实验 硫化氢分析仪器AMETEK933实验指导

实验硫化氢分析仪器（AMETEK933）的操作与标定一、实验目的能解释紫外吸收法硫化氢分析仪器的工作原理；认识硫化氢分析仪器样气处理过程；能复现硫化氢分析仪器的标定、参数设定等操作过程。二、工作原理AMETEK933型微量H2S分析仪测量脱硫后天然气产品的微量硫化氢时采用了以下技术方案：（1）采用色谱分离技术，将被测样气中吸收紫外线的组分分离开来，只让H2S、COS、MeSH三种组分通过色谱柱进入紫外分析器的测量气室加以分析，而将EtSH、Aromatics两种组分从色谱柱反吹出去不再测量，以减轻紫外分析器的负担和难度。（2）H2S、COS、MeSH三种组分在紫外波段的吸收谱带重叠在一起，很难找到某个组分的单一吸收波长。在AMETEK933中选择了3个吸收波长即214nm、228nm和249nm加以测量，由于在每个波长上三种组分均有吸收，可以列出一个三元一次方程组，求解该方程组就可求得H2S、COS、MeSH三种微量组分各自的含量。图2-1H2S、COS、MeSH三种组分在紫外波段的吸收谱图和测量位置H2S、COS、MeSH三种组分在紫外波段的吸收谱图和测量位置见图2-1。求解三组分浓度的联立方程组如下。吸光度A(absorption)又称为消光度E(Extinction)，其定义式为由朗伯－比尔吸收定律推导可得：——→——→当在三个波长处测量三种组分时，可列出下述三元一次联立方程组：式中A1、A2、A3——分别为在214nm、228nm和249nm波长处测得的吸光度；c1、c2、c3——分别为H2S、COS、MeSH三种组分的摩尔浓度；k11、k12……k33——k11为在214nm处H2S的摩尔吸光系数，其余以此类推。对于固定的测量气室，光程长度l为常数，k11、k12……k33可从光谱手册中查到，A1、A2、A3可由分析仪测得，所以解该三元一次线性方程组，就可求得c1、c2、c3。三、硫化氢分析仪器的内部结构AMETEK933型微量H2S分析仪由分析系统、样品处理系统、电子部件和软件几部分组成。AMETEK933光学系统主要包含以下部件：——两只紫外光源灯——滤光片轮，包含六片干涉滤光片——半透半反分光镜——直角前反射镜——气体测量池——两只匹配的光电检测器进行测量时，样气流经样品处理系统的色谱柱时，将EtSH、Aromatics两种组分截留下来，只允许H2S、COS、MeSH三种组分进入测量池。为了分析这三种微量组分，AMETEK933分析仪采用了双光束参比技术和多波长差分吸收技术。图3-1AMETEK933分析系统构成图两只紫外闪烁光源一个是镉灯(用于检测H2S、COS)，一个是铜灯(检测MeSH)，发射出200～400nm的脉冲光信号。滤光片轮上的六片干涉滤光片透过波长为：214nm、228nm、249nm各一片，分别对应H2S、COS、MeSH三种组分的敏感吸收波长；326nm三片，为参比波长，即被测组分均无吸收的波长。当紫外光源发出每个光脉冲时，半透半反分光镜将一半的光引导到参考光电检测器，实现双光束参比技术，以克服光学系统波动(包括电源电压波动、光源器件老化、光学镜片污染等)造成的测量误差；另一半光通过气体测量池引导到测量光电检测器，通过精确控制紫外光源的闪烁发光和滤光片轮的旋转，使镉灯、铜灯和六片滤光片紧密配合，实现H2S、COS、MeSH三种组分的差分吸收检测，以克服被测样品背景组分干扰、温度压力波动等造成的测量误差。分析仪的操作由两块微处理器进行控制。一块是微型控制器电路板，用于光路系统接口、数据转换、数据预处理和光路系统温度控制。另一块是主控制器主电路板，用于处理输入/输出、色谱柱温度控制和从微型控制器板传过来的数据的最终处理。2.技术参数测量组分：硫化氢(H2S)，也可同时测量羰基硫(COS)和甲基硫醇(MeSH)测量范围：标准范围测量池：H2S：最低0～25ppm到最高0～100ppm低范围测量池：H2S：最低0～5ppm到最高0～50ppm响应时间(不含采样系统)：H2S：90％响应少于30秒测量精度：标准范围测量池：满量程的±2％低范围测量池：满量程的±5％重复性误差：小于满量程的±１％线性误差：小于H2S读数的±2％零点漂移：标准范围测量池：24小时内小于满量程的±2％低范围测量池：24小时内小于满量程的±5％环境温度范围：从0℃到50℃(32℉到122℉)。周围的环境温度必须至少高于最高期望露点温度5℃(9℉)。零点气：仪表零纯度二氧化碳、超高纯度(UHP)氮气或超高纯度甲烷。最小自动校零时间间隔为每24小时一次。样气压力要求：在取样探头处一级减压至100psig=0.7MPa，进入分析仪柜二级减压至80psig=0.56MPa送过滤模块组件样品组成要求：甲烷和乙烷之和大于85％；丙烷小于3％；丁烷总和小于1.25％；C5＋小于0.5％样气流量：2.5L/min四、样气处理图4-1是AMETEK933样品系统的流路图，其主要功能是对采集来的样品气体过滤除雾、减压稳压、色谱分离和流量控制。（1）过滤器组件过滤器组件是可选项。AMETEK933的过滤器模块是一种三级过滤组件，主要用于天然气样品的过滤除雾。第一级过滤组件是一个有特定大小孔洞的薄膜过滤器(highflowGeniemembranefilter)，其作用是对天然气进行粗滤。挥发性气体能够通过薄膜上的小孔，气压只会稍微降低。液体飞沫将留在进气口一端，因为它们的表面张力太高，无法通过孔洞。这个过滤器将除去固体颗粒和高表面张力的液体，如水、酒精、乙二醇和胺等。大多数的低表面张力的液体如碳氢化合物也将被除去。第二级过滤组件也是一个薄膜过滤器(Type5Geniemembranefilter）。这个过滤器的孔洞比第一个要小。在本部分，少量低表面张力的液体如第一部分没有滤除的碳氢化合物会被除去。整个过滤模块中气体压力的降低大部分都发生在第二级过滤过程中。第三级过滤组件是一个小型的纤维滤芯聚结过滤器(filtercartridge)。这个过滤器可以除去痕量的液体气溶胶(其尺寸可能仅有0.1μm)。如果前两个过滤器的薄膜破裂，这一部分将作为备用临时过滤遗漏的颗粒物和液滴。上述每一级过滤组件都有自己的旁通排气回路，以实现自吹扫功能，防止颗粒物和液滴堵塞过滤器膜片孔洞和纤维滤芯。图4-1AMETEK933样品系统流路图（2）色谱柱组件色谱柱组件有两根色谱柱交替工作，一根色谱柱分离样品时，另一根色谱柱反吹再生。样品天然气同时作为载气使用，分析后的样品气引入再生色谱柱进行反吹。五、操作与标定1.设备连接（1）使用电脑与仪器连接如果使用笔记本电脑，需使用USB转RS232通信线缆与仪器连接（需要安装USB转RS232通信线缆驱动），见图5-1。打开S93XSConfigurator（或M933configurator）软件。图5-1USB-RS232与仪器通信线缆连接（2）正常情况下，无需设置串口通信参数，仅当通信不正常时，按图5-2检查参数是否正常（Edit->DeviceProperties…->General->Setup）。图5-2串口通信参数设置正常通信时，会显示设备编号，并在Status中显示Online，如图5-3所示。须将deviceenabled和datalive两项选中。（Edit->DeviceProperties…->General）正常通信设备使能正常通信设备使能图5-3仪器正常通信界面显示信息2.设备自动调整参数（1）进入GasCalibration子菜单，点击图5-4中的GasCalibration按钮，进入GasCalibration子菜单，见图5-5。气体校准气体校准图5-4Setup子菜单图5-5GasCalibration子菜单（2）将外部零点气（N2）接入仪器气路，点击图5-6中Flowcontrol右下角的白框，输入3后，点击右下角的Apply按钮，应能听到电磁阀切换声。零点气流路零点气流路图5-6气体流路切换注：在不使用零点气或标气时，请将气瓶处的减压阀关闭，或者在此处流路选择中选择1（关闭标气流路）外部调整零点气气瓶输出压力约0.55MPa，保证进入测量池的压力为80PSI（见图5-8）（约5.5bar，该压力主要通过调节零点气瓶上的减压阀实现），见图5-7。气瓶阀气瓶内部压力指示气瓶阀气瓶内部压力指示气瓶输出压力指示减压阀图5-7零点气瓶的气瓶阀和减压阀80PSI80PSI图5-8进入仪器前的压力表零点气N零点气N299.999%标气H2S21.9ppm图5-9本实验外部气体说明：零点气和标气（a）三通阀关闭状态（b）三通阀右路接通状态图5-10三通阀关闭和接通状态注：三通阀尖头（图5-10中红色椭圆标记处）指向下时，表示关闭；尖头指向右边时，表示右路流体接通，左路关闭（本实验中表示零点气接入仪器，见图5-9）；尖头指向左边时，表示左边流体接通（本实验中表示标气接入仪器，见图5-9），详见图5-10。本实验中的零点气和标气均由仪器的zero流路进入（FlowCtrl=3）。（3）等待零点气流5分钟左右，再进入setup中的OpticalBench，如图5-11所示。自动调整参数自动调整参数图5-11自动调整参数界面（4）点击图5-11右下边的Auto-Setup按钮，再点击OK按钮，仪器将开始进行自动调整内部参数。（5）进入仪器的Status菜单，如图5-12所示。观察图5-12中的左下角的状态框，它将依次显示如下信息（信息随软件版本不同会略有差异）：·Setup-PrelimPMTLevel·Setup-PrelimLampPulses·Setup-PMTBalance·Setup-FinalPMTLevel·Setup-FinalLampPulse·Setup-ALC·Setup-Off/Completed状态框故障信息提示框状态框故障信息提示框图5-12状态显示界面当显示Setup-Off/Completed后，表示完成Auto-setup自动调整，大约需要5分钟时间；在仪器完成Auto-setup自动调整后，观察故障信息提示框，如果此故障信息提示框内无任何错误提示，则表示仪器正常。3.设备手动零位校正（1）手动零位校正：进入setup菜单中的子菜单GasCalibration，如图5-13所示，选择零点气流路（3）后，等仪器读数稳定后（示值变化小于0.2，约需5分钟左右），再点击ManZero按钮（仪器进行人工标定零位，约90s）；（2）等待2分钟左右后，观察状态菜单，如果故障信息框中无任何报警提示，则说明仪器正常，可以正常使用。零点气流路手动零位校正零点气流路手动零位校正图5-13手动零位校正4.正常测量（1）将外部标气（H2S）接入仪器气路，点击Flowcontrol右下角的白框，输入3后，点击右下角的Apply按钮，应能听到电磁阀切换声。通过调整外部手动三通阀阀切换到标气气瓶，调整标气瓶上的减压阀保证标气瓶输出压力为0.55MP（80PSI）。（2）注意观察内部压力仪表的指示（应为80PSI）。（3）在Status中能观察到H2S的测量数据，应与标气含量基本一致（如此处采用21.9ppm的H2S标气，显示结果如图5-14，存在一定测量误差）图5-14通入标气后测量结果显示界面5.关闭气瓶阀所有测量完成后，应关闭零点气瓶的减压阀和气瓶阀、标气瓶的减压阀和气瓶阀。未保证安全，应先关闭标气瓶，再关闭零点气瓶。关闭时，应打开仪器的零点气回路，即FlowCtrl=3，先关闭气瓶阀，等管道中的气全部释放后再关闭减压阀，两个气瓶均按此顺序关闭。关闭完成后，气瓶减压阀处的两个压力表均应回到零位（防止管路憋压）。气瓶阀正常关闭后，仪器方可断电。六、注意事项1.在不使用零点气或标气时，请将气瓶处的减压阀关闭，或者在此处流路选择中选择1（关闭标气