成分分析仪表Composition analysis

1、2020/7/11,1,9 成分分析仪表Composition analysis meter,成分分析方法及分析系统的构成 几种工业用成分分析仪表热导式气体分析仪、红外线气体分析器、氧化锆氧分析器、气相色谱仪、半导体气敏传感器、工业酸度计 湿度的检测湿度的表示方法及湿度检测的特点、干湿球湿度计、电解质系湿敏传感器、陶瓷湿敏传感器、高分子聚合物湿敏传感器,成分分析仪表是对物质的成分及性质进行分析和测量的仪表。,主要内容,2020/7/11,2,9.1 成分分析方法及分析系统的组成,一、成分分析方法及分类 方法： 定期取样，通过实验室测定的实验室分析方法。 利用自动分析仪表连续测定被测物质的含量或

2、性质。 仪表的选择：仪器和仪表是基于多种测量原理，因此，在进行分析和测量时需根据被测物质的物理和化学性质，来选择适当的手段和仪表。,2020/7/11,3,按测量原理分类： 电化学式（电导式、电位式、酸度计、离子浓度计） 热学式（热导式、热谱式、热化学式） 磁学式（核磁共振分析仪） 射线式（X射线分析仪、微波分析仪） 光学式（红外、紫外等吸收式光学分析仪、光散射、干涉式光学分析仪） 电子光学式和离子光学式（电子探针、离子探针） 色谱式（气相和液相色谱仪） 物性测量仪表（水分计、粘度、密度、湿度计） 其他（晶体振荡式分析仪、半导体气敏传感器） 其中只有部分类型可以实现自动分析功能。,2020/7

3、/11,4,二、自动分析系统的构成,通常自动分析仪表（也称过程分析仪表或在线分析仪表）是与试样预处理系统组成一个分析测量系统，以保证良好的环境适应性和高的可靠性，以使分析仪表的示值能代表被检测的成分。,从生产设备中自动快速地提取待分析样品,采用冷却、加热、气化、减压、过滤等方式对采集的分析样品进行适当的处理，为分析仪器提供符合技术要求的试样,分析仪表的核心，不同原理的检测器可以把被测组分的信息转换成电信号输出,用于微弱信号的方法、转换、运算、补偿等处理,可以用模拟、数字或屏幕图文等方式显示结果,用于控制各个部分的协调工作，使取样、处理和分析的全过程可以自动连续地进行,2020/7/11,5,一

4、、热导式气体分析仪(thermal conductance) 原理：不同气体导热特性(导热系数)不同而进行分析。 用途：分析混合气体中H2、CO2、NH3、SO2等组分的百分含量。 特点：使用最早的物理式气体分析器；结构简单、工作稳定、体积小，生产中使用较多。 导热率的特点：气体的导热率不同氢和氦最强， CO2和SO2较弱；还与气体的温度有关；混合气体的导热率可以近似认为是各组分导热率的算术平均值，即：,9.2 几种工业用成分分析仪表,2020/7/11,6,如分析烟道中的CO2含量，已知其中的组分有CO2 、 N2 、 CO 、 SO2 、H2 、 O2 及水蒸气等， SO2和H2的热导率相

5、差太大，应在预处理时除去。剩下的背景气体热导率相近，并与被测气体CO2的热导率有显著差别，所以可以用热导法进行测量。,注意：应用这个公式须满足两个条件： 混合气体中除了待测组分外，其余各组分的导热系数应相同或十分接近； 待测组分的导热系数与其余组分的导热系数要有显著的差别，差别越大，灵敏度越高，即由于待测组分浓度变化引起的混合气体的的变化越大。 若不满足这个条件可进行预处理。,如果被测组分的热导率为1体积百分含量为c1，其余组分为背景组分，热导率近似为2，则有:,2020/7/11,7,气体出口,由于气体的导热系数都比较小，一般不能直接测量。热导式气体分析器的核心是测量室，称为热导池。热导池的

6、作用是将气体的导热系数的大小及其变化转化成热导池中热电丝的电阻值的变化，以便测量。热导池室用导热良好的金属制成的长圆柱形小室，室内装有一根细的铂或钨电阻丝。热丝的热平衡温度将随着被测气体的热导率变化而改变。热丝温度的变化使其电阻值发生变化，通过电阻的变化可得知气体组成成分的变化。,最常用于锅炉烟气分析和氢纯度分析。,热导式气体分析仪由发送器、电源控制器和温度控制器等部分组成，发送器包括热导池和相应的测量电路。电源控制器包括为电桥提供的直流稳压电源，为发送器温度控制系统提供的加热电源等。温度控制器主要由加热线圈和带电接点的水银温度计组成，通过水银温度计上的电接点控制加热线圈的电源的通或断，使发送

7、器保持恒定的温度。,通常采用桥式测量电路，如图94所示。桥路四臂接入四个气室的热丝电阻，测量室桥臂为Rm，参比室桥臂为Ra。四个气室的结构参数相同，并安装在同一块金属体上，以保证各气室的壁温一致，参比室封有被测气体下限浓度的气样。当从测量室通过的被测气体组分百分含量与参比室中的气样浓度相等时，电桥处于平衡状态。当被测组分发生变化时，Rm将发生变化，使电桥失去平衡，其输出信号的变化值就代表了被测组分含量的变化。,2020/7/11,8,基本原理：利用不同气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性来进行分析的。 特点：测量范围宽；灵敏度高，精度高；反应速度快、选择性好，通用性好。 用途：连续分析混

8、合气体中CO2、NH3、 CO 、 CH4 等气体的浓度。,二、红外线(infrared)气体分析仪光学分析仪表,气体在红外波段内有其特征的吸收峰,如图95所示。主要是利用225m之间的一段红外光谱。,2020/7/11,9,红外线通过吸收物质前后强度的变化与被测组分浓度的关系服从朗伯-贝尔定律：,式中K为被测组分吸收系数；C为被测组分浓度；L为光线通过被测组分的吸收层厚度。,测量原理：红外光源发出的平行红外线，被测组分选择性的吸收其特征波长的辐射能，红外线强度将减弱，当入射红外线强度和气室结构等参数确定后，测量红外线的透过强度，就可以确定被测组分浓度的大小。,当入射红外线强度和气室结构等参数

9、确定后，测量红外线的透过强度就可以确定被测组分浓度的大小。,2020/7/11,10,分类： 非色散（非分光）型由红外辐射发出连续的红外光谱，包括被测气体特征吸收峰波长的红外线在内。被分析气体连续通过测量气样室，被测组分将选择性的吸收其特征波长红外线的辐射能，使从气样室透过的红外线的强度减弱。 色散（分光）型单色光测量方式，利用两个固定波长的红外线通过气样室，被测组分选择性的吸收一个波长的辐射能而不吸收另一个，测量两个波长辐射能的透过比，可知被测组分浓度。,组成：红外辐射源、测量气样室、红外探测装置 图96为一具体的红外线气体分析器。,2020/7/11,11,分析器组成有预处理器、分析箱和电

10、器箱三个部分。分析箱内有光源、切光盘、气室、光检测器以及前置放大电路等。,在切光盘上装有四组干涉虑光片，两组为测量滤光片，其透射波长与被分析气体的特征吸收峰波长相同；交叉安装的另两组为参比滤光片，其透射波长则是不被任何被分析气体吸收的波长。切光盘上还有与参比滤光片位置相对应的同步窗口，同步灯通过同步窗口使光敏管接收信号，以区别是哪一个窗口对准气室。气室有两个，红外光先射人一个参比气室，它是作为滤波气室，室内密封着与被测气体有重叠吸收峰的干扰成分；工作气室即测量气室则有被测气体连续地流过。由光源发出的红外辐射光在切光盘转动时被调制，形成了交替变化的双光路，使两种波长的红外光线轮流地通过参比气室和

11、测量气室，半导体锑化铟光检测器接收红外辐射并转换出与两种红外光强度相对应的参比信号与测量信号。当测量气室中不存在被测组分时，光检测器接收到的是未被吸收的红外光，测量信号与参比信号相等，二者之差为零。当测量气室中存在被测组分时，测量光束的能量被吸收，光检测器接收到的测量信号将小于参比信号，二者的差值与被测组分的浓度成正比。,2020/7/11,12,三、氧化锆(zirconia)氧分析器*电化学分析方法,氧化锆（ZrO2）是一种陶瓷固体电解质，高温下具有良好的离子导电特性。 基本工作原理：基于氧浓差电池。在纯氧化锆中掺入低价氧化物如氧化钙等，在高温培烧后形成稳定的固熔体，作氧浓差电池的两个电极，

12、两侧气体含氧量不同时，在电极间将产生电势，此电势与两测气体中的氧浓度有关，称为浓差电势。 特点：适用于高温环境下的氧含量测量，灵敏度高、稳定性好、响应快，测量范围宽，不需要复杂的采样和预处理系统，它的探头可以直接插入烟道中连续地分析烟气中的氧含量。 氧化锆分析器正常工作的必要条件：P123 安装方式：直插式和抽吸式两种。,2020/7/11,13,四、气相色谱仪(gas chromatography) 物理式分析仪表,基本工作原理：根据不同物质在固定相和流动相所构成的体系，即色谱柱中具有不同的分配系数而进行分离。被分析的试样由载气带入色谱柱，色谱柱内有固体吸附剂或固定液，对不同的气体有不同的吸

13、附能力或溶解能力，但对载气的吸附能力要比样品组分弱得多。由于样品各组分在固定相上吸附或溶解能力的不同，被载气带出的先后次序也就不同，从而实现了各组分的分离。先后流出的不同组分经检测器检测和相关信号处理后得到结果。色谱分析仪器包括分离和分析两个技术环节。 一种物理式分析仪表，可以一次完成对混合试样中几十种组分的定性或定量分析。 优点：高效、快速、灵敏。可以一次完成对混合试样中几十种组分的定性或定量分析。,2020/7/11,14,色谱分析的基本原理是根据不同物质在固定相和流动相所构成的体系即色谱柱中具有不同的分配系数而进行分离。色谱柱有两大类，一类是填充色谱柱，是将固体吸附剂或带有固定液的固体柱

14、体，装在有玻璃管或金属管内构成；另一类是空心色谱柱或空心毛细管色谱柱，都是将固体液附着在管壁上形成。,在测试时，使被分析的试样通过色谱柱，由色谱柱将混合试样中的各个组分分离，再由检测器对分离后的各组分进行检测，以确定各组分的成分和含量。这种仪表可以一次完成对混合试样中几十种组分的定性或定量的分析，在工业流程中使用的一般多为气相色谱仪。分离过程如图910所示。,各组分及其浓度随时间变化的曲线称为色谱流出曲线。在保持色谱柱固定相成分及色谱柱长度、温度、载气流速等条件不变情况下，对各组分流出时间标定后，可以根据色谱峰出现的不同时间进行定性分析，色谱峰的高度或面积可以代表相应组分在样品中的含量，用已知

15、浓度试样进行标定后可以作定量分析。,2020/7/11,15,色谱仪的基本流程如图911所示，样气和载气分别经过预处理系统进人取样装置，再流人色谱柱，分离后的组分经检测器检测，相关信号经处理后输出。,2020/7/11,16,常用的检测器有热导式检测器、氢燃电离检测器。 热导式检测器：属于浓度型检测器，其响应值正比与组分浓度。 氢燃电离检测器：基于物质的电离特性，只能检测有机碳氢化合物等在火焰中课分离的组分，属于质量型检测器，其响应值正比于单位时间内进入检测器的组分的质量。,2020/7/11,17,分析器部分由取样阀、色谱柱、检测器、加热器和温度控制器等组成，均装在隔爆、通风充气型的箱体中。

16、程序控制器部分的作用是控制分析器部件的自动进样、流路切换、组分识别等时序动作；接收从分析器来的各组分色谱信号加以处理，并输出标准信号；通过记录仪或打印机给出色谱图及有关数据。控制器和二次仪表采用密封防尘型嵌装式结构。,2020/7/11,18,五、半导体气敏传感器* 敏感材料：半导体材料 特点：难以消除其他共存气体的影响，线性范围窄，只用于定性及半定量的检测。灵敏度高、成本低、测量简单，仍应用最普遍、最有使用价值。 分类： 按照半导体的物性变化特点，分为： 电阻型：利用气敏元件在接触被测气体后电阻值的变化来检测气体的成分或浓度。 非电阻型：根据气敏元件对气体的吸附和反应，使其某些相关特性发生变

17、化，对气体进行直接或间接的检测。 按照半导体与气体的相互作用是在其表面或内部，可分为表面控制型和体控制型。,2020/7/11,19,1.电阻型半导体气敏传感器 原理：气体在半导体表面的氧化或还原反应引起半导体载流子数量的增加或减少，从而使敏感元件电阻值发生相应的变化。 气体的分类：氧化型气体（如O2等具有负离子吸附倾向）和还原型气体（如H2、CO、碳氢化合物和醇类等具有正离子吸附倾向），当还原型气体吸附到N型半导体（氧化锡、氧化锌、氧化钛等），氧化型气体吸附到P型半导体（氧化钼、氧化铬等）时载流子增多，敏感元件电阻值将减小。,2020/7/11,20,2.非电阻型半导体气敏传感器 利用MOS

18、二极管的电容-电压特性变化和MOS场效应管的阈值电压的变化等性质制成。这类器件的特性尚不够稳定，目前只能用作气体泄漏的检测。,2020/7/11,21,工业酸度计属于电化学分析方法，用来在线测量溶液的酸碱度，广泛应用于石化、轻纺、食品、制药工业以及水产养殖、水质监测等方面。 溶液的酸碱度的表示方法：用氢离子的浓度的大小表示，用PH值来表示：,六、工业酸度计（acidity meter）,PH值的检测：采用电位测量法。 电位测量法：根据电化学原理，任何一种金属插入导电溶液中，在金属与溶液之间将产生电极电位，其与金属和溶液的性质及溶液的浓度、温度有关。,2020/7/11,22,PH测量电池：,结

19、构：由参比电极和测量电极及被测溶液共同组成。参比电极的电位是一个固定值。测量电极的电极电位则随溶液氢离子浓度而变化，电池的电动势为参比电极与测量电极之间的电极电位的差值，其大小代表氢离子浓度。,电池的电势E与被测溶液的PH值之间的关系：,2020/7/11,23,电极的结构： 参比电极：一般为两种：甘汞电极或银-氯化银电极。 甘汞电极：E0=+0.2458V 银-氯化银电极: E0=+0.197V 测量电极：玻璃电极。 测量原理：PH值测量中，以玻璃电极作为测量电极，以甘汞电极作为参比电极的测量系统应用较多。总电势E：,2020/7/11,24,参比电极一般为甘汞电极或银-氯化银电极，测量电极

20、中用的最广的是玻璃电极。此类测量电池的输出电势在温度恒定时与PH值（110范围内）成线性关系（图9-23），曲线的斜率随温度的升高而增大（图9-24），但在不同的温度下的特性曲线会相交于一点等电位点。 直接电位法也可用于其他离子浓度的测量。,2020/7/11,25,湿度表示空气（或气体）中水汽含量的物理量。水汽含量越高，气体越潮湿，湿度越大。,9.3 湿度的检测 Humidity detecting,主要内容 湿度的表示方法及湿度检测的特点 干湿球湿度计 电解质系湿敏传感器 陶瓷湿敏传感器 高分子聚合物湿敏传感器,2020/7/11,26,一、湿度的表示方法及湿度检测的特点,1.湿度的表示方

21、法 绝对湿度：指单位体积湿气中所含的水汽质量数，单位为g/m3。 相对湿度：单位体积湿气中所含的水汽质量与在相同条件下与饱和水汽质量之比，用百分数表示。相对湿度还可以用湿气体中水汽分压与同温度下饱和水汽压之比来表示。 露点（或露点温度）：在一定的压力下气体中水汽达到饱和结露时的温度。与空气中的饱和水汽质量有固定关系，所以亦可以用露点温度来表示绝对湿度。,2020/7/11,27,2.湿度检测的特点 方法：传统方法是露点法、毛发膨胀法和干湿球温度测量法。 工业过程的监测和控制对湿敏传感器有一定的要求：工作可靠，使用寿命长，响应速度快，受温度影响小，不受尘埃、油污附着的影响。 湿敏传感器新技术：可

22、以利用潮解性盐类、高分子材料、多孔陶瓷等材料的吸湿特性而制成。,2020/7/11,28,用途：测量空气的相对湿度。 组成：由两只温度计组成， 干球温度计：用来直接测量空气的温度。 湿球温度计：在感温部位包有被水浸湿的棉纱吸水套，并经常保持湿润。 工作原理：当棉套上的水分蒸发时，会吸收湿球温度计感温部分的热量使湿球温度计的温度下降。水分的蒸发速度与空气的湿度有关，相对湿度越高，蒸发越慢。在一定的环境温度下，干球温度计和湿球温度计之间的温度差与空气的湿度有关。当空气为静止的或具有一定流速时，这种关系是单值的。,二、干湿球湿度计（psychrometer）,2020/7/11,29,测得干球温度t

23、d和湿球温度tw后，就可以计算出相对湿度。 一般情况下空气中的水蒸气不饱和，所以twtd。,空气中水蒸气的分压为：,相对湿度为：,2020/7/11,30,干球和湿球的温度可用铂电阻、热敏电阻或半导体温度传感器测量。把与温度相对应的饱和水气压力值制表存储于仪表的内存中，根据测得的干球和湿球的温度就可求得相对湿度值，绝对湿度值也可计算求得。仪表可以显示被测气体的温度、相对湿度和绝对湿度。,2020/7/11,31,原理：氯化锂湿敏元件吸潮后电阻值变小，在干燥环境又会脱潮而电阻增大，通过测定电阻值，即可知相对湿度。,感湿特性曲线存在非线性和死区。,三、电解质系湿敏传感器,湿敏元件的特点：测湿范围宽

24、；可用于高温测量；能用电加热反复清洗，除去吸附在陶瓷上的油污、灰尘或其他污染物，以保持测量精度；响应速度快；长期稳定性好。,2020/7/11,32,原理：利用陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿，使电极间的电阻值随相对湿度变化。 类型：烧结型、膜式及MOS型。,四、陶瓷湿敏传感器,2020/7/11,33,五、高分子聚合物湿敏传感器,原理：高分子聚合物能随所在环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子，使其介电常数随水分子的增多而很大的提高，用这种材料制成电容式湿敏传感器，测定电容值的变化，即可知环境的相对湿度。 结构：如图,特点：响应快；特性较稳定；但使用环境温度不能高于80,2020/7/11,34,作业： P133：9-2、3、5、7、8,2020/7/11,35,2020/7/11,36,ZO-801氧化锆氧分折仪,氧化锆氧分析仪是近几十年发展起来的新型测氧仪器，因其具有结构简单、维护方便、反应速度快、测量范围广等特点，而广泛应用于电力、冶金、供暖、建材、电子等部门，分析各种工业锅炉及窑炉中烟气的氧含量。 ZO-801氧化锆氧分折仪由转换器和检测器组成，检测器采用直插式探