第2章第六节成分

第六节过程成分检测

概述目的是分析各种混合物中各组分的含量或其中某一组分的含量成分的检测特点：和温度、压力不一样，一般有一个取样系统，取出被测样品，由过滤器，分离装置，冷却器和抽吸设备等组成成分分析仪表的组成框图采样装置预处理系统成分分析仪表的组成框图采样系统传感器信号放大和处理单元显示单元控制单元过程成分检测过程成分检测按测量原理分类:电化学式:工业酸度计、工业电导率热学式：热导式气体分析仪磁学式：磁性氧分析仪光学式：吸收式光学分析仪、发射式光学分析仪射线式：x射线分析仪、γ射线分析仪在线分析仪表

热导式气体分析仪热导式气体分析仪的检测原理热导式气体分析仪是通过测量混合气体热导率的变化量来实现被测组分浓度测量的。什么是热导率？表示物质的导热能力。热导式气体分析仪的检测原理相对热导率：气体热导率的绝对值很小，而且基本在同一数量级内，彼此相差并不悬殊，因此工程上通常用相对热导率来表示。即：各种气体的热导率与相同条件下空气热导率的比值。各种气体在0℃时的热导率和相对热导率（见下图）热导式气体分析仪的检测原理气体名称 热导率λ0 相对热导率λ0/λA0空气

5.83

1.000氢H2

41.60

7.150氮N2

5.81

0.996氧O2

5.89

1.013氖Ne

11.10

1.900氩Ar

3.98

0.684氪Kr

2.12

0.363氯Cl2

1.88

0.328氨NH335.20

0.890一氧化碳CO 5.63

0.960二氧化碳CO2 3.50

0.605二氧化硫SO2 2.40

0.350硫化氢H2S 3.14

0.538二硫化碳C2S 3.70

0.285甲烷CH4 7.12

1.250乙烷C2H6 4.36

0.750乙烯C2H6 4.19

0.720乙炔C2H2 4.53

0.777热导式气体分析仪的检测原理待测混合气体必须满足哪些条件，才能用热导式分析仪进行分析？设各组分的体积分数分别为C1、C2、C3、…、Cn，热导率分别为λ1、λ2、λ3、…、λn，待测组分的含量和热导率为C1、λ1。则必须满足以下两个条件，才能用热导式分析仪进行测量。（1）背景气各组分的热导率必须近视相等或十分接近。即λ1≈λ2≈λ3≈…≈λn（2）待测组分的热导率与背景气组分的热导率有明显差异，且越大越好.热导式气体分析仪的检测原理满足上述两个条件时：λ=（λiCi）=λ1C1+λ2C2+λ3C3+…+λnCn

≈λ1C1+λ2(1-C1)可得C1=（λ-λ2）/（λ1-λ2）上式说明，测得混合气体的热导率λ，就可以求得待测组分的含量C1。注意：1）混合气体中除待测组分外，其余各组分的λ应相同或相近，否则要进行预处理；2）待测组分的λ与其余各组分的λ的差别越大，灵敏度越高；3）同一种气体在不同温度下，其λ是变化的，随温度的升高而增大。所以需要保持恒定的温度。热导式气体分析仪由于气体的热导率很小，变化量更小，所以很难用直接方法准确测量出来。工业上多采用间接的方法，即通过热导检测器（又称热导池），把混合气体热导率的变化转化为热敏元件电阻的变化，电阻值的变化是比较容易精确测量出来的。热导池工作原理示意图把一根电阻率较大的而且温度系数也较大的电阻丝，张紧悬吊在一个导热性能良好的圆筒形金属壳体的中心，在壳体的两端有气体的进出口，圆筒内充满待测气体，电阻丝上通以恒定的电流加热。0℃时的电阻值为R0，通过电流I后，电阻丝产生热量并向四周散射，由于气体流量很小，气体带走的热量可忽略。热量主要是通过气体传向气室壁。设气室壁温度tc恒定（一般都设置有恒温装置），电阻丝达到热平衡时的温度为tn，电阻丝通以恒定电流I0，则电阻丝的散热为

rn为电阻丝的半径，rc为气室的内半径电阻丝产生的热量为：电阻丝阻值与温度的关系为：

热导式气体分析仪热导式气体分析仪特性方程：热平衡时，电流I0通过电阻丝所产生的热量和电阻丝通过气体传导散失的热量相等，即Q＝Q′。如果混合气体的导热系数λ愈大，其散热条件愈好，热平衡时的温度tn也愈小，反之，λ愈小，Rn愈大，从而通过电阻的变化测量导热系数Rn=f(1/λ)电阻Rn的测量可通过电桥实现热导式气体分析仪热导检测器的结构

池体：一般用不锈钢制成。

热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。

参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。

测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。

钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值：

R参=R测

;R1=R2

则：R参·R2=R测·R1

无电压信号输出；记录仪走直线（基线）。

进样后，载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参≠R测

则：R参·R2≠R测·R1这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。检测原理平衡电桥，右图。热导式气体分析仪氧化锆氧量计氧化锆氧量计主要用于锅炉的氧量分析，对烟气的含氧量做出准确的判断仪器由检测器(又称氧化锆探头)，变送器(又称氧量表)两部份组成。

按检测方式的不同，氧化锆氧探头分为两大类：直插式氧探头及采样检测式氧探头

氧化锆氧量计一、直插检测式氧探头直插式检测是将氧化锆直接插入高温被测气体，直接检测气体中的氧含量，这种检测方式适宜被检测气体温度在700℃～1150℃时（特殊结构还可以用于1400℃的高温），它利用被测气体的高温使氧化锆达到工作温度。氧化锆氧量计二、采样检测式氧探头采样检测方式是通过导引管，将被测气体导入氧化锆检测室，再通过加热元件把氧化锆加热到工作温度（750℃以上）。氧化锆一般采用管状，电极采用多孔铂电极。优点是不受检测气体温度的影响，通过采用不同的导流管可以检测各种温度气体中的氧含量，这种灵活性被运用在许多工业在线检测上。缺点是反应时间慢；结构复杂，容易影响检测精度；在被检测气体杂质较多时，采样管容易堵塞；多孔铂电极容易受到气体中的硫，砷等的腐蚀以及细小粉尘的堵塞而失效；加热器一般用电炉丝加热，寿命不长。氧化锆氧量计工作原理利用氧化锆固态电解质作传感器，测量混合物气体中氧气的含量氧化锆（ZrO2）是一种陶瓷固体电解质，在高温下有良好的离子导电特性。作为氧含量检测用的氧化锆一般都掺入一定量（通常15%）的化学CaO（也可以Y2O2）作为稳定剂，经高温焙烧后则形成稳定的晶体。氧化锆氧量计如果在一块氧化锆（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在一定温度下，当电解质两侧氧浓度不同时，高浓度侧的氧分子被吸附在铂电极上与电子（4e）结合形成氧离子O2-，使该电极带正电，O2-离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧的Pt电极上放出电子，转化成氧分子，使该电极带负电。氧化锆氧量计在电池的正极：在电池的负极：电池反应：浓差电势的大小可由能斯特公式决定：pR为参比气体氧分压，一般用空气作参比气体，则pR＝21000Pa（视地区环境不同）px为被测气体氧分压；R-理想气体常数、T-电池温度；n-迁移一个氧分子的电子数；F-法拉第常数氧化锆氧量计氧化锆探头和变送器在氧化锆检测器中，最重要的是控制氧化锆的工作温度：一般检测器中均有恒温控制装置，以保证氧化锆工作在恒定的温度；另一方面，还要选取合适的温度值。氧化锆探头氧化锆探头结构1-氧化锆管、2-内外铂电极、3-电极引线、4-氧化铝管、5-热电偶、6-加热电丝、7-陶瓷过滤器直插定温抽气式氧化锆氧量计

热磁检测技术1.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。J:磁化强度矢量

χ介质磁化率H外磁场强度1、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2、磁化率随温度升高而降低等热磁效应检测气体组分的含量。已知互不发生化学反应的多组分混合气体的磁化率等于各气体磁化率与浓度乘积之和，氧气的磁化率远大于其它气体，所以混合气体的磁化率可近似为χ1氧气磁化率c1氧气浓度热磁式气体分析仪的工作原理待测组分（氧气）较混合气体中其它组分的磁化率大得多；随温度的升高，气体的磁化率将迅速下降；在满足第一个条件的情况下，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红外式气体分析仪气体对红外线的吸收红外线气体成分检测主要是利用红外线的吸收性质。归纳起来具有以下特点：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在某些特定的波长下对红外线有强烈的吸收气体吸收了红外线辐射以后，温度升高使压力（体积）增加气体对红外线的吸收遵循朗伯—比尔定律，即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气体吸收了红外线辐射以后，温度升高使压力（体积）增加气体对红外线的吸收遵循朗伯—比尔定律，即

检测原理下面我们以CO2红外线气体成分检测器的工作原理。它是双光束测量系统，灯丝通电后发出两束强度几乎相等的红外线，波长一般在3～10μm，灯丝一般采用镍铬合金丝。光路中装有切光片，可连续遮段光源简便起见，首先讨论切光片不动，并且没有遮断光路的情况。一束红外线经过参比室，到达检测器的左气室；另一束经过工作气室，到达检测器的右气室，检测器中间用一张铝箔和它旁边的铝合金柱体构成一个电容器，其中铝箔为动极，柱体作定极由于样气中气体浓度的变化而引起的检测器气室内温度或压力的变化极小，铝箔的位移为10－2μm，相应的C变化也极小的，因此要直接正确地测量C改变量极为困难。为此在红外线气体分析器上在光源后面加了一个切光片。使进入参比气室和工作气室的红外线成为两束同步的断续红外辐射,这种作用称为调制假设被测气体中只有待测组分吸收特定波长的红外线。如果其他组分也对红外线有吸收，则情况就不一样了背景气体吸收的红外光波长与待测气体的不一样背景气体吸收的红外线波长与待测气体有部分重叠色谱仪前面的成分分析方法只能自动连续地分析混合气体中某一组分的含量色谱仪是一种能对混合物进行全面分析，能鉴定混合物是由哪些组分组成，并能测出各组分的含量。因此这种仪器得到广泛的应用。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及测量值的大小可确定混合物的组成以及各组分的浓度。固定相对某一组分的吸收能力越强，则流出柱口的时间越慢，如果在柱的出口处安装一个检测器，测出各组分的浓度，就可以得到一个色谱图。模型演示色谱法根据固定相和流动相的不同，可分为：气液色谱气固色谱液液色谱液固色谱气相色谱（流动相为气体）液相色谱（流动相为液体）气相色谱柱液相色谱柱色谱图色谱图是色谱定性定量分析的基础色谱图的术语基