1、第9章 成分分析仪表,主要内容 9.1 概述 9.2 氧化锆氧分析仪 9.3 红外线气体分析仪 9.4 热导式气体分析仪 9.5 工业气相色谱仪 9.6 电导式分析仪 9.7 工业PH计 9.8 硅酸根分析仪,烟尘浊度测量,9.1 成分分析仪表概述,成分是指混合气体或液体中的各个组分。 成分检测的目的是要确定某一种或全部组分在混合气体(液体)中所占的百分含量。 检测锅炉燃烧系统中烟道气中，O2,CO,CO2含量。 原理：利用被测样品中待测组分的某一物理或化学特性与其他组分有较大差异而工作的。,一、检测方法,热导式检测技术-H2的导热系数比其他气体大很多。 热磁式检测技术-O2的磁化率比其他气体
2、大很多。 红外式检测技术-每一种不同气体对不同特定波长的红外线具有很强的吸收特性。,成分参数的检测方法主要有化学式、物理式和物理化学式等。其中化学式和物理式检测方法是利用被测样品中待测组分的某一化学或物理性质比其他组分有较大差别这一事实工作的。氢气的导热系数比其他气体大得多，由此构成的热导式检测方法可检测混合气体中的氢含量；,二、成分分析仪器的基本组成 1. 取样装置 3. 预处理系统 冷却、加热、气化、减压、过滤 4. 传感器 5. 信号处理系统 放大、转换、运算、补偿 6. 显示环节 7. 整机自动控制系统,（1）电化学式分析仪器：如电导式、电量式、电位式等； （2）热学式分析仪器：如热导
3、式、热化学式、热谱式等； （3）磁学式分析仪器：磁性氧量分析仪，核磁共振波谱仪等； （4）光学式分析仪器：吸收式光学分析仪，发射式光学分析仪； （5）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； （6）色谱分析仪器：如气相色谱仪等； （7）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； （8）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。,三、常用仪表的分类 1、按被测成分分 氧、氢、二氧化碳、盐、二氧化硅 2、按仪器的工作原理分,1 火电厂锅炉燃烧质量如何检测？ 炉烟成分自动分析 2 过剩空气系数保持在一定范围，可保证保证完全燃烧，又不过多地
4、增加排烟量和降低燃烧温度。燃煤炉（1.21.3）；燃油炉（1.11.2） 过剩空气系数可通过分析的O2和CO2含量来判断。,9.2 氧化锆氧量计,4 、 氧含量与有单值关系，且此受燃料品种的影响较小；氧量计的反应比二氧化碳表计快。所以目前电厂中大量采用氧量计测过剩空气系数。 5 、为全面分析炉烟中各种成分，发展快速响应的自动气相色谱仪受到重视。 6 、取样点对分析正确性影响很大。 7、 保证分析仪的快速响应性。,一、概述氧化锆氧量计是最近二十年发展起来的一种新型烟气氧含量分析测量仪表。1）组成：传感器（锆头）和变送显示器2）分类：按安装方式分为抽出式和直插式3)应用：广泛应用在火力发电、采暖、
5、炼油、化工、轻纺、水泥等工业领域内。,二、氧化锆氧量计的工作原理 1、 基本原理:电化学的浓差电池原理。 即：以氧化锆作为固体电解质，高温下的电解质两侧氧浓度不同时形成浓差电池，该电池产生的电势与两侧氧浓度有关。固定一侧氧浓度，可通过测量输出电势来测量另一侧的氧含量。,2 、氧浓差电池的构成,1）带氧离子空穴的固体ZrO2电解质。 在ZrO2中加入一定量的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y2O3），经高温烧结，2价的Ca2+会置换出十4价Zr4+。置换出的锆离子Zr4+与数量不足的氧离子形成带有氧离子空穴的氧化锆材料，成为固体电解质,3 具体工作过程,2)在60012000C高温下，当氧化锆两侧氧浓
6、度不等时，浓度大侧的氧分子在该侧氧化锆管表面结合两个电子形成氧离子，然后通过氧化锆中的氧离子空穴向氧浓度低侧泳动，到达浓度低侧时，在该侧电极上释放两个电子形成氧分子放出，于是在电极上造成电荷积累，两电极之间产生电势， 3)此电势阻碍这种迁移的进一步进行，直至达到动平衡状态，这就形成浓差电池，它所产生的与两侧氧浓度差有关的电势，称作浓差电势。,3、 具体工作过程,正极： O24e 2O2 负极： 2O2 O24e 能斯特公式：,4、 浓差电势的输出公式,参比气样氧容积浓度； 待测气样氧容积浓度。,空气中氧量一般为20.8%，在总压力是一个大气压下，,本底电势（零位电势）,1、氧化锆传感器需要恒温
7、或在计算电路中采取补偿措施，以消除传感器温度（池温）对测量的影响。氧化锆氧量计又分为恒温式和补偿式两种 。 2、氧化锆传感器要在一定高温下工作，以保证有足够高的灵敏度。 3、保持参比气样的压力与待测气样的压力相等。 4、保持参比气样和待测气样一定的流速，以保证测量的准确性。 5、氧化锆纯度要高，存在杂质会降低输出电势。致密性要好，否则氧离子直接穿过。 6、显示仪表具有较高输入阻抗。,三、保证正确测量的条件,原理：红外气体分析仪是利用不同气体对红外线具有特殊吸收特性的原理而进行气体成分和含量分析的仪器。 一、红外线的基本知识 1、红外线的特征 红外线一般指波长从0.76m至1000m范围内的电磁
8、幅射。在红外线气体分析仪器中实际使用的红外线波长大约在150m。 吸收：红外线通过某些物质时，其中一些频率的光强度大为减弱甚至消失。 同种气体对不同波长红外线的吸收能力不同。,9.3 红外气体分析仪,4.65,2.78&4.26,同种气体对不同波长红外线的吸收能力,气体特征吸收带125m,气体吸收红外辐射后温度上升，若气体的体积一定，则在温度升高的同时，使压力增加。 2、朗伯一比尔定律 气体对红外线的吸收遵循朗伯一比尔定律，即红外线通过物质前后的能量变化随着待测组分浓度的增加而以指数下降，,对波长的 吸收系数,红外线穿过被 测气体的长度,浓度,单色平行光通过均匀介质时能量被介质吸收的规律 光强
9、度为I0 的单色平行光通过均匀介质后，剩余光强度的大小随着介质摩尔百分浓度c和光程l按指数规律衰减。 吸收系数k的大小取决于介质的特性，不同介质有不同的k值，而一种介质的k值又会随着光的波长值而变化。因此，对于不同的介质或不同波长的光，吸收的光强也是不同的。,用人工的方法制造一个包括被测气体特征吸收峰波长在内的连续光谱辐射源，让这个光谱通过固定长度的含有被测气体的混合组分，在混合组分的气体层中，被测气体的浓度不同，吸收固定波长红外线的能量也不相同，继而转换成的热量也不同。在一个特制的红外检测器中，再将热量转换成温度或压力，测量这个温度和压力，就可以准确地测量被分析气体的浓度。,1-光源； 2-
10、切光片； 3-同步电机； 4-测量气室； 5-参比气室； 6-滤光气室； 7-检测气室； 8-前置放大器； 9-主放大器； 10-记录器,二、红外气体分析仪的组成,1）光源和调制器,通电加热镍铬丝，波长为310m 光源的任务：产生具有一定调制频率（212HZ）、两束能量相等且稳定的平行红外光束,1-反光镜；2-光源；3-切光片；4-同步电机,2）滤光元件 吸收或滤去可被干扰气体吸收的红外线,滤光室 滤光片 作用：只能让待测组分所对应的特征吸收波长的红外通过。 3）测量室和参比室 0.3200mm 4）检测器 把红外辐射量的变化转换成电量的变化的装置 薄膜电容型探测器是一种选择性检测器。目前，绝
11、大部分工业用红外线气体分析仪都应用这种探测器。,薄膜电容型探测器,吸收气室内待测气体吸收红外辐射能量，使吸收气室内气体温度升高。由于气室内的体积是固定的，温度升高的结果使气室内压力增高。,5）切光片 切光片几何上严格对称，将连续信号切割成频率为6.25HZ的交变脉动光速信号（方波） 电容检测器输出交流信号，提高灵敏度和抗干扰能力，便于信号放大。,优点：选择性好，灵敏度高，测量范围广，精度较高，常量为12.5级，低浓度（ppm）为25级，响应速度快。能吸收红外线的CO、CO2、CH4、SO2等气体、液体都可以进行分析。应用： 大气检测、大气污染、燃烧过程、石油及化工过程、热处理气体介质、煤炭及焦
12、炭生产过程等工业生产过程中。 测定水中微量油分，医学中肺功能的测定，并可在水果、粮食的储藏和保管等农业生产中应用。,红外气体分析仪,热导式气体分析仪是使用最早的一种物理式气体分析仪，它是利用不同气体导热特性不同的原理进行分析的。常用于分析混合气体中的H2 、 CO2、 SO2 等组分的百分含量。 一、工作原理：各种气体都具有一定的导热能力，但是导热程度有所不同，即各有不同的导热系数。经实验测定，气体中氢和氦的导热能力最强，而二氧化碳和二氧化硫的导热能力最弱。根据待测组分的导热系数与其他组分的导热系数有明显的差异（表9-1）的原理进行分析。,9.4 热导式气体分析仪,对于彼此之间无化学反应的多组
13、分的混合气体，它的热导率与各组分的热导率及各组分的体积百分含量有关，即,如果被测组分的热导率为 ，其余组分为背景组分，并假定它们的热导率近似等于 。又由于将它们带入上式后可得即有在 、 已知的情况下，测定混合气体的总热导率，就可以测定被测组分的体积百分含量。,两个条件,混合气体中除待测组分外，其余各组分的导热系数应相同或十分接近； 待测组分的导热系数与其余组分的导热系数，要有显著的差别，差别越大，灵敏度越高，即由于待测组分浓度变化引起的混合气体的的变化就越大。混合气体的总热导率测定 ？,二、热导检测器(热导池),导热系数电阻的转换,铂铱弹簧,电阻在温度为tn时的电阻电阻在单位时间内通过气 体的
14、散热量电流通过电阻丝产生的热量,温度系数,电流,热平衡时，电阻丝所产生的热量Q与通过气体传导散失的热量Q相等，得：,电阻变化Rn与之间为单值关系，实现了通过测量Rn大小计算出的大小。,气室内半径,电阻丝半径,测量要求,气体流量小且稳定。（减少对流散热） tn，tc相差不大于200。（为忽略电阻丝的热辐射） 电阻丝长与直径之比在2000倍以上。(减小电阻丝轴向连接体的热传导) 气室各参数的取值范围一般为：R0取15 左右，I 取100200mA，电阻丝长取5060mm，rn取0.010.03mm，rc取47mm，tc取5060,Q Q,三、测量电路,发送器：热导池&测量线路 电源控制器：电桥电源
15、，加热电源 温度控制器（水银温度计 上的电接点控制加热线圈的 通断，使发送器保持恒定温度）,单电桥测量电路,p250,双电桥测量电路,鉴定混合物的各组份及其含量。 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以及测量值的大小可确定混合物的组成以及各组分的浓度。 携带样品的气体或液体称为流动相。 固定相：对流动相不产生任何物理化学作用，对不同的组分具有不同的吸收或溶解能力。 (墨化炭黑，石蜡，甘油等),9.5 工业气相色谱仪,色谱分析仪是一种多组分的分析仪器。色谱分析的基本原理是：使被分析样品在“流动相”的推动下流过“色谱柱”（内装填充物，称
16、固定相），由于样品中各组分在流动相和固定相中分配情况不同，它们从色谱柱中流出的时间不同，从而达到分离不同组分的目的。 当一定量的气体在纯净的载气（称为流动相）的携带下通过具有吸收性能的固体表面，或通过具有溶解性能的液体表面（这些固体和液体称为固定相）时，由于固定相对流动相所携带气体的各组分的吸附能力或溶解度不同，气体中各组分在流动相和固定相中的分配情况是不同的。,分配系数：,组分i在固定相的浓度,组分i在流动相的浓度,注意事项：,要合理的选择流动相。对流动相(即载气)的要求是不与样品中各组分及固定相起化学反应，并且不为固定相吸附或溶解。最常用的是氮气和氢气。在分析烟气中的氢气时，则可用氩气。
17、色谱柱的温度对组分的分离效果有很大影响，因此必须选择合适的温度，并通过温度控制器使色谱柱的温度在工作期间保持恒定。,9.6 电导式分析仪,在一定条件下，溶液的电导或电导率仅与溶液的体积浓度C有关，测得两电极间溶液的电导就可知溶液的浓度大小。溶液电导（电阻）的测量采用交流电源供电，有分压法测量电路和电桥法测量电路。由于溶液的电导容易受温度的影响，故在测量装置中要采取相应的补偿措施。,一、工作原理,溶液的电阻 溶液的电导电极常数,摩尔电导率,质量浓度,M：溶质的摩尔质量,二、溶液电导的测量方法,1、分压测量 2、电桥测量,9.7 工业酸度计,值是溶液中氢离子浓度的常用对数的负值。工业pH计是利用化
18、学原电池的电动势与溶液酸、碱度成单值函数关系的特性进行工作的。用甘汞电极、银-氯化银电极作参比电极，用玻璃电极、锑电极等作工作电极组成原电池，测量出原电池的电动势的大小，就可知道被测溶液的酸、碱度。工业pH计由发送器（检测器）、高阻转换器和显示仪表组成。,一、测量原理,pH=-lgH+测量pH值一般使用由测量电极、参比电极与被测溶液共同组成的原电池。,二、基本结构,1、参比电极 2、测量电极 pH发送器：玻璃电极作工作电极、甘汞电极作参比电极，两极同时插到被测溶液中,9.8 硅酸根分析仪,它是利用化学反应使分析溶液中被测组分转变成有色化合物，然后利用朗伯-贝尔定律测量这种有色化合物对光的吸收程度，最后得知被测组分的浓度。对硅酸根含量的测定分为显色反应和光的吸收（比色）两个基本过程。BF-8061型硅酸根监测仪由化学系统、光学系统和电路系统三部分组成。,
