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第六节成分检测及仪表（自学）成分是指混合气体或液体中的各个组分。成分检测的目的是要确定某一或全部组分在混合气体或液体中所占的百分含量。在工业生产过程中，需要检测和控制的成分参数有多种。本节介绍几种常用的气体成分的检测方法和仪表。成分参数的检测方法成分参数的检测方法主要有化学式、物理式和物理化学式等。化学式和物理式检测方法是利用被测样品中待测组分的某一化学或物理性质比其他组分有较大差别这一事实工作的。物理化学式检测方法主要是根据待测组分在特定介质中表现出来的物理化学性质的不同来分析待测组分的含量。热导式气体成分分析仪表热磁式气体成分分析仪表红外式气体分析仪气相色谱分析仪一、氧化锆氧量计（一）氧化锆氧含量检测原理氧化锆是一种氧离子固态电解质。作为氧含量检测用的氧化锆一般都掺入一定量（通常为15％）的化学纯氧化钙CaO作为稳定剂，使ZrO2晶体的正方氟化物结构稳定到较低的使用温度，并称之为“稳定化氧化锆”。掺入CaO的ZrO2经高温焙烧后形成置换式固溶体，它是一种金属氧化物陶瓷，在一定的温度范围内，其晶体结构保持不变。氧化锆氧含量检测原理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。在数百摄氏度的高温（≥470～550℃）下，掺有CaO的ZrO2固态电解质便是一种良好的氧离子导体。氧化锆氧含量检测原理在一块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。通常铂电极两侧气体中一侧为参比气体，其氧分压用pR表示；另一侧为被测气体，其氧分压用pX表示。氧化锆氧含量检测原理电极两侧氧含量的不同表现为氧分压的差异，假设pR＞pX。在高氧pR侧，吸附在电极上的氧分子离解得到4个电子，形成两个氧离子O2－，生成的氧离子进入固态电解质，通过氧离子空穴迁移到低氧侧固态电解质的表面。在低氧pX侧电极上，氧离子给出电子变成氧分子。氧化锆氧含量检测原理高氧侧的电极因失去电子而带正电，而低氧侧的电极因得到电子而带负电。这就构成了一种电极浓差电池。氧化锆氧含量检测原理电极浓差电池可用下列电池符号表示：多孔铂电极Pt，O2（pR）｜ZrO2·CaO｜O2（pX），Pt电极上发生的电化学反应如下：在电池正极O2（pR）＋4e→2O2－在电池负极2O2－→O2（pX）＋4e总电池反应为：O2（pR）→O2（pX）氧化锆氧含量检测原理浓差电势的大小可由能斯特公式决定，即若温度T保持某一定值，并选定一种已知氧浓度的气体作参比气（一般都选用空气），则测得氧浓差电势E，即可求得被测气体的氧含量（即pX）。XRpplnnFRTE氧化锆氧含量检测原理若考虑氧化锆在高温条件下自由电子导电，致使浓差电池有内部短路电流而降低输出电势；因两侧气流温度不同和因流速差别形成温差而产生热电势以及存在本底电势等，也都使氧化锆浓差电池的输出偏离上式所给出的理论值。因此，在实际使用时，应对上式进行修正。（二）氧化锆探头氧化锆探头的主要部件是氧化锆管。要保证氧化锆管成为良好的氧离子导体，温度必须大于470～550℃。一般在650～850℃范围内。要达到氧化锆管所需的工作温度，通常有两个办法：利用高温的被测气体直接加热氧化锆管；在氧化锆探头内设有电加热器。氧化锆探头氧浓差电势不仅与氧化锆管两侧的氧分压pR和pX有关，而且还与温度T有关，因此不论采用何种方法，均需要测出氧化锆探头内的温度。对于电加热式的探头，除了测温元件外，一般还有温度控制器，从而使氧化锆探头稳定在所需的温度值上。氧化锆探头氧化锆探头的结构如图所示。氧化锆探头被测气体经陶瓷过滤器后流过氧化锆管1的外部，空气从另一边进入一头封闭的氧化锆管的内部作为参比气体。为了稳定氧化锆管的温度，在氧化锆管的外围装有加热电阻丝。管内部还装有热电偶，用来检测管内温度，并通过温度调节器调整加热丝电流的大小，使氧化锆管稳定在850℃左右。氧化锆探头氧化锆管的内外管壁上有鉑电极。探头的各部分用Al2O3管4分隔。（三）氧化锆氧量分析仪氧化锆氧量分析仪由氧化锆探头和相应的电子线路组成。由于氧化锆电解质内阻很大，要求前置放大器的输入阻抗足够高。氧浓差电势与被测气体氧浓度之间为对数关系，需要用专用的电路进行放大和处理。二、气相色谱分析仪（一）检测原理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。混合物的分离是色谱法的关键所在。检测原理分离过程是一种物理化学过程，它是通过色谱柱来完成的。需分离的样品2由气体或液体1携带着沿色谱柱3连续流过，该携带样品的气体或液体称为载气或载液，统称为流动相。检测原理色谱柱中放有固体颗粒或是涂在担体上的液体，它们对流动相不产生任何物理化学作用（如吸附、溶解），但能吸收或溶解样品中的各组分，并且对不同的组分具有不同的吸收或溶解能力。这种放在色谱柱中不随流动相而移动的固体颗粒或液体统称为固定相。检测原理利用色谱柱中固定相对被测样品中各组分具有不同的吸收或溶解能力，使各组分在两相中反复进行分配，分配的结果使各组分得以分离，致使各组分按照一定的顺序流出色谱柱。固定相对某一组分的吸收或溶解能力越强，则该组分就不容易被流动相带走，流出色谱柱的时间就越慢。检测原理如果在色谱柱的出口处安装一个检测器4，则当有组分从色谱柱流入检测器时，检测器将输出一个对应于该组分浓度大小的电信号，通过记录仪可把每个组分对应的输出曲线记录下来，就形成由不同峰值组成的曲线图5，称该图为色谱图。（二）色谱分析法的类型根据流动相的不同，可分为气相色谱和液相色谱两种。气相色谱：流动相为气体气液色谱：固定相为液体（这种液体称固定液）气固色谱：固定相为固体液相色谱：流动相为液相液液色谱：固定相为液体（这种液体称固定液）液固色谱：固定相为固体（三）气相色谱仪的基本组成主要包括载气源1、载气处理及控制系统2、进样装置3、色谱柱4、检测器6、气体流量计7和记录仪8等。三、红外式气体分析仪（一）气体对红外线的吸收红外线是波长比红光还要长一些的光波，其波长范围为0.76～1000μm之间。红外式气体成分检测主要是利用气体对红外线的吸收性质。气体对红外线的吸收气体对红外线的吸收，归纳起来有以下几个特点：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对红外线一般都具有吸收能力，并且在某些特定的波长范围内对红外线有强烈的吸收。气体吸收红外辐射后温度上升，若气体的体积一定，则在温度升高的同时，使压力增加。气体吸收红外辐射越多，则温度升高也越多。气体对红外线的吸收红外线通过物质前后的能量变化随着待测组分浓度的增加而以指数下降，其公式为式中：I为通过被测气体后的光强度；I0为通过被测气体前的光强度；Kλ为待测组分对波长为λ的红外线的吸收系数；c为待测组分的浓度；l为红外线穿过的被测气体的长度。clK0eII气体对红外线的吸收（二）检测原理一束红外线同时照射到工作气室和参比气室，工作气室通入被测气体，参比气室中一般充有不吸收红外线的气体，如N2等。检测原理如果工作气室内通过的气体与参比气室一样不吸收红外线，则红外线到达两个红外探测器的强度相同，输出信号也相同；以检测CO2为例，若进入工作气室的气体中含有一定量的CO2气体，由于该气体对波长为4.26μm的红外线有较强的吸收能力，因此使到达红外探测器1的红外线强度有所减弱，其输出信号减小。检测原理随着被测气体中CO2气体浓度的增加，测量气室中对入射的红外线的吸收程度也相应增加，从而使红外探测器2与1输出信号之间的差值变大。因此，可以根据该差值大小获得被测气体中CO2气体的含量。（三）红外式气体分析仪的组成红外式气体分析仪主要由红外线辐射光源1、气室、红外探测器8以及电气线路9等部分组成。红外式气体分析仪的组成红外线辐射光源光源一般都由通电加热镍铬丝而得到，可发出波长为3～10μm的红外线。光源有单光源和双光源两种形式，单光源可以避免两个光源不完全一致的毛病，但在安装和调试上比较麻烦；双光源的特点正好相反。反射镜2的作用是将光源产生的红外线变成一平行辐射线照射到各气室。红外式气体分析仪的组成切光片4由同步电机3带动以十几赫兹的频率转动。常见的切光片的形状有半圆形和十字形两种。使用切光片的目的是将光源调制成断续的红外辐射线，以便于电气线路中信号的放大。红外式气体分析仪的组成气室气室包括测量气室7、参比气室6和滤波气室5。它们在结构上基本相同，一般都是圆筒型，两端用晶片密封。气室的内壁光洁度很高，而且还要求不吸收红外线、不吸附气体、化学稳定性好。气室两端的晶片要求不吸收红外线、有高的透光系数、不易潮解、有足够的机械强度及良好的化学稳定性。红外式气体分析仪的组成测量气室的长度与待测组分的浓度大小有关。若待测组分的浓度较低，为提高仪器的灵敏度，可选用较长的测量气室；反之，应取较短的气室。滤波气室可以用滤光片取代。红外式气体分析仪的组成红外探测器红外探测器是把红外辐射量的变化转换成电量的变化的装置。红外探测器可分为光电导型、光生伏特型、热敏型以及薄膜电容型等。红外式气体分析仪的组成薄膜电容型探测器是一种选择性检测器。其原理结构如图所示测量光束及参比光束分别通过窗口1射入两个吸收气室2，吸收气室内充以待测气体，气体吸收波长段a～b的红外辐射能量，使吸收气室内气体温度升高。红外式气体分析仪的组成由于气室内的体积是固定的，温度升高的结果使气室内压力增高。如果测量气室中通入的被测气体中无待测组分，则到达探测器的测量光束和参比光束相平衡，两吸收气室吸收的红外辐射能量相等，因此两室的压力相等，动片薄膜4维持在平衡位置。红外式气体分析仪的组成当被测气体中待测组分浓度增加，测量光束的一部分能量被待测组分吸收，从而进入吸收气室测量边的能量减弱，致使这边的压力减小，于是薄膜偏向定片4方向，改变了两电极距离，也就改变了电容量C。待测组分的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，则电容量的增量也愈大，因此电容变化量反映了被测气体中待测组分的浓度。红外式气体分析仪的组成电气线路电气线路的任务是将红外探测器的输出信号进行放大变成统一的直流电流信号，使电流大小与待测组分的浓度成正比。由于探测器阻抗很高，输出信号十分微弱，且又是超低频信号，因此对信号检测放大部分要求很高。一般应做到有高的稳定性、足够的灵敏度及较强的抗干扰能力。（四）红外式气体分析仪的应用红外式气体分析仪可用于多种气体的成分分析。目前，较多的用于CO、CO2、CH4、NH3、SO2、NO等气体的检测。通常一台仪器只能测量一种组分的一定浓度范围。仪器根据待测组分的浓度不同一般可分为常量和微量两类。常量分析仪的测量精度为1～2.5级，时间常数不大于15s；微量分析仪的浓度测量范围一般以ppm为单位，精度为2～5级，时间常数不大于30s。红外式气体分析仪的应用红外式气体分析仪的使用环境条件严格，不能将仪器安装在振动和冲击较大、尘埃较大的地方。水蒸气对红外式气体分析仪的干扰较严重，为此必须在气体进入测量气室前进行除水、干燥处理。热导式气体成分分析仪表热磁式气体成分分析仪表检测原理热磁式检测技术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的含量。根据该原理制成的仪表称为热磁式气体分析仪，它主要用来检测混合气体中的氧含量。检测原理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，也就是说介质在磁场中被磁化。磁化强度矢量J取决于外磁场强度H，并与介质的本身性质有关，即J＝χH。式中χ称为介质的磁化率，是一个反映介质磁性的系数。检测原理当介质的磁化