检测技术与仪表-9-成分分析仪表

第9章成分分析仪表自动检测技术及仪表控制系统检测技术及仪表Contents9.1成分分析方法及分析系统的构成9.2几种工业用成分分析仪表9.3湿度的检测检测技术及仪表9.1成分分析方法及分析系统的构成（1）成分分析方法及分类成分分析方法有两种：一，定期取样，通过实验室测定的实验室分析方法；二，利用可以连续测定被测物质的含量或性质的自动化仪表；检测技术及仪表9.1成分分析方法及分析系统的构成（1）成分分析方法及分类成分仪表的型式：①电化学式，如电导式、电量式、电位式、酸度计等；②热学式，如热导式、热谱式、热化学式等；③磁学式，如磁式氧分析器、核磁共振分析仪等；④射线式，γ射线分析仪、同位素分析仪等；⑤光学式，如红外、紫外等吸收式光学分析仪，光散射等；⑥电子光学式和离子光学式，如电子探针、离子探针等；⑦色谱式，如气相色谱仪、液相色谱仪等；⑧物性测量仪表，如水分计、黏度计、密度计、湿度计等；⑨其他，如晶体振荡式分析仪、半导体气敏传感器等。检测技术及仪表9.1成分分析方法及分析系统的构成（2）自动分析系统的构成自动分析仪表通常是与试样预处理系统组成一个分析测量系统，以保证其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监测的成分。较大型工业分析仪表测量系统基本组成：检测技术及仪表9.1成分分析方法及分析系统的构成（2）自动分析系统的构成自动取样装置的作用是从生产设备中自动、快速地提取待分析样品；预处理系统可以采用诸如冷却、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；检测器是分析仪表的核心；整机自动控制系统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。检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（1）热导式气体分析器热导式气体分析器是使用最早的一种物理式气体分析器件；用途：常用于分析混合气体中等组分的百分含量原理：各种气体都具有一定的导热能力，但程度不同，即各有不同的导热系数2232HCONHSO、、、检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（1）热导式气体分析器混合气体的热导率可以近似认为是各组分热导率的均值：如果被测组分的热导率为，其余组分为背景组分，其热导率近似等于，由于可得被测组分的含量：111221nnniiiCCCC121nCCC2112C2检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（1）热导式气体分析器实际测量时，要求混合其中背景组分的热导率近似相等，否则，需要预处理。热导式气体分析器的核心是测量室，称为热导池1——热敏电阻2——热导池腔体3——绝缘物检测技术及仪表热导池设计时应注意的几个问题：①为了减少气体的对流散热，热导池的气室尽可能小，并保证气体通过时的流量小且稳定。另外注意压力的影响，压力大，对流传热加剧。②为了减少辐射散热，要保证tc、tn之间的温差小于200℃③电阻丝本身由于导热率较高，沿阻丝轴向引线有热量散失，所以设计时尽量加长阻丝长度并减小阻丝直径。测量电路测rn的电路－－桥式电路(1)、单臂电桥把rn作为电桥的一个臂，其余三个臂用固定电阻。简单，但测量精度受环境影响大。(2)、差式电桥测量室rn作为一个测量臂，参比室ra接相邻桥臂（参比臂）。由于外界条件改变同时影响测量臂和参比臂，可以相互抵消，提高测量精度。检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（1）热导式气体分析器热导池常用结构：对流扩撒式结构热导式分析仪表常用桥式测量电路检测技术及仪表参比室：与测量室在尺寸、结构上完全相同的热导池，其中密封一定浓度的被测气体。(3)、二个差动对电桥如图9－4。其测量灵敏度较差式电桥提高一倍。(4)、双桥测量桥路可克服外界条件变化、电源电压不稳带来的影响。AA’BB’1324EE5678可逆马达左：测量电桥1,3为测量气室，2,4充测量下限气体右：参比电桥5,7充测量上限气体，6,8充测量下限气体K在最上端，为测量起始点，K在最下端，为测量上限点。RxK检测技术及仪表实物图检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（2）红外线气体分析器红外线气体分析器属于光学分析仪表中的一种，其特点是：测量范围宽、灵敏度高、反应速度快、选择性好。常用于连续分析混合气体中气体的浓度。243COCONH、、CH、气体对红外线的吸收红外线是指波长为0.76～1000μm范围内的电磁波。既然它是一种电磁波，因此它具有折射、反射、散射、干涉和吸收等性质。红外线气体成分检测主要是利用红外线的吸收性质。检测技术及仪表同种气体对红外线的吸收能力因红外线的波长不同而不同。单原子分子气体和无极性的双原子分子气体不吸收红外线，而具有异核分子的大多数气体在某些特定的波长下对红外线有强烈的吸收.具有不对称结构的双原子或多原子气体分子，在某些波长范围内（2~25um）吸收红外线，具有各自的特征吸收波长。检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（2）红外线气体分析器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进行分析。红外线气体分析器主要利用2~25um之间的一段红外光谱。检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（2）红外线气体分析器红外线气体分析器一般由红外辐射源、测量气样室、红外探测装置等组成。从红外光源发出强度为的平行红外线，被测组分选择吸收其特征波长的辐射能，红外线强度将减弱为I：测量红外线的透过强度就可以确定被测组分浓度的大小。0I0KCLIIe检测技术及仪表吸收波谱图检测技术及仪表第六节气体成分分析仪表•背景气体吸收的红外线波长与待测气体有部分重叠检测技术及仪表直读式红外线分析器原理图灯丝同步片参比室（不吸收红外线）测量室检测室读数标尺（6：封入相同的待测组分气体）7：薄膜片8：定片检测技术及仪表干扰组分的影响例：测CO的含量，背景气体中有CO2，二者的特征吸收波长范围有重叠部分CO:ab段CO2：cd段ad段为重叠部分检测技术及仪表带滤波气室的红外线分析器充以干扰组分气体检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（2）红外线气体分析器工业用红外线气体分析器有非色散型和色散型两种。一种时间双光路红外线气体分析器的组成框图：检测技术及仪表时间双光路红外线气体分析器一支光源、一条光通道、一组气室。切光盘上装有四组干涉滤光片1122331、同步孔：同步灯穿过同步孔后由光敏管接收，跟踪参比信号。2－2、参比滤光片：其透射波长是被分析气样中任何气体均不吸收的波长。3－3、测量滤光片：透射波长与被分析气体的特征吸收峰的波长相同检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（3）氧化锆分析器氧化锆分析器属于电化学分析方法，优点是灵敏度高、稳定性好、响应快、测量范围宽，且不需要复杂的采样和预处理系统，其探头可以直接插入烟道中连续地分析烟气中的氧含量。氧化锆分析器的基本工作原理基于氧浓差电池。当氧浓差电池两侧气体的含氧量不同时，在两电极间将产生电势，此电势与两侧气体中的氧浓度有关，称为浓差电势。检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（3）氧化锆分析器氧浓差电池原理：左侧为被测气体，右侧是参考气体。检测技术及仪表氧浓差电池参比气体被测烟气左侧：被测，氧浓度φ1约4%~6%右侧：空气，氧浓度φ2约20.8%T＝850℃正极：负极：)(4224)(122222pOeOOepO1122lnlnnFRTppnFRTE氧浓差电势检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（3）氧化锆分析器一种管状结构的氧化锆分析器：检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（3）氧化锆分析器氧化锆分析器的安装方式：检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（3）氧化锆分析器氧化锆分析器正常工作的必要条件：①工作温度恒定(高温850度)②必须要有参比气体③参比气体与被测气体压力应该相等检测技术及仪表磁性氧分析器磁式氧分析器测量原理：通过测定混合气体的磁化率来推知O2的浓度气体磁化率KKHJJ：磁化强度H：外磁场强度（B）K＞0的物质，称顺磁性物质，介质会被磁场吸引。K＜0的物质，称逆磁性物质，介质在外磁场作用下被磁场排斥。O2属于顺磁性物质。2RTCMPk对于多组分气体检测技术及仪表热磁式氧分析器传感器：中间有通道的环形气室检测元件：通电加热的铂丝将O2浓度的变化转化为电阻值的变化。热磁对流－－磁风检测技术及仪表检测技术及仪表磁力机械式氧分析器梯度磁场：尖劈形磁极氧气为顺磁性物质，气体沿磁场强度的方向产生密度梯度，在一定的温度下有一定的压力差。压力差大小与氧含量的浓度相关dVdxdHHkkFxxmV)(00检测技术及仪表磁力机械式氧分析器结构简图“哑铃”形检测元件两个空心的石英球，封入氮气，中间安排部署连接处贴一石英小镜子。氮气呈微弱的逆磁性。当空气中氧含量增大时，磁场对氧气的吸收所形成的压力差，对石英球产生推力，偏转一个角度。角度大小与氧含量的浓度成正比。检测技术及仪表检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（4）气相色谱仪色谱分析仪器是一种高效、快速、灵敏的物理式分析仪表。包括分离和分析两个技术环节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。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检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（4）气相色谱仪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体，装在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，都是将固定液附着在管壁上形成。被分析的试样由载气带入色谱柱，载气在固定相上的吸附或溶解能力要比样品组分弱得多，由于样品中各组分在固定相上吸附或溶解能力的不同，而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。检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（4）气相色谱仪混合物在色谱柱中的分离过程检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（4）气相色谱仪两个组分A和B的混合物经过一定长度的色谱柱后，将逐渐分离，A、B组分在不同的时间流出色谱柱，并先后进入检测器，检测器输出测量结果，由记录仪绘出色谱图，在色谱图中两组分各对应一个色谱峰。图中随时间变化的曲线表示各个组分及其浓度，称为色谱流出曲线。各组分从色谱柱流出的顺序与色谱柱固定相成分有关。从进样到某组分流出的时间与色谱柱长度、温度、载气流速等有关。在保持相同条件的情况下，对各组分流出时间标定以后，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，用已知浓度试样进行标定后，可以做定量分析。检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（4）气相色谱仪色谱仪的基本流程检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（4）气相色谱仪一种工业用气相色谱仪系统框图：检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（4）气相色谱仪一种微型气相色谱仪的结构图检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（5）半导体气敏传感器采用半导体材料为敏感材料制成的一种气敏传感器类型，可以通过在半导体材料中添加各种催化剂来改变其主要敏感对象，却很难消除对其他共存气体的响应，且它信号响应的线性范围窄，故一般只用于定性及半定量范围的气体检测。制造成本低廉，测量手段简单，工作稳定性尚好，检测灵敏度也较高。半导体气敏传感器按照半导体的物性变化特点，可分为电阻型和非电阻型两类。检测技术及仪表9.2几种工业用成分分析仪表（5）半导体气敏传感器①电阻型半导体气敏传感器利用气体在半导体表面的氧化或还原反应，将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变化的原理。当氧化型气体吸附到n型半导体，还原型气体吸附到p型半导体时，会使半导体载流子减少，敏感元件电阻值将增大。当还原型气体吸附到n型半导体