成分分析技术及仪表

内容安排：6.1概述6.2热导式气体分析仪6.3红外线气体分析仪6.4色谱分析仪6.5氧分析仪6.6工业电导仪6.7浓度计6.8PH计6.9硅酸根表6.10钠表6.11溶解氧表6.12成分分析仪表的选用6.1概述成分检测方法很多，可以按工作原理、测试对象、使用目的及使用场合来进行分类。成分分析仪表一般包括自动取样装置、预处理系统、分离检测器、信号处理系统及显示仪表等。成分分析主要是用来检定、测量物质的组成和特性，研究物质的结构。用于成分检测的仪表称为成分分析仪表。6.2热导式气体分析仪热导式气体分析仪是一种热学式气体分析仪，它是利用不同气体导热特性不同的原理进行分析的。常用于分析混合气体中H2、CO2、NH3、SO2、Ar等组分的百分含量。6.2.1工作原理各种气体都具有一定的导热能力，但是导热系数有一定差异。几种气体在0℃时的导热系数混合气体是由多组分气体组成，彼此之间无相互作用，其导热系数可以近似地认为是各组分导热系数的算术平均值niiinnCCCC1221112如果被测组分的导热系数为，其余组分为背景组分，并假定它们的导热系数近似等于，则混合气体的总导热系数为1212121132211)()1()(CCCCCCCn2121C被测组分的体积百分含量为在实际测量中，要求混合气体中背景组分的导热系数必须近似相等，并与被测组分的热导系数有明显差别。6.2.2热导检测器热导式气体分析仪的检测器又称热导池，它将由于混合气体中待测组分含量变化所引起总的导热系数的改变转换为电阻的变化。热导池的结构（一）(a)(b)热导池结构示意图（二）6.2.3测量电路热导式气体分析仪的测量桥路：在实际使用时，为了降低外界的干扰，提高仪表的测量精度，还可采用双臂单电桥测量系统或采用双电桥测量系统。6.3红外线气体分析仪红外线气体分析仪属于光学分析仪表。它是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。仪常用于连续分析混合气体中CO、CO2、CH4、NH3等气体的浓度。6.3.1红外线气体分析仪的理论基础各种气体对红外光谱范围内波长具有选择吸收能力，吸收光谱如下图。红外线通过吸收物质前后其光强度与被测组分浓度的关系服从朗伯—贝尔定律KCLeII0当光强度为I0的光通过均匀介质后，剩余光强度的大小I将随着介质浓度C和光程L的增大而按指数规律衰减。6.3.2结构及原理1-光源；2-抛物体反射镜；3-同步电动机；4-切光片；5-滤波室；6-参比室；7-测量室；8-红外探测器；9-放大器测量时(如分析CO气体的含量)，两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室，测量气室中的CO气体对4.65μm的红外线有较强的吸收能力，而参比气室中气体不吸收红外线，这样探测器两个吸收气室的红外线光造成能量差异，使两吸收室压力不同，测量室一侧的压力减小，于是薄膜偏向定片方向，改变了电容C。电容的变化量就反映了被测气体的浓度。6.4色谱分析仪基于色谱法原理构成的分析仪器称为色谱仪，它既能鉴定混合物是由哪些组分组成，又能测出各组分的含量。6.4.1检测原理茨维特实验:当石油醚携带菠菜叶色素混合物流经碳酸钙粉末时，由于各种叶色素分子在结构和性质上的差异，它们在石油醚中的溶解能力的大小各不相同。色谱分析方法是利用色谱柱将混合物各组分分离开来，然后按各组分从色谱柱出现的先后顺序分别测量，根据各组分出现的时间以及测量值的大小可确定混合物的组成以及各组分的浓度。混合物在色谱柱中的分离过程色谱分析法根据流动相的不同可分为气相色谱法和液相色谱法两种。气相色谱仪液相色谱仪6.4.2气相色谱仪气相色谱仪基本结构框图作为流动相的气体叫载气，它是对样品和固定相呈惰性，专门用来载送样品的气体。通常用H2、N2、Ar、He等气体作载气。气相色谱分析流程*气相色谱检测器（Detector）检测器是将色谱柱分离开来的各个组分信号转换成电信号的装置，是色谱仪的关键部件之一。其种类较多，原理和结构各异。下面介绍热导池检测器和氢焰离子化检测器。⑴热导池检测器（TCD）池体一般用不锈钢制成，孔道是气路的一部分，孔道内装有热敏元件。进样后，参比臂流过的仍然是纯载气，R参不变；但载气携带试样组分流过测量臂，使测量臂的温度改变，引起R测的变化，使测量臂和参比臂的电阻值不等，这时电桥失去平衡，有信号电压输出，信号大小与组分性质及浓度相关，记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。将双臂热导池中的两根热丝与具有相同电阻值的固定电阻R1、R2连接成惠斯登电桥。当仪器工作、且未进样时，热丝通电，其环境是稳定流动的载气，加热与散热达到平衡后，电桥平衡，无信号电压输出，记录仪走基线。⑵氢火焰电离检测器（FID）点火后，产生约2100℃的火焰，待测组分在火焰中首先进行热裂解，然后，其中约百万分之一发生化学电离，成正离子和电子。生成的成正离子和电子在100～350V的极化电压的作用下，分别向两极定向运动，从而产生约10－6～10－14A的微电流。在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的待测组分的质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器。该微电流经过高值负载电阻R（108～1011Ω）后，产生较大的电压降，然后由放大器放大，记录仪记录，得到峰面积与组分质量成正比的色谱图。6.5氧分析仪氧含量分析方法有两种：一种为物理分析法，如磁性氧分析仪；另一种为电化学法，如氧化锆氧分析仪。6.5.1热磁式氧分析仪热磁式氧分析仪是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的升高而降低等热磁效应来检测待测气体组分含量的。主要用来检测混合气体中的氧含量。6.5.1.1检测原理物质的磁化强度与外磁场强度H成正比，即HkJ式中，k称为物质的磁化率，是一个反映物质磁性的系数。某些气体在0℃时的体积磁化率气体的磁化率数值都比较小，但氧气的磁化率比其它气体的磁化率高很多。对互不发生化学反应的多组分混合气体，常温常压下其磁化率k为各组分磁化率的算术平均值niiinnCkCkCkCkk12211若在混合气体中，待测组分为氧气，其磁化率为k1，浓度为C1；假设混合气体中非氧组分的磁化率近似相等，而且比较小，则111211)1(CkCkCkk由此可根据混合气体磁化率的大小判定氧含量的多少。气体的磁化率的另一个特点是它随温度和压力而变化。2RTCMpk由以上分析可以得到如下的结论：①待测组分(氧气)较混合气体中其他组分的磁化率大得多，并且在后者的磁化率近似相等的情况下，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；②气体压力升高时，磁化率增大，而温度升高时，其磁化率剧烈下降。6.5.1.2热磁式氧分析仪的检测器⑴内对流式检测器1-环形管；2-中间通道；3-显示仪表；4-被测气体入口；5-被测气体出口⑵外对流式检测器1-工作检测元件2-参比检测元件6.5.2氧化锆氧分析仪氧化锆氧分析仪是利用氧化锆固体电解质做成的氧分析仪，用来测量混合气体中氧气的含量。6.5.2.1氧化锆固体电解质导电机理氧化锆ZrO2是一种固体电解质。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。固体电解质的导电性与温度有关，温度愈高，其导电性愈强。6.5.2.2氧化锆氧分析仪的检测器氧化锆氧分析仪的检测器是由氧化锆管组成的一个氧浓差电池。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，该电动势是由于氧化锆固体电解质两侧的氧浓差所形成，所以叫浓差电势。氧浓差电势的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为10lnppnFRTE假定参比侧与被测气体的总压力相等，则上式可改写为10lnCCnFRTE利用氧化锆氧浓差电势测氧含量必需满足的条件有：①工作温度要恒定。一般工作温度保持在T=750℃。②必须有参比气体，且参比气体的氧含量要稳定不变。③参比气体与检测气体总压力应该相等，仪表可以直接以氧浓度刻度。利用氧浓差电池原理制成的氧化锆传感器结构1—氧化锆管；2—陶瓷过滤管；3—铂电极；4—热电偶；5—AI2O3陶瓷管；6—信号线6.5.2.3氧化锆氧分析仪的安装与使用⑴安装一般应遵循以下几项原则：①测量点位置应具有代表性，应能正确反映所测炉内气体，切忌选在气流死角和漏风点附近；②测量点不能太靠近燃烧点等部位，这会造成氧量计示值剧烈波动，也不能太靠近风机等机械设备，以免电机的震动损坏氧化锆探头；③远离移动物体，以免碰撞损坏探头；④应便于安装、调试及维护。氧化锆氧分析仪的安装方式有直插式和抽吸式两种结构。(a)直插式结构(b)抽吸式结构氧化锆探头⑵使用①使用前的检查②仪器标定③使用条件对测量精度的影响④氧化锆探头的化学反应问题⑤定期对采样管中的积尘进行吹扫处理6.6工业电导仪目前，工业电导仪可分为两类，一类是电极式；另一类是电磁感应式。6.6.1溶液电导（电阻）的测量方法测量电解质溶液的电导要比测量金属导体的电导复杂得多。①分压法测量电路ＲＸ为待测溶液电阻，ＲK为外电阻在交流电源电压Ｕ的作用下，ＲK上的分压为kxkkRRURU由上式可知，在保持电源电压Ｕ恒定不变的情况下，只要测得分压电阻ＲＸ上的电压，即可求出待测溶液电阻RＸ的大小，对RＸ取倒数即为溶液电导。②电桥测量电路平衡电桥法测量电路原理图不平衡电桥法测量电路原理图③电磁感应测量法基于法拉第电磁感应原理工作的。两个变压器T1和T2由待测溶液构成的短路环C1耦合起来，T1为励磁变压器，T2为检测变压器。Io的数值与待测溶液的电导率有关（单值关系）。该电导率越大，Io也就越大，反之亦然。6.6.2电导池的结构电导池是指由两个电极等部件组成的用来测量溶液电导的设备，有时也称电导发送器。电导池的电极有多种，从形状上来分，有筒状电极和环状电极。筒状电极的电极常数Ｋ与外筒电极的内半径Ｒ、内筒电极的外半径ｒ及电极的有效长度Ｌ的定量关系为；rRLKln21环状电极的电极常数Ｋ与电导池外套筒内半径Ｒ、电极环的最大外半径ｒ及电极间的距离Ｌ的定量关系为；)(22rRLK采用筒状电极的电导池的内部结构6.6.3测量系统组成溶液电导率测量系统一般由电导池（即传感器）、变送器和显示仪表三部分组成。6.6.4应用问题⑴电极极化问题⑵分布电容问题⑶温度问题6.7浓度计浓度计实际上就是工业电导仪，它利用溶液浓度与其电导率之间具有一定的定量关系，通过测量溶液的电导从而间接地求出待测溶液的浓度。均匀导体的电阻计算公式ALR电解质溶液与均匀导体类似，但溶液呈现的电阻作用一般不用电阻率表示，而是用其倒数（1/ρ）即电导率S表示，液体回路中的电阻Ｒ也用其倒数（１/Ｒ）即电导m表示LASLARm11A———导体横截面积，cm２；Ｌ———导体长度，cm。溶液的电导率与溶剂、溶质、溶质含量（浓度）及温度等多种因素有关，所以电导率还不能完全表征各种溶液的特点。为此，我们将浓度关系引入到电导率的概念中，提出“当量电导率”的概念，其定义为“浓度为１摩尔的水溶液所具有的电导率”，用λ表示。在某些场合这个单位太大，此时可用毫摩尔电导来表示，它是指１毫摩尔的水溶液的电导。当溶液的浓度为η时，此溶液的电导为：Ｓ＝ηλ溶液的摩尔浓度与溶液浓度C之间的关系为1000C将式上式合并可得1000CLALALASmCALSALmR10001或上式表明：当电极的尺寸和距离（即电解质溶液导体的长度和横截面积）一定时，由于特定溶液中溶质的毫摩尔和溶液的当量电导率也是一定的，所以，二电极间的电导m（或电阻R）就与溶液的浓度C成单值函数。选择安装场所时，要注意防腐问题。6.8pH计pH值与溶液中氢离子浓度的关系为：pH=－lg[H+]6.8.1pH值测量原理溶液的pH值是通过将其转化成原电池的输出电动势来间接测量的。原电池电动势的大小为式中，E——原电池电动势；R——气体常数；T——溶液绝对温度；