自动化检测仪表第9讲

1、 自动检测技术及仪表控制系统第二编过程参数检测技术第二编过程参数检测技术4.温度检测5.压力检测6.流量检测7.物位检测8.机械量检测9.成分分析仪表9.9.成分分析仪表成分分析仪表9.1 9.1 成分分析方法及分析系统的构成成分分析方法及分析系统的构成9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.3 9.3 湿度的检测湿度的检测9.1 9.1 成分分析方法及分析系统的构成成分分析方法及分析系统的构成9.1.1 9.1.1 成分分析方法及分类成分分析方法及分类成分分析方法有两种：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一，定期取样，通过实验室测定的实验室

2、分析方法；方法； 二，利用可以连续测定被测物质的含量或性质二，利用可以连续测定被测物质的含量或性质的自动化仪表；的自动化仪表；9.1 9.1 成分分析方法及分析系统的构成成分分析方法及分析系统的构成成分仪表的型式：电化学式，如电导式、电量式、电位式、酸度计等；热学式，如热导式、热谱式、热化学式等；磁学式，如磁式氧分析器、核磁共振分析仪等；射线式，射线分析仪、同位素分析仪等；光学式，如红外、紫外等吸收式光学分析仪，光散射等；9.1 9.1 成分分析方法及分析系统的构成成分分析方法及分析系统的构成电子光学式和离子光学式，如电子探针、离子探针等；色谱式，如气相色谱仪、液相色谱仪等；物性测量仪表，如水

3、分计、黏度计、密度计、湿度计等；其他，如晶体振荡式分析仪、半导体气敏传感器等。9.1 9.1 成分分析方法及分析系统的构成成分分析方法及分析系统的构成9.1.2 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：9.1 9.1 成分分析方法及分析系统的构成成分分析方法及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

4、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。9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2.1 9.2.1 热导式气体分析器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；析器件；用途：常用于分析混合气体中用途：常用于分析混合气体中 等组分的百分含量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同，即各有不同的导热系数2232HCONHSO、9.2 9.2

5、几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2.1 9.2.1 热导式气体分析器热导式气体分析器 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：11221nnniiiCCCC2112C12121nCCC9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表实际测量时，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9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表热导池常用结构： 对流

6、扩撒式结构 热导式分析仪表常用桥式测量电路9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2.2 9.2.2 红外线气体分析器红外线气体分析器 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、选特点是：测量范围宽、灵敏度高、反应速度快、选择性好。择性好。 常用于连续分析混合气体中常用于连续分析混合气体中 气体的浓度。气体的浓度。243COCONH、C H 、9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表利用不同气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的利用不同气体对不同波长的红外线具有选

7、择性吸收的特性进行分析。红外线气体分析器主要利用特性进行分析。红外线气体分析器主要利用225um225um之间的一段红外光谱。之间的一段红外光谱。9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表红外线气体分析器一般由红外辐射源、测量气样室、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红外探测装置等组成。从红外光源发出强度为 的的平行红外线，被测组分选择吸收其特征波长的辐射平行红外线，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能，红外线强度将减弱为I I：测量红外线的透过强度就可以确定被测组分浓度的大测量红外线的透过强度就可以确定

8、被测组分浓度的大小。小。0I0KCLII e9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表工业用红外线气体分析器有非色散型和色散型两种。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：一种时间双光路红外线气体分析器的组成框图：9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2.3 氧化锆分析器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杂的

9、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。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，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。称为浓差电势。9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2.3 氧化锆分析器氧化锆分析器氧浓差电池原理：氧浓差电池原理： 左侧为被测气体，右侧左侧为被测气体，右侧 是参考气体。是参考气体。9.2 9.2

10、几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2.3 氧化锆分析器氧化锆分析器氧化锆分析器的安装方式：氧化锆分析器的安装方式：9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2.3 氧化锆分析器氧化锆分析器氧化锆分析器的安装方式：氧化锆分析器的安装方式：9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2.3 氧化锆分析器氧化锆分析器氧化锆分析器正常工作的必要条件：氧化锆分析器正常工作的必要条件： 工作温度恒定工作温度恒定 必须要有参比气体必须要有参比气体 参比气体与被测气体压力应该相等参比气体与被测气体压力应该相等9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业

11、用成分分析仪表9.2.4 9.2.4 气相色谱仪气相色谱仪色谱分析仪器是一种高效、快速、灵敏的物理式分色谱分析仪器是一种高效、快速、灵敏的物理式分析仪表。析仪表。包括分离和分析两个技术环节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。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量的分析9.2 9.2

12、 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2.4 9.2.4 气相色谱仪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成的体系即色谱柱中具有不同的分配系数而进行分离。离。色谱柱有两大类，一类是填充色谱柱，是将固体吸色谱柱有两大类，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。柱，都是将固定液附着在管壁上

13、形成。被分析的试样由载气带入色谱柱，载气在固定相上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，从而实现了各组分载气带出的先后次序也就不同，从而实现了各组分的分离。的分离。9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2.4 9.2.4 气相色谱仪气相色谱仪混合物在色谱柱中的分离过程混合物在色谱柱中的分离过程9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2.4

14、 9.2.4 气相色谱仪气相色谱仪两个组分两个组分A A和和B B的混合物经过一定长度的色谱柱后，将逐渐分的混合物经过一定长度的色谱柱后，将逐渐分离，离，A A、B B组分在不同的时间流出色谱柱，并先后进入检测器，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。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。从进各组分从色谱柱流出的

15、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，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。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。已知浓度试样进行标定后，可以做定量分析。9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表色谱仪的基本流程色谱仪的基本

16、流程9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表一种工业用气相色谱仪系统框图：9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表一种微型气相色谱仪的结构图一种微型气相色谱仪的结构图9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2.5 9.2.5 半导体气敏传感器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

17、号响应的线性范围窄，故一般只用的响应，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。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，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。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。分为电阻型和非电阻型两类。 9.2.5 9.2.5 半导体气敏传感器半导体气敏传感器9.2.5.1 9.2.5.1 电阻型半导体气敏传感器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，将引起利用气体在半导体表面的氧

18、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。件电阻值变化的原理。当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到n n型半导体，还原型气体吸附到型半导体，还原型气体吸附到p p型半导体时，会使半导体载流子减少，敏感元件型半导体时，会使半导体载流子减少，敏感元件电阻值将增大。电阻值将增大。当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到n n型半导体，氧化型气体吸附到型半导体，氧化型气体吸附到p p型半导体时，使载流子增多，敏感元件电阻值则型半导体时，使载流子增多，敏感元件电阻值则减小。减小。9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用

19、成分分析仪表 9.2.5.1 9.2.5.1 电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 N型半导体气敏元件阻值变化图9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2.5.1 9.2.5.1 电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器几种半导体气敏元件的典型结构9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表 9.2.5.1 9.2.5.1 电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 在气敏材料中添加铂或钯等作为催化剂，可以提高气敏元件的灵敏度以及对气体的选择性。 添加催化剂前灵 敏度特性2SnO9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表

20、9.2.5.1 9.2.5.1 电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 添加催化剂后灵敏度特性2SnO9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表 9.2.5.2 非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器 利用MOS二极管的电容-电压特性变化和MOS场效应管的阈值电压的变化等性质制成。采用特定的材料可以使器件对某些气体敏感。9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表 9.2.5.2 非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器 图示结构的MOS场效应对氢气敏感9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表MOS场效应管的灵敏度曲

21、线 9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2.6 9.2.6 工业酸度计工业酸度计 工业酸度计属于电化学分析方法，用来在线测量工业酸度计属于电化学分析方法，用来在线测量溶液的酸碱度。溶液的酸碱度。 溶液的酸碱性可以用氢离子浓度溶液的酸碱性可以用氢离子浓度H H的大小来的大小来表示。由于溶液中氢离子浓度的绝对值很小，一表示。由于溶液中氢离子浓度的绝对值很小，一般采用般采用pHpH值来表示溶液的酸碱度，定义为值来表示溶液的酸碱度，定义为pH=-pH=-lgH+lgH+，与之相应有：，与之相应有： pHpH为中性溶液，为中性溶液，pHpH为碱性溶液，为碱性溶液，pHpH为酸

22、性溶液为酸性溶液9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表pHpH值的检测采用电位测量法。根据电化学原理，任值的检测采用电位测量法。根据电化学原理，任何一种金属插入导电溶液中，在金属与溶液之间将何一种金属插入导电溶液中，在金属与溶液之间将产生电极电势，此电极电势与金属和溶液的性质，产生电极电势，此电极电势与金属和溶液的性质，以及溶液的浓度和温度有关。以及溶液的浓度和温度有关。测量测量pHpH值一般使用参比电极和测量电极以及被测溶值一般使用参比电极和测量电极以及被测溶液共同组成的狆犎测量电池。参比电极的电极电位液共同组

23、成的狆犎测量电池。参比电极的电极电位是一个固定的常数，测量电极的电极电位则随溶液是一个固定的常数，测量电极的电极电位则随溶液氢离子浓度而变化。电池的电动势为参比电极与测氢离子浓度而变化。电池的电动势为参比电极与测量电极间电极电位的差值，其大小代表溶液中的氢量电极间电极电位的差值，其大小代表溶液中的氢离子浓度。将参比电极和工作电极插入被测溶液中离子浓度。将参比电极和工作电极插入被测溶液中（6）工业酸度计 工业用酸度计结构： 甘汞电极结构 银-氯化银结构 玻璃结构9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表 溶液pH值与总电势的关系： 9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表 总电势随温度变化的特性： 9.2 9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（1）湿度的表示方法及检查特点 湿度的表示方法 湿度可用绝对湿度和相对湿度两种方法来表示：绝对湿度是指单位体积湿气体中所含的水汽质量数；相对湿度是单位体积湿气体中所含的水汽质量与在相同条件下饱和水汽质量之比，用百分数表示。9.3 9.3 湿度的检测湿度的检测