化工测量及仪表第7章

第7章工业分析仪表化学工业出版社7.2热导式气体分析仪7.3氧分析器7.4PH值的自动测量7.5湿度的自动测量本章学习的主要内容有：7.1成分分析仪器本章学习内容7.6密度的自动测量7.1成分分析仪器7.1.1成分分析仪器简介7.1.2成分分析仪器的分类7.1.3成分分析仪器的组成7.1.4成分分析仪器的主要性能指标7.1成分分析仪器用来分析和测量物质的组成与性质，并能直接指示物质的成分与含量。物质的成分——指一种化合物或混合物是由哪些种类的分子、原子或原子团所组成，以及这些分子、原子或原子团的含量是多少。分类：实验用仪表和工业用自动分析仪表。成分分析：确定物质的化学组成&物质中各成分的相对含量7.1.1成分分析仪器简介7.1成分分析仪器依据使用场所分：–实验室分析仪器–过程分析仪器两者的重要区别:–在于过程分析仪器具有连续、可靠、精确地向操作人员或自控装置及时提供工艺过程质量信息的功能，在结构上具有能够自动地连续采样、对试样进行预处理（抽吸、过滤、干燥等）、自动地进行分析、信号的处理和远传以及抗干扰等装置或部件，其结构比实验室分析仪器复杂，精度通常比实验室分析仪器略低。7.1.2成分分析仪器的分类7.1成分分析仪器依据被测参数分：–氢分析仪表–氧分析仪表–密度分析仪表（如水分析仪表等）依据工作原理分：–热学式分析仪表如热导式、热化学式（气体）分析仪等。–磁学式分析仪表如热磁式、磁力机械式分析仪表等。7.1成分分析仪器–电化学式分析仪器如电导式、电量式、电位式等；–光学式分析仪器如吸收式光学分析仪，发射式光学分析仪；–射线式分析仪器如X射线分析仪，射线分析仪，同位素分析仪等；–色谱分析仪器如气相色谱仪等；–电子光学和离子光学式分析仪器如电子探针、质谱仪、离子探针等；–物性测量仪器如水分计、粘度计、湿度计、密度计、电导率测量仪等。7.1成分分析仪器1.成分分析仪器的基本组成2.取样装置3.预处理系统4.分离装置5.检测器或检测系统6.信号处理系统7.显示环节7.1.3成分分析仪器的组成7.1成分分析仪器1.成分分析仪器的基本组成2.取样装置图7-1成分分析仪器的基本组成框图任务：将待分析的样品引入到成分分析仪器根据被分析的对象不同，样品可分为气体、液体、熔融金属、固体散状物料等几种情况。过程分析仪器大多为气体分析仪器，如果样品为液体也往往使它气化。7.1成分分析仪器对于过程取样装置：–首先要求能够承受生产过程的恶劣条件；–其次对于所取的样品，应有代表性，没有被测量组分的损失；–再次不应与待分析样品中任何组分起化学反应，以防止失真。在取样装置设计时，应注意取样点选取、取样探头及探头清洗几个方面。取样点选择应满足下列要求：–①能正确地反应被测组分变化的地点；7.1成分分析仪器–②不存在泄漏；–③试样含尘雾容量少，不致发生堵塞现象；–④试样不处于化学反应过程中。•探头的功能：-直接与被测物流接触取得试样，并初步净化试样。•要求：-探头有足够的机械强度，-不与试样起化学反应和催化作用，-不造成过大的取样滞后，-易于安装、清洗。7.1成分分析仪器图7-2敞开式探头结构7.1成分分析仪器探头清洗–有些分析仪器的探头或检测元件经常被介质中污染物污染，导致探头或检测元件反应迟钝，需要定期清洗。–清洗时，先用阀门将探头或检测元件与工艺流程隔离，自动清洗装置采用增压的流体喷射，或加热、化学法及超声波清洗。3.预处理系统预处理是针对过程分析仪器而言的。预处理的任务是将取样装置从生产过程中提取的样品加工处理，以满足检测器对样品状态的要求。如除尘、除湿、过滤有害物质、稳压稳流调节、流路及管线的合理布局等。7.1成分分析仪器4.分离装置在成分分析仪器中，分离是进行定性或定量分析的基本手段之一。例如在气相色谱仪中，待分析的气样在载气（输送样品的气体）带动下进入充有吸附剂的色谱柱时，各组分经过连续地分配、吸附及吸收作用，便可被分离成单一的组分，此后各组分依次通过检测器即可实现多组分气体的含量分析。5.检测器或检测系统检测器是成分分析仪器的核心部分，它能够把待分析的含量信息转变成相应的输出信号，输出信号大多数是电参数。7.1成分分析仪器6.信号处理系统由于检测器输出的信号多数是电信号，所以信号处理系统也是以电信号处理为主。检测器输出的信号一般是很微弱的，所以信号处理系统一般都包括放大环节和一些运算环节等。7.显示环节显示环节主要是显示成分分析的最终结果。显示装置有模拟显示装置、数字显示装置、图像显示装置等。7.1成分分析仪器主要性能指标有：–灵敏度、精度、重复性、噪声、线性范围、选择性、分辨力和响应时间等。成分分析仪器的各项性能指标，除选择性和分辨力外，与其它仪器相似。选择性和分辨力是表示仪器区分特性相近组分的能力，选择性一般用于单组分成分分析仪器，分辨力多用于多组分成分分析仪器，分辨力的问题比较复杂，往往不同仪器表示形式也不同。7.1.4成分分析仪器的主要性能指标7.1成分分析仪器选择性问题选择性的好坏一般用选择系数k来表示mkk（7-1)式中，Δφk——干扰组分的含量变化；Δφm——与干扰组分等价的待测组分含量变化。这里所说的等价是指仪器的输出信号而言，即Δφk和Δφm可以引起仪器有同样的大小输出。很明显，一台仪器的选择性系数越大，仪器的区分能就越强。7.2热导式气体分析仪7.2.1热导式气体分析仪器的基本原理7.2.2热导式气体分析仪器的检测器7.2.3热导式气体分析仪器的检测桥路7.2.1.1气体的导热系数7.2.1.2用导热原理分析气体成分的条件7.2.2.1检测器的工作原理7.2.2.2热导池的结构7.2.3.1单臂与双臂测量电桥7.2.3.2双电桥测量电路7.2热导式气体分析仪对于多组分气体，由于组分含量不同，混合气体导热能力将会发生变化。根据混合气体导热能力的差异，就可以实现气体组分的含量分析。根据传热学理论，在温场中的介质传导的热流量:7.2.1热导式气体分析仪器的基本原理dSdndtdQ(7-2)通过介质微元等温面传导的热流量，不仅与等温面处温度、梯度有关，而且与介质的导热系数成正比。导热系数标志着物质的导热能力。7.2热导式气体分析仪)1(0t•对于不同的介质，导热系数的大小是不同的。•固体和液体的导热系数较大，气体的导热系数较小。•气体的导热系数通常与温度有关。当温度升高时，分子运动加剧，导热系数随之增大。导热系数与温度的关系可近似写成：（7-3）β——介质导热系数的温度系数由所含组分气体的导热系数共同决定的。对于彼此之间无相互作用的多组分气体，其导热系数可近似地认为是各组分导热系7.2.1.1气体的导热系数7.2热导式气体分析仪数按组成含量的加权平均值，即niiimC1根据混合气体导热系数与各组分导热系数之间的关系，就可以实现多组分气体的含量分析。（7-4）严格地讲，热导式气体成分分析仪只能解决双组分气体的含量分析，此时式（8.2.3）的具体形式为：7.2热导式气体分析仪由于C1+C2=100%2211CCm)1(1211CCm严格地讲，热导式气体成分分析仪只能解决双组分气体的含量分析，此时式（7-2-2）的具体形式为：（7-5）（7-6）只要测出混合气体的导热系数，就可以根据两组分的导热系数求得待测组分的含量。2121mC7.2热导式气体分析仪仪器的灵敏度与两个组分导热系数之差成正比，即两组分导热系数相差越大，仪器的灵敏度就越高。211dCdm（7-7）对（7-6）微分，得：•对于烟气和大多数多组分混合气体，各组分之间满足：7.2.1.2用导热原理分析气体成分的条件7.2热导式气体分析仪–（1）除待分析的组分外，其余组分的导热系数相等或接近，即接近的程度越高，仪器的测量精度越高。若个别气体的值与其它背景气体的值相差较远时，则被视为干扰成分，在分析之前要去掉。–（2）待分析组分与其余组分的导热系数相差很大，以保证仪器有较高的灵敏度。7.2热导式气体分析仪热导式气体分析器是通过对混合气体的导热系数的测量来分析待测气体组分含量。由于导热系数值很小，并且直接测量气体的导热系数比较困难，所以热导式气体分析器将导热系数测量转换为电阻的测量，即利用热导式气体分析器内检测器的转换作用，将混合气体中待测组分含量C变化所引起混合气体总的导热系数的变化转换为电阻R的变化。检测器通称为热导池。7.2.2热导式气体分析仪器的检测器7.2.2.1检测器的工作原理7.2热导式气体分析仪1-腔体；2-电阻丝；3-支承架；4-绝缘；5-引线；6-气体出口；7-气体入口图7-3检测器结构示意图此热流量一方面使电阻元件本身温度升高，另一方面也向周围散失。电阻元件向外散失的热量主要是靠热导池内气体的导热。当通过电阻元件的电流，气体成分以及热导池壁面温度一定时，电阻元件温度上升到某一数值后，便会出现电源供给的热量与气体的导热量相平衡的情况，以后电阻元件的温度以及热导池内的温场分布都将保持不变。热平衡时热导池内的温场为一系列同轴圆柱等温面。7.2热导式气体分析仪RIdQ2当电阻元件通过电流I时，电阻吸收的功率将全部转换成热量：（7-8）7.2热导式气体分析仪SdrdtdQ对于半径为r的等温面，单位时间气体的导热量为：（7-9）热平衡时各等温面的导热量相当，dQ值与r无关，则式变为：rdrldQdt2（7-10）CrldQttln2)1(0（7-11）7.2热导式气体分析仪对于热导池壁，当r=rc时，t=tc，代入上式可得积分常数C为：式中，λ0——混合气体在0℃时的导热系数；β——混合气体导热系数的温度系数；cccrldQttCln2)1(0（7-12）式中，rc——热导池内壁半径。•假定电阻丝r=rw表面处的温度t=tw：)(cwmttKdQ（7-13）7.2热导式气体分析仪式中，λm——混合气体的平均导热系数；K——与热导池尺寸有关的常数，称为热导池常数。)(10cwwcmttttwcrrlKln2（7-14）（7-15）电阻丝的阻值是温度的函数:)1(0wtRR（7-16）7.2热导式气体分析仪mcKRItRR0201)1(热导式气体分析仪热导池的特性方程:（7-17）•当电阻丝通过的电流I和热导池的壁面温度tc固定时，•电阻丝的阻值只与分析气体的导热系数有关。•测量电阻丝阻值，便可对多组分气体待测组分的含量分析.7.2热导式气体分析仪7.2.2.2热导池的结构图7-4热导池的四种结构型式（a）单臂对流式（b）双臂分流式（c）单臂扩散式（d）单臂对流扩散式7.2热导式气体分析仪图7-5电阻丝的结构及支撑方法7.2热导式气体分析仪影响热导池特性的因素–（1）电阻丝的参数–（2）工作电流–（3）腔壁温度的影响–（4）其它散热的影响7.2热导式气体分析仪（1）电阻丝的参数电阻丝的初始电阻R0，电阻丝材料的电阻温度系数的数值及其稳定性，对检测器的灵敏度和精度都有很大的影响。一般R0的数值取大一些有利于灵敏度的提高。增大R0的方法有两个：–增大电阻丝的长径比，–选用电阻率大的材料。7.2热导式气体分析仪（2）工作电流–工作电流I的大小与电阻丝阻值R的关系很大，电流的大小及稳定性将严重影响仪器的性能。–一般在热导式分析仪器中都有保持电流恒定的稳流装置，电流值应与电阻丝的阻值R0统一考虑，以保证热导池供给的热量符合工作要求。7.2热导式气体分析仪（3）腔壁温度的影响腔壁温度的变化会直接影响测量精度。解决的办法有两种，–采用差值法（或称比较测量法），它是在同一块金属中加工两个参数完全一致的热导池，其中一个通入待分析气体，作为工作热导池；–通过（或封入）组分固定的参比气体，作为参比热导池。由于两个热导池经受大体相同的环境温度影响，当线路上采用差值测量时，二者所受温度的影响可以相互抵消。这种方法比较简单，在要求不高的场合可以使用。另一种方法是采用恒温法，把工作热导池和参比热导池都放在一个恒温装置中