第八章 成分分析与物性检测

第八章成分分析与物性检测2023/5/41第1页，共99页，2023年，2月20日，星期三第一节气体成分的分析与检测一、热导式气体分析仪

2023/5/42第2页，共99页，2023年，2月20日，星期三第一节气体成分的分析与检测热导式气体分析仪结构

2023/5/43第3页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/44第4页，共99页，2023年，2月20日，星期三三、影响热导检测器灵敏度的因素①桥路电流I

：I，钨丝的温度，钨丝与池体之间的温差，有利于热传导，检测器灵敏度提高。检测器的响应值S∝I3，但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高时，还可能造成钨丝烧坏。②热导室周围温度：热导室周围温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高。2023/5/45第5页，共99页，2023年，2月20日，星期三某些气体与蒸气的热导系数(λ)如下表，单位：J/cm·℃·s③载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。氦气也具有较大的热导系数，但价格较高。2023/5/46第6页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/47第7页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/48第8页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/49第9页，共99页，2023年，2月20日，星期三氧化锆氧量分析仪2023/5/410第10页，共99页，2023年，2月20日，星期三氧分析仪主要性能指标2023/5/411第11页，共99页，2023年，2月20日，星期三

2345678波长mCOSO2CO2COSO2SO2吸收率(%)100红外线气体分析仪2023/5/412第12页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/413第13页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/414第14页，共99页，2023年，2月20日，星期三2、环境监测3、医学成分分析仪应用领域1、发酵工业(食品)2023/5/415第15页，共99页，2023年，2月20日，星期三血糖－乳酸测定流程体育上耐力训练2023/5/416第16页，共99页，2023年，2月20日，星期三德国研发的环境废水BOD分析仪2023/5/417第17页，共99页，2023年，2月20日，星期三手掌型葡萄糖(glucose)分析仪2023/5/418第18页，共99页，2023年，2月20日，星期三工厂发酵车间化验员正在分析样品发酵工厂谷氨酸-葡萄糖分析2023/5/419第19页，共99页，2023年，2月20日，星期三半导体气敏传感器气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。如生活环境中一氧化碳浓度达0.8～1.15ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。酒精传感器二氧化碳传感器20五、可燃性气体的检测2023/5/420第20页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/421第21页，共99页，2023年，2月20日，星期三22气敏器件主要特性P151图8－92023/5/422第22页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/423第23页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/424第24页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/425第25页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/426第26页，共99页，2023年，2月20日，星期三半导体气敏传感器

27酒精传感器2023/5/427第27页，共99页，2023年，2月20日，星期三酒精测试仪呼气管2023/5/428第28页，共99页，2023年，2月20日，星期三半导体气敏传感器应用燃气报警器烟雾报警器

2023/5/429第29页，共99页，2023年，2月20日，星期三家庭用煤气报警器2023/5/430第30页，共99页，2023年，2月20日，星期三家庭用液化气报警器2023/5/431第31页，共99页，2023年，2月20日，星期三一氧化碳传感器2023/5/432第32页，共99页，2023年，2月20日，星期三酒精传感器半导体气敏传感器2023/5/433第33页，共99页，2023年，2月20日，星期三其他气体传感器NH3传感器甲烷传感器2023/5/434第34页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/435第35页，共99页，2023年，2月20日，星期三二氧化碳传感器CO2传感器是一种电化学气体传感器，这种传感器是在离子选择性电极基础上发展起来的。它是利用气敏电极或气体扩散电极测量混合气体中或溶解在溶液中某种气体的含量。2023/5/436第36页，共99页，2023年，2月20日，星期三二氧化碳传感器氢离子指示电极参比电极碳酸氢钠溶液疏水性的微孔气体渗透膜2023/5/437第37页，共99页，2023年，2月20日，星期三当该气敏电极插入含有CO2溶液中时，由于二氧化碳与水的作用生成HCO3-从而影响了碳酸氢钠的电离平衡，只要测出氢离子指示电极与参比电极间的组成的原电池的电动势，就能计算出二氧化碳的分压。二氧化碳传感器2023/5/438第38页，共99页，2023年，2月20日，星期三二氧化碳传感器在上式中，由于碳酸氢根的浓度很高，可视为常数。所以，可以写为由此可见，中间溶液中的氢离子活度与二氧化碳的分压成正比。故用PH玻璃电极指示氢离子活度，其膜电位为测出电池电动势E，就可以计算溶液中二氧化碳的含量2023/5/439第39页，共99页，2023年，2月20日，星期三

设有一束红外线入射强度为I0,经过浓度为C的气体后，透射的红外线的强度为I,根据比尔-朗伯定律： 式中k------被测气体对红外辐射的吸收系数

C------被测气体的浓度

l------通过气样的光程长度 射入某种气体的外来辐射能，只有其频率符合该气体分子的特征频率时，气体才能吸收此辐射能。两束等能量的红外光分别进入并行的两个光学器件。一个通入参考气体，另一个通入采样气体。检测器可连续测量两个气室中所吸收的红外光能量的差别，这个差别就是采样气体中待测气体成分的浓度。检测器信号调节电路SampleinSampleout红外光源2023/5/440第40页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/441第41页，共99页，2023年，2月20日，星期三按国标规定，探测器输入24V直流电压。桥式倒相电路的优点在于接入电源时不必分正负端，可以随意接入电压的两根线，而输出是有确定极性的＋E电压，给施工安装带来很大方便。图5倒相电路2023/5/442第42页，共99页，2023年，2月20日，星期三上电后，Q1、Q2均处于导通状态，形成I4电流对C2充电。由于R1和R2阻值的选择使I4电流较小，C2取值又较大，所以B点电位缓慢上升。此时，Z1处于不稳压状态，I2很小。由于Q2导通，A点电位随B点电位上升而上升。当A点电位上升到Z1管的稳压值附近时，Z1管的动态电阻增大，I2电流突然增大。在这瞬间，I1电流基本稳定，这样I3电流相应减小，Q1、Q2相继截止，C2开始放电。经过一段时间后，B点电位下降，当B点电位降到一定值时，Q1、Q2又重新导通，I3逐渐增大，I2减小，使Z1管又处于不稳压状态。

如此周而复始，Z1管间隙工作在稳压点附近。B点电位虽略有起伏，但还是较为稳定。B点电压波形见图7。图6稳压、限流电路2023/5/443第43页，共99页，2023年，2月20日，星期三图7B点波形图2023/5/444第44页，共99页，2023年，2月20日，星期三由NPN型Q3管，PNP型Q4管与阻容反馈支路C3、R4构成一个无稳态振荡电路。当B点电位达到某一值时，通过偏置电阻R3使Q3导通，从而在R4上建立偏置电压，高速开关管Q4迅速导通，C点电位升高。从C点流出I5、I6电流，I6用于驱动接收放大电路，I5则通过阻容正反馈回路C3、R4流入Q3的基极，巩固Q3的导通。

当C3充电到一定值时，将D点电位下拉，Q3截止，Q4也相应截止。当B点电位又上升到某一值时，Q3、Q4继续导通，形成一个无稳态振荡电路。C点电压波形如图9所示。图8振荡电路2023/5/445第45页，共99页，2023年，2月20日，星期三从图中可以看出,在3s低电平期间，电容C2在存储能量，只在100μs内释放能量，从而实现了探测器在正常监视状态下平均工作电流为100μA，呈高阻状态。

我们也曾尝试,采用CMOS时基电路7555取代振荡电路，可以得到图9的波形。但由于该芯片本身有一定静态功耗，另外它没有储存能量的功能，总工作电流为几个mA，不附合技术条件的要求。

图9C点电压波形图2023/5/446第46页，共99页，2023年，2月20日，星期三从图中看出光电转换是由红外接收管PE完成。PE与红外发光管LED相匹配，波长均为900nm。PE由B点供电，一直处于导通状态。LED由F点脉冲供电，所以为间断的。当有烟雾时，PE应该接收到LED的发光信号。对LED采用脉冲供电方式，除省电外，还有抗瞬间尖峰脉冲干扰的作用。

光电管PE接收到信号后送运放A1(3140)的同相端，A1在此作比较器用，A1的反相端接的R10与可调电阻R11，可以根据探测器所需的不同灵敏度调节P点电位。A1输出电压UH直接送抗干扰电路。运放A1的电源也是由F点供给脉冲电压，平均耗电极少，这就是为何μA级电流能驱动工作电流为mA级的器件的原因所在。图10接收放大电路2023/5/447第47页，共99页，2023年，2月20日，星期三2.5抗干扰电路(图11)

A2、A3连成了计数器形式，当连续两次收到接收放大电路输出的正脉冲信号时，Q2输出一个确定的火灾信号，否则认为是干扰而不处理，所以，该电路对瞬时及短时易过性的干扰有较强的抑制作用。

R14、R15、C7组成了一个积分电路，在第一个正脉冲到来后，若没有连续收到第二个正脉冲，则将计数器复位。

A2、A3的电源由B点电压供电。

图11抗干扰电路2023/5/448第48页，共99页，2023年，2月20日，星期三在抗干扰电路未输出正脉冲的火警信号时，可控硅的控制端为低电平，可控硅不导通。当正脉冲到来时，可控硅的控制端为正脉冲触发，可控硅导通，Z3稳压管开始工作，电压E被稳定在7～8V左右，报警电流增至几十mA，探测器呈低阻状态，符合技术条件的要求。

另外，Z4、R17组成的抗干扰电路，这样,低于火警信号电压幅值的干扰信号就不能使可控硅触发。图12报警接口电路2023/5/449第49页，共99页，2023年，2月20日，星期三图13总电路图2023/5/450第50页，共99页，2023年，2月20日，星期三光电感烟火灾探测器总电路图如图13。

1)光电感烟火灾探测器的电路有其自己的特色，它解决了用μA级电流驱动mA级器件工作的难点，在解决其它类似问题上有一定的参考价值。

2)该电路设有抗干扰措施，提高了火灾报警的可靠性。

3)该电路采用的元器件均是市场上通用的，成本低，也适合以后电路集成之用。2023/5/451第51页，共99页，2023年，2月20日，星期三根据探测的火灾信号不同,火灾探测器可分为温度探测器、烟雾探测器、火焰探测器、气体探测器等感烟探测器对潮湿、灰尘多、烟雾多、水蒸气高、化学气体浓密等场合容易引起误报;大量的气体和烟雾常年积在气体采样舱内,减短了探测器的使用寿命、降低了探测器的灵敏度。2023/5/452第52页，共99页，2023年，2月20日，星期三燃烧时放射出来的火焰光按周期变化具有特有的频率。火焰探测器选择火焰光的的比较特殊的频带进行探测。双波长火焰探测器通过过滤器检测火焰特有频率(1～15Hz)作为探测信号;2023/5/453第53页，共99页，2023年，2月20日，星期三2.1感温、感烟、CO气体复合火灾探测器这种复合火灾探测器是将温度传感器、CO传感器和光电感烟传感器有机地结合起来,利用三个传感器同时捕捉火灾发生时各阶段数据,由探测器中的单片机对采集来的信号进行综合计算和智能判断,若符合火灾报警条件则由执行器给出报警信号,否则忽略伴随着烟雾的产生会释放出CO气体,并且CO传感器在一定程度上克服了感烟传感器受到灰尘、水气、油污等粒子的干扰;随着起火的过程,周围环境温度会逐渐升高。因此,利用这三个传感器进行同时探测,可减少误报和漏报的可能性。2023/5/454第54页，共99页，2023年，2月20日，星期三2.2光声气体火灾探测器光声气体火灾探测器是利用光声效应对气体进行分析,原理如图2所示。将被测气体(CO或CO2)通入封闭的盒内,并在盒中放置一个灵敏传声器,单色光经过电机斩波器或其他方式进行强度调制后照射气体。当气体吸收了入射光子后,部分光能量转换为热能,使气体的温度升高,体积膨胀,这些热能表现为气体分子的动能。由于入射光是强度调制的,因此,气体的加热过程相应也是调制的,产生的声波也是调制的。根据光声效应理论,信号强度正比于所吸收的功率,因此,它与入射光强度和单色性有关,也与气体光声盒中的吸收气体的体积分数有关,进而判断是否有火灾发生。这种光声谱技术比传统的光吸收测量具有更高的灵敏度,适合于火灾的早期探测。2023/5/455第55页，共99页，2023年，2月20日，星期三PH值测量PH值的方法很多，主要有化学分析法、试纸法、电位法。现主要介绍电位法测得PH值。2023/5/456第56页，共99页，2023年，2月20日，星期三电位分析法所用的电极被称为原电池。原电池是一个系统，它的作用是使化学反应能量转成为电能。此电池的电压被称为电动势（EMF）。此电动势（EMF）由二个半电池构成。其中一个半电池称作测量电极，它的电位与特定的离子活度有关如；另一个半电池为参比半电池，通常称作参比电极，它一般是测量溶液相通，并且与测量仪表相连。例如，一支电极由一根插在含有银离子的盐溶液中的一根银导线制成，在导线和溶液的界面处，由于金属和盐溶液二种物相中银离子的不同活度，便形成离子的充电过程，并形成一定的电位差。失去电子的银离子进溶液。当没有施加外电流进行反充电，也就是说没有电流的话，这一过程最终会达到一个平衡。在这种平衡状态下存在的电压被称为半电池电位或电极电位。这种（如上所述）由金属和含有此金属离子的溶液组成的电极被称为第一类电极。2023/5/457第57页，共99页，2023年，2月20日，星期三此电位的测量是相对一个电位与盐溶液的成分无关的参比电极进行的。这种具有独立电位的参比电极也被称为第二电极。对于此类电极，金属导线都是覆盖一层此种金属的微溶性盐（如：Ag/AgCL），并且插入含有此种金属盐限离子的电解质溶液中。此时半电池电位或电极电位的大小取决于此种阴离子的活度。此二种电极之间的电压遵循能斯特（NERNST）公式：E=E0+R·T·1naMen·F式中：E—电位E0—电极的标准电压R—气体常数（8.31439焦耳/摩尔和℃）T—开氏绝对温度（例：20℃=273+293开尔文）F—法拉弟常数（96493库化/当量）n—被测离子的化合价（银=1，氢=1）aMe—离子的活度标准氢电极是所有电位测量的参比点。标准氢电极是一根铂丝，用电解的方法镀（涂覆）上氯化铂，并且在四周充入氢气（固定压力为1013hpa）构成的。将此电极浸入在25℃时离子含量为1mol/l溶液中，便形成电化学中所有电位测量所参照的半电池电位或电极电位。其中氢电极做为参比电极在实践中很难实现，于是使用第二类电极做为参比电极。其中最常用的便是银/氯化银电极。该电极通过溶解的AgCl对于氯离子浓度的变化起反应。此参比电极的电极电位通过饱和的kcl贮池（如：3mol/lkcl）来实现恒定。液体或凝胶形式的电解质溶液通过隔膜与被测溶液相连通。利用上述的电极组合—银电极和Ag/AgCl参比电极可以测量胶片冲洗液中的银离子含量。也可以将银电极换成铂或金电极进行氧化还原电位的测量。例如：某种金属离子的氧化阶段。最常用的PH指示电极是玻璃电极。它是一支端部吹成泡状的对于pH敏感的玻璃膜的玻璃管。管内充填有含饱和AgCl的3mol/lkcl缓冲溶液，pH值为7。存在于玻璃膜二面的反映PH值的电位差用Ag/AgCl传导系统，如第二电极，导出。PH复合电极如图（一）此电位差遵循能斯特公式：

E=E0+R·T·1naH3O+n·F

E=59.16mv/25℃perpH式中R和F为常数，n为化合价，每种离子都有其固定的值。对于氢离子来讲，n=1。温度“T”做为变量，在能斯特公式中起很大作用。随着温度的上升，电位值将随之增大。对于每1℃的温度变大，将引起电位0.2mv/perpH变化。用pH值来表示，则每1℃第1pH变化0.0033pH值。这也就是说：对于20~30℃之间和7pH左右的测量来讲，不需要对温度变化进行补偿；而对于温度＞30℃或＜20℃和pH值＞8pH或6pH的应用场合则必须对温度变化进行补偿。2023/5/458第58页，共99页，2023年，2月20日，星期三第二节物性的测量2023/5/459第59页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/460第60页，共99页，2023年，2月20日，星期三PH酸度计的分类：人们根据生产与生活的需要，科学地研究生产了许多型号的酸度计：按测量精度上可分0.2级、0.1级、0.01级或更高精度按仪器体积上分有笔式（迷你型）、便携式、台式还有在线连续监控测量的在线式。第二节物性的测量2023/5/461第61页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/462第62页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/463第63页，共99页，2023年，2月20日，星期三降低温度会产生结露现象。测量露点的仪器2023/5/464第64页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/465第65页，共99页，2023年，2月20日，星期三湿度传感器的分类

2023/5/466第66页，共99页，2023年，2月20日，星期三湿度对电子元件的影响

当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。2023/5/467第67页，共99页，2023年，2月20日，星期三湿敏传感器的种类氯化锂是典型的离子晶体。氯化锂溶液中的Li和Cl是以正、负离子形式存在。当溶液置于一定湿度环境中，若环境相对湿度高，氯化锂将吸收水分而使其电离程度提高，导电能力增强，从而使氯化锂湿敏元件电阻降低；反之，环境相对湿度变低．氯化锂将释放出部分水分而使其电离程度下降，导电能力下降，其电阻上升；所以用氯化锂湿敏元件可实现对相对湿度的测量。氯化锂湿度计原理：2023/5/468第68页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/469第69页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/470第70页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/471第71页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/472第72页，共99页，2023年，2月20日，星期三2023/5/473第73页，共99页，2023年，2月20日，星期三露点传感器外形

2023/5/474第74页，共99页，2023年，2月20日，星期三电子湿度计模块封装后的外形2023/5/475第75页，共99页，2023年，2月20日，星期三电子式温湿度计2023/5/476第76页，共99页，2023年，2月20日，星期三机械式、电子式温湿度计对比2023/5/477第77页，共99页，2023年，2月20日，星期三陶瓷湿度传感器特性曲线

在右图所示的陶瓷湿度传感器特性曲线中，纵坐标的标度有何特点？其电阻率变化约有多少个数量级？2023/5/478第78页，共99页，2023年，2月20日，星期三

用干湿球湿度计测量相对湿度的原理左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉球包裹，并浸没在水槽里。湿棉球由于水份蒸发，所以其温度低于室温，致使湿球的示值低于干球。查对应的湿度表就可知道空气的相对湿度。虽然干湿球湿度计的历史悠久，但现在还经常用它作为电子相对湿度仪表的标定仪器。风水槽棉球玻璃酒精温度计2023/5/479第79页，共99页，2023年，2月20日，星期三普通干湿球温度计

它由两支相同的液体膨胀式温度计组成，一支为干球温度计，另一支为湿球温度计。干湿球温度计就是利用干湿球温度差及干球温度来测量空气相对湿度的。在测得干湿球温度后，可利用公式计算，也可以利用有关图表，查出相应的相对湿度值。2023/5/480第80页，共99页，2023年，2月20日，星期三干球温度计湿球温度计刻度盘纱布水槽2023/5/481第81页，共99页，2023年，2月20日，星期三干湿球电信号传感器与温度计

为了能自动显示空气的相对湿度和远距离传送湿度信号，采用电动干湿球温度计。它的干湿球是用金属电阻（镍电阻）代替膨胀式温度计，并设置一个微型轴流风机，以便在热电阻周围造成2.5m/s的风速，提高测量精度。

2023/5/482第82页，共99页，2023年，2月20日，星期三airinairout干球热电阻湿球热电阻2023/5/483第83页，共99页，2023年，2月20日，星期三露点湿度计充满乙醚溶液主要缺点：当冷却表面上出现露珠的瞬间，需立即测定表面温度，但一般不易测准，而容易造成较大的测量误差。2023/5/484第84页，共99页，2023年，2月20日，星期三五、光电式露点湿度计光电式露点湿度计是使用光电原理直接测量气体露点温度的一种电测法湿度计。其测量准确度高，可靠性强，使用范围广，尤其适用于低温状态。2023/5/485第85页，共99页，2023年，2月20日，星期三自动气象站湿度测报原理

图中的R-f变换器将传感器送来的电阻阻值变为相应的频率f，再经自校器控制使频率数与相对湿度一一对应，最后经门电路记录在自动记录仪上；如需要远距离数据传输，则还需要将得到的数字量编码，调制到无线电载波上发射出去。氧化锂传感器R－f变换电子门及记录仪温度自校自校信号2023/5/486第86页，共99页，2023年，2月20日，星期三自动