过程检测技术及仪表第2章第六节成分

第六节过程成分检测概述目的是分析各种气体混合物中各组分的含量或其中某一组分的含量气体成分的检测特点：和温度、压力不一样，一般有一个取样系统，取出被测样品，由过滤器，分离，冷却器和抽吸设备等组成成分分析仪表的组成框图采样装置预处理系统成分分析仪表的组成框图采样系统传感器信号放大和处理单元显示单元控制单元过程成分检测过程成分检测按测量原理分类主要有电化学式:工业酸度计、工业电导率热学式：热导式气体分析仪磁学式：磁性氧分析仪光学式：吸收式光学分析仪、发射式光学分析仪射线式：x射线分析仪、γ射线分析仪检测原理基于待测组分的导热系数与被测气体中其它组分有明显的差异。导热系数λ是表征物质导热能力大小的物理参数，λ越大，说明该物质容易导热，反之不易导热。热导式气体分析仪实验证明，对于混合物，其导热系数λ可用下式计算其中λi—第i组分的导热系数Ci—第i组分所占的百分含量由于氢气的导热系数是其他气体的许多倍的缘故，所以这方法最适合用于氢气含量的检测iiC热导式气体分析仪热导式气体分析仪由传感器（常称为热导检测器或热导池）、测量电路、显示单元、电源和温度控制器等组成。热导池是将混合气体的导热系数的变化转换为电阻值变化的关键部件热导池结构热导式气体分析仪0℃时的电阻值为R0，通过电流I后，电阻丝产生热量并向四周散射，由于气体流量很小，气体带走的热量可忽略。热量主要是通过气体传向气室壁。设气室壁温度tc恒定（一般都设置有恒温装置），电阻丝达到热平衡时的温度为tn，电阻丝通以恒定电流I0，则电阻丝的散热为而电阻丝产生的热量为nccnrrttlQln2nRIQ20nntRR210热导式气体分析仪热平衡时，电流I0通过电阻丝所产生的热量和电阻丝通过气体传导散失的热量相等，即Q＝Q′。如果混合气体的导热系数λ愈大，其散热条件愈好，热平衡时的温度tn也愈小，反之，λ愈小，tn愈高，Rn愈大，从而通过电阻的变化测量导热系数电阻Rn的测量可通过电桥实现热导式气体分析仪热磁检测技术1.检测原理–利用被测气体混合物中待测组分比其他气体有高得多的磁化率以及磁化率随温度升高而降低等热磁效应检测气体组分的含量。–任何介质处于外磁场中要受到力或力矩的作用而显示出磁性。–气体磁化率随温度变化HJJ:磁化强度矢量χ介质磁化率H外磁场强度2RTCMpR:气体常数C：居里常数M：气体分子量p：气体压力T：气体的温度已知互不发生化学反应的多组分混合气体的磁化率等于各气体磁化率与浓度乘积之和，氧气的磁化率远大于其它气体，所以混合气体的磁化率可近似为11cχ1氧气磁化率c1氧气浓度热磁式气体分析仪的工作原理–待测组分（氧气）较混合气体中其它组分的磁化率大得多；–随温度的升高，气体的磁化率将迅速下降；–在满足第一个条件的情况下，混合气体的磁化率近似为待测组分的磁化率与该组分所占浓度的乘积氧化锆氧量计氧化锆氧量计主要用于锅炉的氧量分析，对烟气的含氧量做出准确的判断仪器由检测器(又称氧化锆探头)，变送器(又称氧量表)两部份组成。按检测方式的不同，氧化锆氧探头分为两大类：直插式氧探头及采样检测式氧探头氧化锆氧量计一、直插检测式氧探头直插式检测是将氧化锆直接插入高温被测气体，直接检测气体中的氧含量，这种检测方式适宜被检测气体温度在700℃～1150℃时（特殊结构还可以用于1400℃的高温），它利用被测气体的高温使氧化锆达到工作温度，不需另外用加热器。直插式氧探头的技术关键是陶瓷材料的高温密封和电极问题。氧化锆氧量计二、采样检测式氧探头采样检测方式是通过导引管，将被测气体导入氧化锆检测室，再通过加热元件把氧化锆加热到工作温度（750℃以上）。氧化锆一般采用管状，电极采用多孔铂电极。优点是不受检测气体温度的影响，通过采用不同的导流管可以检测各种温度气体中的氧含量，这种灵活性被运用在许多工业在线检测上。缺点是反应时间慢；结构复杂，容易影响检测精度；在被检测气体杂质较多时，采样管容易堵塞；多孔铂电极容易受到气体中的硫，砷等的腐蚀以及细小粉尘的堵塞而失效；加热器一般用电炉丝加热，寿命不长。氧化锆氧量计工作原理利用氧化锆电解质作传感器，测量混合物气体中氧气的含量氧化锆（ZrO2）是一种陶瓷固体电解质，在高温下有良好的离子导电特性。作为氧含量检测用的氧化锆一般都掺入一定量（通常15%）的化学CaO（也可以Y2O2）作为稳定剂，经高温焙烧后则形成稳定的萤石型立方晶系晶体氧化锆氧量计氧化钙固溶在氧化锆中，其中Ca＋2置换了Zr＋4的位置，而在晶体中留下了氧离子空穴。空穴的多少与掺杂量有关如果在一块氧化锆（ZrO2）电解质的两侧分别附上一个多孔铂电极，若两侧气体的含氧量不同，则在两电极间就会出现电势，该电势称为浓差电势氧化锆氧量计在电池的正极：在电池的负极：电池反应：浓差电势的大小可由能斯特公式决定：pR为参比气体氧分压，一般用空气作参比气体，则pR＝21000Pa（视地区环境不同）px为被测气体氧分压2224OepORepOOx4222xRpOpO22xRppnFRTEln氧化锆氧量计氧化锆探头和变送器氧化锆氧含量测量的检测器有各种的形式（形状）在氧化锆检测器中，最重要的是控制氧化锆的工作温度：一般检测器中均有恒温控制装置，以保证氧化锆工作在恒定的温度；另一方面，还要选取合适的温度值氧化锆探头