互相抵消。由于两者增量不相同，不能完全抵消，所以只能部分补偿。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪7.3.4DH-6型氧化锆氧分析仪DH-6型氧化锆氧分析仪主要用于分析锅炉、加热炉和窑炉中烟道气中的氧含量。仪表的探头为直插式，可直接置于被测气样中，不需附加取样装置，故能及时反映炉内的燃烧状况，并可与调节仪表组成自动控制系统，以保证最佳的空气燃料比，提高燃烧效率，达到节约能源及减少环境污染的双重效果。仪表具有性能稳定可靠、结构简单、反应迅速、适用范围广、使用维护方便等特点。仪表由探头、电源控制器、二次仪表、空气泵及变压器组合件组成。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪1.氧化锆探头探头部件是仪表的核心，它由碳化硅过滤器、隔爆件、氧化锆元件、加热器、热电偶、气体导管(包括参比气管和校验气管)和接线盒等组成。探头内部结构图见图7.19所示。氧化锆元件置于加热器内，用来检测氧浓度的变化。碳化硅过滤器具有两个方面的作用：①防止气样中的灰尘进入氧化锆元件内部而污染电极；②起缓冲作用，以减少气流冲击引起的信号噪声。位于过滤器和氧化锆元件之间的是隔爆件，其作用是安全隔爆，它是用网状不锈钢材料制作的，能耐高温和腐蚀。加热器由炉管、加热丝、保护套管、隔热材料及金属外壳组成。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪镍铬镍硅热电偶用来检测电极元件部分温度，与加热丝、温控电路配合实现对氧化锆元件恒温控制。在探头底座侧面有一个气体接嘴，是校验气进口，用来做检查和校准探头之用，此接嘴平时是用闷头封死的，以防空气进入。探头所有连接导线全部套在一只蛇皮管内，其中一根双芯屏蔽电缆是探头信号输出线(红色为正，蓝色为负)，两根较粗的线为加热线，另两根为热电偶补偿导线，再一根为地线。此外，在蛇皮管内还有一根橡胶(或塑料)管，用来与气泵相连，以提供探头所需的新鲜干净的参比气体(空气)。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪2.电源控制器电源控制器的作用是控制探头加热器温度及将氧化锆元件产生的氧浓差信号转换为线性标准信号输出。它主要由测量电路和温度控制电路组成。(1)测量电路测量电路的作用是将氧化锆产生的浓差电势转换成所需线性标准信号(4~20mA)输出，送给显示仪表作氧含量显示。此输出信号也可与电动单元组合仪表相配套，组成自动控制系统，从而实现对烟道气中氧含量的自动控制。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪测量电路包括量程选择电路、高阻抗缓冲放大器、线性化电路及输出电路四个主要部分。测量电路组成框图见图7.20。量程选择电路的主要作用是调整仪表输出信号的零点和量程。高阻抗缓冲放大器的作用是阻抗转换和信号放大。由于待测气体中氧含量和探头产生的电势E是对数关系，因此不便于仪表显示和自动调节。为了实现被测氧含量和仪表输出信号呈线性关系，仪表中采用了非线性补偿电路。输出电路的作用是实现隔离和转换，隔离是指电源隔离和输入/输出隔离；转换是指将输入的电压信号转换成电流信号(4~20mA)输出。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪(2)温度控制电路从测量原理可知：当氧化锆检测器工作温度恒定时，浓差电势与氧含量成单值函数关系。本仪表采用了温度控制电路，保证检测器电极部位的温度为700℃。温度控制电路由测温电路、偏差信号放大器，PI(比例积分)放大器、触发脉冲形成电路、可控硅控制电路等组成。温度控制电路原理方框图如图7.21所示。(3)稳压电源测量电路和温度控制电路所需电源是由三端稳压器(7815和7915)组成的直流稳压电源提供的15VDC电压。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪3.DH-6型氧化锆氧分析仪的调校仪器在使用过程中，应定期用标准气样对仪器进行调校。具体方法是将1%和8%的标准气体从校验气孔通入锆头，反复调节量程板上零位电位器W1和量程电位器W2，使二次仪表指在相应的位置。将锆头从烟道内取出再进行校验，这样更准确一些。氧化锆在使用一段时间以后，锆头往往会发生老化现象。反映锆头老化程度主要有两个指标：①本底电势，又称残余电势；②锆头内阻。检查本底电势时，在校验气口通入空气，理论上本底电势应为零，实际上不为零，要求本底电势小于5mV。上一页下一页返回7.3氧化锆气体分析仪随着使用时间的增长，锆头内阻也会相应增大，要求锆头内阻小于10k。测量锆头内阻时，在校验气口通入1%的标准气样，先测量锆头两端开路电势U1，然后在锆头两端并联100k电阻，再测量其电势U2，如图7.22所示，这样就可求得锆头内阻R。并联电阻亦可用电阻箱代替，改变电阻箱数值，使U2/U1=1/2，则电阻箱上的阻值即代表氧化锆锆头内阻R。如本底电势或锆头内阻不符合要求，说明氧化锆锆头已老化，应更换氧化锆锆头。上一页返回7.3氧化锆气体分析仪红外线气体分析仪是一种光学式分析仪器，应用光学方法制成的各种成分分析器是分析器中比较重要的一类。光学式分析仪器种类很多，如红外线分析仪、分光光度计、光电比色计、紫外线分析仪等，它们是基于光波在不同波长区域内辐射和吸收特性的不同原理而制成的。本节仅对红外线分析仪进行讨论。红外线分析仪是利用混合气体中某些气体有选择性地吸收红外辐射能这一特性来连续分析和测定被测气体中某一待测组分的百分含量的，如CO，CO2

，NH3

，CH4，NO2

，SO2

，C2H2等气体的百分含量。红外线分析仪的特点有：下一页返回7.4红外线气体分析仪(1)灵敏度高，分析上限可达100%浓度，下限可进行微量分析PP.m级(10-6g)，甚至可进行痕量分析，PP.m级(10-12g)。(2)精度高，精度可达2%，专用的可达1%。(3)有良好的选择性，只对待测气体组成浓度变化有反应，不管其他组分浓度如何变化，均不影响精度。(4)能连续自动测量。(5)操作简单，维护方便。因此，近些年来红外线分析仪得到了迅速的发展，广泛地应用于石油化工、热处理、冶金、环境保护，甚至医疗等各方面。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪7.4.1红外线的基本知识1.红外线及其特征红外线是一种电磁波，它的波长介于可见光和无线电波之间，红外线在可见光红光的外面而得名。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。红外线气体分析仪中主要是利用1~25um的一段光谱。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪由于各种物质的分子本身都固有一个特定的振动和转动频率，只有在红外光谱的频率与分子本身的特定频率一致时，这种分子才能吸收红外光谱辐射能。所以各种气体(液体也如此)并不是对红外光谱范围内所有波长的辐射能都具有吸收能力，而是有选择性的，即不同的分子混合物只能吸收某一波长范围或某几个波长范围的红外辐射能，这是利用红外线进行成分分析的基础之一。需要说明的是同一原子构成的多原子气体，如N2

，O2

，Cl2

，H2及各种惰性气体如He，Ne、Ar等，并不吸收1~25um的波长范围内的红外辐射能，所以红外线分析仪不能分析这类气体。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪工业红外线气体分析仪主要分析对象为CO，CO2

，CH4

，C2H4，NH3，C2H5OH，C2H4

，C3H6

，C2H6

，C3H8及水蒸气等。其中最常分析的一些气体如CO，CO2

，CH4

，C2H4等的红外吸收光谱如图7.23所示。图的横坐标为红外线波长，纵坐标为透过气体的红外线的百分率。由图可以看出，CO气体能吸收的红外线波长(又称特征吸收波长)为2.73um和4.65um，而且可以看出CO对波长为4.65um附近的红外线吸收能力强。即对4.65um的红外线具有最大的吸收能力。CO2对波长2.78um和4.26um红外线具有最大的吸收能力。CH4的特征吸收波长则为3.3um和7.65um。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪红外线的另一特点是它的热效应，即它对热能的辐射能力很强，一个炽热物体向外辐射能量，大部分是通过红外线辐射出来的。与此相对应，当红外线作用于物质时，红外线的辐射能被物质所吸收，并转换成其他形式的能量，气体在吸收红外线的辐射能后就使气体温度升高。利用这种转换关系，就可以确定物质吸收红外线辐射能的多少，从而可以确定物质的含量。这是红外线进行成分分析的基础之二。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪2.光的吸收定律红外线通过介质时被介质吸收的规律服从朗伯贝尔定律，其表达式为

(7-21)式中I0——红外线通过待测组分前的光强度；

I——红外线通过待测组分后的光强度；

K——待测组分的吸收系数；

C——待测组分的浓度；

L——红外线通过待测组分的长度。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪从式(7-21)可以看出，K对某种待测组分来说是一个确定的常数，而当红外线通过待测组分的长度以及通过待测组分前的光强Ia一定时，红外线被待测组分吸收以后透过的光强I仅是浓度C的单值函数，并且I随着待测组分浓度的增加而以指数规律下降，如图7.24所示。这种非线性关系对仪表的刻度会引起一定的误差。但从图中可以看出，当C很小时，I与C可以看成近似线性关系。从数学式上看，当KCL很小时，式(7-21)所表示的指数吸收规律可以用线性吸收规律来代替，即可用下式表示：

(7-22)上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪因此在一般的红外线气体分析仪中，为了保证仪表的读数与浓度之间呈线性关系，当被测气体一定时，K即固定，这时应保证C、L值比较小。所以当待测气体的浓度C较大时，就选用较短的分析管(即通入待测气体的测量气室)，使L值较小；当待测气体浓度较小时(如微量分析)，就选用较长的测量气室。综上所述，应用红外线分析气体浓度的依据是：某些气体对不同波长的红外线具有选择吸收的能力，其吸收的强度取决于待测气体的浓度。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪7.4.2红外线气体分析仪的结构形式及工作原理1.红外线气体分析仪类型红外线气体分析仪从物理特征出发，可分为分光(色散)型和非分光(非色散)型两类。分光型是根据待测组分的特征吸收光谱，采用一套分光系统，使通过介质层的红外线波长与待测组分的特征吸收光谱相吻合，从而测定待测组分的浓度，这类仪器多数用在实验室，如红外分光光度计。近年来随着科学技术的发展和生产的需要，特别是利用光栅和滤光片来代替棱镜分光系统已有显著成就的情况下，固定分光型的工业红外线气体分析仪已有生产。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪另一种非分光型红外线气体分析仪是将光源的连续光谱全部投射到待测样品上，而待测组分对于红外线有选择性吸收，即吸收其特征吸收光谱的红外线，工业流程上主要是应用这类仪器。下面介绍非分光型红外线气体分析仪。红外线气体分析仪按信号检测系统分为直读式和补偿式。补偿式红外线分析仪受外界干扰的影响不及直读式明显，但它采用了一系列机械装置使其结构较复杂，因而变差大，灵敏度低，尤其对于微量分析更是无能为力。而直读式红外线分析仪具有灵敏度高、响应速度快、结构简单并可对微量气体进行测量等优点，对于外界的干扰可采取一系列防止措施，使仪器的精度能满足工业生产的要求。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪因此我国目前生产的红外线气体分析仪均属于直读式。从结构上看，红外线气体分析仪还可分为正式和负式两种。若样品中待测组分的浓度越大，检测仪的输出信号也越大，就称为正式分析仪，反之称为负式分析仪。由于负式红外线分析仪灵敏度较低，因而近十几年来这种结构应用减少，目前我国不生产这种类型的仪表，生产的红外线气体分析仪都属于非分光型、直读式、正式这一类。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪2.直读式红外线气体分析仪直读式红外线气体分析仪的工作原理，可参照图7.25来说明。两个几何形状和物理参数都相同的灯丝1串联构成了红外线辐射光源，发射出具有一定波长范围的红外线，两部分红外辐射线分别由两个抛物体反射镜聚成两束平行光，并在同步电动机带动的切光片3的周期性切割作用下(即断续遮断光源)变成了两束脉冲式红外线，脉冲频率一般在3~25Hz/s。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪这两束红外线中的一束通过测量室4进入检测室6，另一束通过参比室5进入检测室6。参比室中密封的是不吸收红外线的气体，如N2，它的作用是保证两束红外线的光学长度相等，即几何长度加上通过的窗口数要相等。因此通过参比室的红外线，光强和波长范围基本上不变。而另一束红外线通过测量室时，因测量室中的待分析气体按照其特征吸收波长相应的红外线，其光强减弱，所以进入检测室两侧的光强是不同的。检测室中封入了待测组分气体，所以射入检测室的红外线就被选择性的吸收，待测组分气体吸收红外线能量后，气体分子的热运动加强，产生热膨胀形成压力的变化，由于进入检测室两侧红外线能量不同，两侧气室中的待测组分吸收红外线能量亦不同，因此左右两侧气室内气体的温度变化也不同。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪压力变化也就不同，必然是左侧小室内气体的压力大于右侧小室内气体的压力，此压力差推动薄膜7产生位移(图7.25中薄膜是鼓向右侧)，从而改变了薄膜7与另一定片8之间的距离。因薄膜与定片是组成一电容器，它们之间距离的变化，也就改变了电容器(红外线分析器中一般称为薄膜电容器)的电容量。因此电容的大小与样品中待测组分的含量有关。通过测量电容的变化，就可以间接地确定待测组分的浓度，并在指示记录仪10上把它显示出来。显然，待测组分含量愈大，到检测室的两束红外线的能量差值也愈大，因此薄膜电容器的电容量变化愈大，输出信号也愈大。这就是“正式”红外线气体分析器的基本原理。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪待分析气体是混合气体，除了待测组分之外，其余气体称为背景气体。如背景气体的特征吸收波段与待测组分的特征吸收波段互相重叠，会对测量带来影响。例如在合成氨生产中要测量CO的含量，混合气体中除了CO外还有N2，H2和CO2背景气体，而其中CO2与CO的特征吸收波长范围有重叠的部分。如图7.26所示，如CO特征吸收波长为a，b之间的红外线，而CO2的特征吸收波长为c，d之间的红外线，可见波长在a，d之间的红外线都能被CO及CO2所吸收。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪假如背景气体中无CO2存在，那么检测室吸收的能量应该是a，b，c，e，a所包括的范围。现在因背景气体中有CO2存在，波长a，d之间部分能量不仅被CO吸收，而且被CO2所吸收，这样作用于检测室的红外线能量比先前小了。再则，背景气体中CO2含量并不是恒定不变的，所以当CO2含量变化时，它在a，d之间波长范围内所吸收的红外线亦在变化，显然就产生测量误差。由上述可知，并非所有能吸收红外线的背景气体都是干扰气体(或称干扰组分)，只有其特征吸收波段与待测组分的特征吸收波段互相重叠的非待测组分才是干扰组分。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪图7.25结构的红外线气体分析仪，不能克服干扰组分对待测气体的影响，需要设置滤波气室，如图7.27所示。滤波气室充以一定浓度的干扰气体(如上例中的CO2，充以CO2+N2)，这样红外线通过滤波气室时干扰组分就把其特征吸收波段范围内的红外线全部吸收掉。同时在参比气室中也充以一定浓度的干扰组分(如CO2+N2)，称之为参比滤波气室。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪这样两束红外线分别通过滤波气室和参比滤波气室，把干扰组分能吸收的红外线全部吸收掉(如图7.26CO2所吸收的c，d波段的全部能量)。两束红外线进入检测室，检测室内的待测组分仅吸收了d，b波段的能量，左右两侧检测室所吸收的红外线能量的差值，只是由经过参比滤波气室没有被待测组分所吸收的d，b段红外线的全部能量，与经过测量气室被待测组分所吸收的d，h段的红外线能量之差值。此差值大小与待测组分含量成正比。至于射入检测室后的工作过程则同上面无干扰气体存在时的情况完全一样。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪7.4.3红外线气体分析仪的主要部件红外线气体分析仪从总的结构讲可分为两部分，光学系统和电气系统。光学系统部分主要由光源、气室、检测器等组成。1.红外辐射光源光源包括辐射源、反射镜及切光片三部分。为了使光源所辐射的强度恒定，保证仪表测量精度，对光源有以下几点要求：上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪①辐射的光波成分稳定。因为各种气体对红外线的吸收具有选择性，如果发射光谱成分不稳定，意味着待测组分吸收红外线特征波段的总能量有变化，对应于同一浓度的气体所吸收的能量就会不同，必将造成测量误差。为了满足这一要求，首先应选择合适的灯丝材料，一般以镍铬丝用得最广，因为它的热稳定性和抗氧化性能都比较强，同时也容易得到；其次灯丝电源应由稳压电源供给，因为电流改变，灯丝的温度相应地发生变化，将造成光谱成分和辐射能量的变化。国产仪表的灯丝电流，一般由晶体管直流稳压电源供电。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪②光源的辐射能量应大部分集中在待测组分特征吸收波段的范围内，这样可以增加待测组分吸收的能量，提高测量的灵敏度。选择适当的光源灯丝的材料工作温度可以满足这个要求。例如镍铬丝在730℃时，其辐射光谱的波长主要集中在3~10um范围内，能满足大部分气体分析的要求。由此可见，为了保证仪表测量精度，灯丝电流不能任意改变。③通过各气室的红外线要求严格地平行于气室的中心轴，否则射入气室后将发生多次折射，造成测量误差。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪(1)辐射源国产红外线气体分析仪都是由通电加热镍铬丝而得，温度可达700℃~900℃，发出的红外线辐射波长为3~10um。从仪表的光路结构看，有单光源和双光源之分。单光源是利用一个光源由两个反射面反射得到两束红外辐射线，其优点是可以避免两个光源变化不一致所引起的误差，而要做到两束光能量很接近，在安装调整上比较困难。双光源的特点正好与其相反，安装调整比较容易，通过对光路平衡的调整，可以大大减少两束光不一致造成的误差。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪(2)反射镜仪表要求反射镜光洁度高，表面不易氧化，反射效率高。一般用黄铜镀金，铜镀铬、铝合金抛光等办法制成。单光源都采用平面反射镜。双光源以抛物面反射镜最好，易得到平行光，但加工复杂。为加工方便起见，反射面常做成球形或圆柱形。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪(3)切光片使用电容微音器，按两束光进入检测气室的时间分为单通式和双通式两种。单通式配用的切光片是半圆形的，它使红外线轮流进入检测室。双通式配用的切光片是十字形的，它则使两路光同时进入检测室。切光片的形状见图7.28。因而切光片起着调制光束的作用，它由同步电动机带动旋转，切光片要求平直，一般由镀黑的铝合金制成。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪2.气室及滤波元件气室包括测量气室、参比气室和滤波气室，它们的构造基本相同，都是圆筒形，两端用晶片(或称窗口)密封，除了测量气室带有气体进出口以外，其他气室都是密封的。气室要求内壁光洁，不吸收红外线，不吸附气体，化学性能要相当稳定。因此，选用的材料一般为黄铜镀金、玻璃镀金或铝合金管，且内部表面要抛光。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪(1)测量气室长度的确定在确定测量气室长度时要全面考虑，既要保证线性刻度又要保证仪器有足够的灵敏度。当待测气体种类确定，测量上限较大时，要选较短的气室(L小)，以保证仪器线性刻度，而应用于微量分析时，适当选择长的气室(L大)，以保证仪器的灵敏度。从上面分析可知，当测量上限较大时，减小测量气室长度，虽然能改善线性，但减小到一定程度，加工就十分困难，并且不一定使线性情况满意。在这种情况下，也可采取另一种取得线性刻度的方法，即在仪表的放大器部分采用线性校正网络，使得输出与待测组分浓度间呈线性关系。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪(2)滤波元件滤波元件除了前面讲的滤波气室之外，还包括滤光片。滤光片是在镜片表面上，喷涂若干涂层，使它只能让待测组分所对应的特征吸收波段的红外线透过，且透过的是一个很窄的波段，而对其他波长的红外线都不让透过或者使之大大衰减。这样，就使得它能对各种干扰组分的吸收波段都有过滤作用。滤光片具有滤波效果好、工作可靠、结构简单等优点，是红外线滤波的新手段。但因滤光片制造工艺比较复杂，而滤波气室制造工艺简单，在只有一两种干扰组分时滤波效果好，因此滤波气室在国内外的红外线分析仪中仍普遍采用。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪(3)晶片(镜片)晶片装在气室两端，它既要保证气室的密封性能，又要有高的透光系数。此外，还要求能经受温度变化，防腐蚀，防潮湿，能长期保持表面光洁度，对接触的介质有化学稳定性等。常用的晶片材料有氟化钙、氟化铿、石英、蓝宝石等，国内的红外线分析仪采用氟化钙的最多，也有用蓝宝石的。上一页下一页返回7.4红外线气体分析仪3.检测器红外线气体分析仪中的检测器用来测定待测组分吸收红外线后所引起的能量的微弱变化量，并将此量转变为电信号，它是仪器的心脏部件。目前应用的有薄膜电容检测器和光电导检测器。薄膜电容检测器又称薄膜微音器或电容微音器，这种检测器内充有待测组分，它只吸收待测组分特征吸收波段的红外线，所以是一种选择性检测器。光电导检测器对某