检测与控制系统成分分析仪表PPT课件

1、成分分析仪，本章内容：第一节简介第二节热传导式气体分析器第三节氧化锆分析仪第四节红外摄谱仪第五节有害瓦斯气体警示器，10335353，103353052336014，第一节简介，成分分析仪根据混合物中某些成分与其他成分区别的物理、化学特性进行化学基分析。 成分分析方法和分类、成分分析方法定期采样，实验室测定的实验室分析方法之一是利用能够连续测定被测物质含量和性质的自动分析装置。 成分分析中使用的机器和仪表基于各种各样的测量原理，在进行分析测量时，需要根据被测量物质的物理或化学性质选择合适的手段和仪表。 成分分析方法及分类、成分分析仪根据测定原理分别进行分类：电化学式：酸计、络离子浓度计热学式：

2、热传导式、热谱式、热化学式磁学式：磁氧分析器、核磁共振分析器放射性射线式： x射线分析器、放射性射线分析器、同位素分析器、成分分析方法及分类， 成分分析仪按测定原理分类分类：光学式：吸收式光学分析器光散射、光干扰作用式光学分析仪电子光学式和络离子光学式：电子探针、离子探针、质谱计吉卜赛人色谱法、液相色谱法物性测定器：水分计、粘度计、密度计、湿度计、尘量计其他：水晶振动式分析仪、半导体气体传感器等。 第二节热传导式气体分析器，一、基本知识在热传导过程中，不同物体的热传导率不同。 对于没有相互作用的多成分混合瓦斯气体，其热传导率可以与各成分的热传导率的算术平均数值近似考虑，即，设定测定的成分，式中

3、的混合瓦斯气体的热传导率混合瓦斯气体中的第2成分的热传导率混合瓦斯气体中的第2成分的体积分数。 测定混合瓦斯气体的总导热系数，可以得到测定成分的含量，达到测定的目的。 由于瓦斯气体的热传导率与温度有关，在工序上用下式表示，所以在利用热传导率根据被测定成分的含量而变化的特性，对该成分的含量进行分析的情况下，被测定成分的热传导率与其他成分的热传导率相比存在显着的差异，差异越大， 必须满足测量变得敏感这三个条件的非测量成分的热传导率尽可能相同或非常接近，测量时，温度在一定或一定的允许范围内。10:52:14，二、热传导式气体分析器的测量原理，左图表示热传导式气体分析器发送器的气室，它是热传导分析器的

4、主要零配件，使电流流过热传导室的电阻丝进行加热，产生的热量通过被测量瓦斯气体的热传导散热、瓦斯气体的对流散热， 通过电阻丝辐射散热及其轴向传导散热四条途径散热，合理设计导热室结构，合理选择电阻和电流数值，保证散热主要通过瓦斯气体的导热进行。 在加热电流一定的情况下，电阻丝的温度的高低取决于热传导能力的强弱，即热传导率的大小。 由于温度不同，电阻值也不同，所以热传导率的测定可以用发送器测定电阻值，电阻值可以用电桥测定。 在热传导式气体分析仪中，通常通过4个热传导室的桥接器进行测量，如图左图所示，该桥接器为RD型分析仪。 QRD型分析器采用双桥测量系统，由于两个桥的电压和温度条件相同，因此电源电压

5、的变动和环境温度变化的影响没有多大关系如右图所示。 导热式气体分析器常用于分析混合瓦斯气体中H2、CO2、NH3、SO2等成分的含有率。 此类仪表具有结构简单、工作稳定、体积小等优点，是生产过程中常用的仪表之一。 导热式分析仪最常用于锅炉烟气分析和氢纯度分析。、成分分析仪例如：分析烟道气中的CO2含量，烟道气的成分已知有CO2、NH3、CO、SO2、H2、O2及水蒸气等。 其中SO2、H2的热传导率过大，需要在预处理时去除。 其馀背景瓦斯气体的热传导率接近，有被测量瓦斯气体CO2的热传导率和显著性差异，因此采用热传导法进行测量。 第三节氧化锆分析仪、氧化锆分析仪由检测部(氧化锆探针)和显示器两

6、部分构成。 其作用是，首先用氧化锆探针将被测定介质中的氧含量转换为电信号，用显示器部分处理测定的电信号进行显示。 氧化锆分析仪具有结构简单、稳定性高、灵敏度高、响应快、价格便宜、测量范围大、安装维修方便等优点。 因此，它是从六零年代开始使用，到目前为止还很常用的上线了氧量分析装置。 一、构成氧化锆探针、氧化锆探针的主要零配件是氧化锆管，另外还有加热器、测温元件、温度控制装置等附加部分。 氧化锆探针是氧化锆分析器的检测部分，是分析器的核心，也被称为检测器和传感器。 其作用是过滤被检样品瓦斯气体，向外部输出与被检氧含量对应的电信号。 二、各部分的作用和工作原理如下：被测定介质(排烟)通过陶瓷隔离器

7、7进入探针后，由氧化锆管1和内外的铂电极2构成的氧浓度差电池将被测定氧含量转换为对应关系的电信号，通过铂电极引线3向外部输出。 安装在陶瓷滤波器和锆石管之间的热电偶，检测锆石管的动作温度，并发送到外部恒温控制支重轮，恒温控制支重轮利用加热炉合十礼6控制炉温，保证探头在所设定的恒温范围内动作。 陶瓷隔离器7有两个作用。 一是去除瓦斯气体状的垃圾等杂质，防止电极被污染，二是发挥缓冲作用，降低气流冲击引起的噪音。 二氧化锆管是以固体二氧化锆材料为管状而得名的。 在氧化锆管的内外两侧分别安装多孔质铂电极2，可如图6.3所示形成电解质较浓的电池。 图为6.3氧化锆浓度差电池的原理图，氧化锆管是在氧化锆材

8、料中配合一定量的氧化二金属钍和氧化钙元素，在高温下烧结而成的稳定的氧化锆陶瓷烧结体。 因为其立方晶格中含有氧络离子孔，所以在高温下是良好的氧离子导体。 由于这一特性，在一定的高温下，如果锆管两侧的氧含量不同，那就是典型的氧浓度差电池，这个电池中空气是参比瓦斯气体，烟分别在内外的电极上。 在实际的氧探针中，空气流过内部电极，烟流过外部电极，当烟的氧含量c小于空气的氧含量C0(20.6%O2 )时，空气中的氧分子从内部电极夺取4个电子，形成2个氧络离子，形成O(C0 ) 4e-2O-2氧络离子在氧化锆管中迅速向烟侧移动，在外部电极发生相反的电极反应： 2O-2 O(C0) 4e-，由于氧浓度差，氧

9、络离子从空气向烟侧移动，因此产生的电位从烟侧向空气侧反向移动，这两种移动达到平衡时， 在两电极间产生与氧浓度差相关的电位信号e，该电位信号符合能量星空卫视方程式： E=(RT/4F)ln(C0 /C )式中的r、f分别为瓦斯气体常数和法拉第常数，t为锆石管绝对温度(k )，C0为空气氧含量(20.6%O2 )，c为烟中氧含量. 由(1)式可知，在一定的高温条件下(一般)，一定的排烟氧含量具有相应的电位输出，在理想状态下，其电位值在高温区域对应于氧含量。 在理想状态下，当被检烟与参照瓦斯气体浓度相同时，其输出电位e值为0 mV，但在实际应用中，锆石管的实际条件和现场状况并不理想. 叙述方法的锆管

10、偏离了这个值。 第四节红外线气体分析仪、第一、基本知识红外线为隐形光，为电磁波，波长范围为0.7610000。 红外线通常分为三个区域。波长0.82.5为近红外区，波长2.525为中红外区，波长2510000为远红外区。 当样品使用连续波长的红外辐射作为光源时，所测量的吸收谱简称为红外光谱。 通常，红外光谱是指中红外区域。10:52:14、二、红外线气体分析仪红外线气体分析仪是光学分析仪表之一。 利用不同瓦斯气体选择性吸收不同波长红外线的特性进行分析。 这种仪器的特点是测量范围宽、灵敏度高、可分析的瓦斯气体体积分数达到10-6(ppm级-百万分率)，反应速度快、选择性好。 红外线气体分析仪通常

11、用于连续地分析混合瓦斯气体中的瓦斯气体，例如CO、CO2、CH4和NH3。 红外线气体分析仪一般由红外线辐射源、测定瓦斯气体试样室、红外线检测装置等构成。 从红外线光源发出强度为I0的平行红外线，被测成分选择吸收其特征波长的放射能，红外线强度减弱为I，红外线通过吸收物质前后的强度变化与被测成分浓度的关系遵循伦贝尔法则：式中，k是被测成分的吸声系数，c是被测成分的浓度，l是光是被测成分根据上式，在I0、k、l一定的情况下，表示I是浓度c的函数，因此通过测定所测定的瓦斯气体吸收的能量，能够确定瓦斯气体浓度。第五节有害瓦斯气体警示器、第一、有害瓦斯气体警示器结构有害瓦斯气体警示器主要由进样器、检测元

12、件、放大电路、报警系统、显示器和电源等部分组成，并构成框图。 检测器也称为传感器，是警示器最重要的零配件，由传感器和测量电路组成。 传感器元件多为电阻式，将被测定成分的含量变化转换为电阻的电阻值变化。 测量电路通常是桥，将传感器的电阻值转换为不平衡电压输出到外部，输出的不平衡电压与被测量瓦斯气体的含量有对应关系。 本次任务重点介绍常见应用的广泛检测器。 二、常用检测器、1、气敏传感器是将瓦斯气体中特定成分的含量转化为电信号的装置。 根据电信号的强弱，可以得到测量的瓦斯气体存在于环境中的状况的相关信息，从而可以进行检测、监视、警报，还可以通过接口电路与电子计算机和微处理器构成自动检测、控制、报警

13、系统。 常见的气敏传感器多为半导体式，其结构原理图如图1 (a )、(b )所示。 由塑料底座、电极导线、瓦斯气体感应元件(烧结体)、双重不锈钢网(防爆用)和被烧结体包围的两组白金线构成。 其中，一组白金丝作为工作电极，另一组兼作加热电极和工作电极。 (a )瓦斯气体感应烧结体(b )瓦斯气体感应传感器外形图1的瓦斯气体感应传感器结构和测量电路1的一端子2塑料基底3一烧结体4不锈钢网5一加热电极6一作用电极、瓦斯气体感应元件的工作原理非常复杂，涉及材料的结构、化学吸附和化学反应，以及面传导度的变化和体传导度的变化等不同的解释模型在高温下，当还原性瓦斯气体(氢、一氧化碳、碳氢化合物、酒精等)吸附

14、在n型半导体瓦斯气体感应元件上时，瓦斯气体感应元件的电阻值减少.当吸附氧和NO等氧化性瓦斯气体时，瓦斯气体感应元件的电阻值增加. 在p型半导体瓦斯气体感应元件的情况下，氧化性瓦斯气体使电阻值减少，还原性瓦斯气体使电阻值增加。 瓦斯气体感应元件工作时要加热，加速被测瓦斯气体的吸附和脱离，烧毁瓦斯气体感应元件表面的油污和污垢，必须发挥清洗作用。 加热温度与元件的输出灵敏度有关，一般为200400。 当瓦斯气体感应元件被加热到稳定的状态时，被测量瓦斯气体与元件表面接触并吸附，元件电阻值发生较大变化。 半导体气敏传感器基于被测量瓦斯气体与半导体表面或瓦斯气体的可逆反应，因此能够反复使用。半导体式气敏传

15、感器品种很多，其中金属氧化物半导体材料的制造数量最多，特性和用途也不同。 金属氧化物半导体材料主要有SnO2系列、ZnO系列和Fe2O3系列，由于这些个的添加物质不同，可检测出不同成分的瓦斯气体，主要检测出低浓度的易燃气体和毒性气体，如CO、H2S和乙醇、甲烷、专业摇镜头、丁烷等烃类瓦斯气体，其测定范围为10311 2、接触燃烧瓦斯气体感知传感器，接触燃烧瓦斯气体感知传感器的构造如图1所示。 在白金丝线圈上用氧化铝和胶粘剂形成球状，进行烧结，其外表面被铂、残奥等稀有金属催化剂层复盖。 在白金丝线圈中流过电流保持高温(300400 )，这时如果与易燃气体接触，因为易燃气体在催化剂层中燃烧发热，白

16、金丝线圈的温度上升，电阻值上升。 测量电阻的变化可以知道易燃气体的浓度。 图2示出了接触燃烧气敏传感器的测量桥。 桥接补偿器以实现平衡(补偿器与传感器结构相同，只有没有催化剂层)。 空气中有一定浓度的易燃气体，气敏传感器会因燃烧而电阻值上升，电桥失去平衡，输出不平衡电压，实现检测作用。3、温度差火灾警报传感器、温度差火灾警报传感器的结构原理图，如右图所示，由两个温度传感器构成，一个温度传感器安装到金属板，另一个温度传感器安装到塑料盒，用于检测正常室温。 没有火灾时，两温度传感器的温度相同，输出的电压大致相等，没有警报信号输出。 发生火灾时，金属板上安装的温度传感器受热而温度上升，与此相对，塑料

17、盒上安装的温度传感器在温度上升较慢时，输出温度差的电压信号。 在温度差电压达到一定值时，发出警报信号，4、烟雾传感器、烟雾传感器烟是根据有无烟雾而输出信号的二进制位传感器，通常有两种类型。 散射式是在发光管和受光元件之间设置遮光屏，没有烟就不能接收光信号，有烟就用微粒子的散射光向受光元件发出电信号。 这个传感器的灵敏度和烟的种类没有关系。 其原理示意性地如图5(a )所示。 图5烟传感器、络离子式放射性同位素元素体室241Am辐射微量的放射性射线，电离附近的空气，平行平板电极间有直流电压时产生络离子电流。 有烟的话微粒子会吸附络离子，粒子本身也会吸收放射性射线，结果络离子电流减少。 再设置一个封入了清洁空气的络离子室，比较两者的络离子电流，可以去除