成分分析儀表課件

1、第七章 成分分析儀表 成分分析儀表是用來對物料的成分組成以及各種物理、化學特性進行測量分析的儀表。 第一節(jié) 紅外線氣體分析儀第二節(jié) 氧量分析儀第三節(jié) 其它氣體分析儀第四節(jié) 溶液濃度計第五節(jié) 工業(yè)酸度計第六節(jié) 濕度檢測儀表第1頁，共37頁。第一節(jié) 紅外線氣體分析儀 紅外線（infrared）是波長在0.751000m范圍內(nèi)的電磁波，紅外氣體分析儀主要利用其中125m之間的一小段。紅外線氣體分析儀是一種吸收式光學分析儀器，是利用不同氣體對紅外輻射能選擇性吸收原理來工作的。它常用來檢測CO、CO2、SO2、CH4 和H2O等氣體的濃度，能連續(xù)測量，測量范圍寬，精度高，靈敏度高，并且有良好的選擇性。在

2、石油、化工、冶金、環(huán)保等領域得到了廣泛的應用，已成為成分分析儀表的一個重要分支。第2頁，共37頁。一、工作原理凡是不對稱結(jié)構(gòu)的雙原子和多原子氣體（CO、CO2、SO2、CH4等）對紅外線都有一定吸收能力，但不是在紅外波段的整個頻譜范圍內(nèi)都吸收，而只是吸收其中的某些波段的紅外線，即所謂的選擇性吸收，被吸收的波段稱為特征吸收波段。氣體吸收紅外輻射后，氣體的溫度上升或壓力升高，這種溫度和壓力的變化與被測氣體組分的濃度有關，通過測量溫度或壓力的變化就可以準確地獲得被分析氣體的濃度。 第3頁，共37頁。 CO 、CO2氣體的紅外線吸收特性波長（m）CO2兩個特征吸收波段2.62.9m及4.14.5 m；

3、CO吸收波長為2.37 m和4.65m。 第4頁，共37頁。朗伯貝爾定律紅外線通過介質(zhì)層時，介質(zhì)吸收了相應特征波段的紅外線能量，透過介質(zhì)的紅外線能量減弱，其減弱程度遵循朗伯-貝爾定律： I = I0e-cl式中I0為紅外線入射強度, I為紅外線出射強度，c為待測組分濃度， 為待測組分對波長為的紅外線的吸收系數(shù)。當I0、 l一定時，輻射強度的變化只與待測組分c有關 。0Ilc第5頁，共37頁。二、基本組成 光源、同步電機與切光片：作用是產(chǎn)生兩束能量相等而又穩(wěn)定的平行紅外光束； 濾波室：吸收或濾去干擾氣體所對吸收峰的紅外輻射能，去除干擾氣體對測量的影響； 參比室與測量室：參比室內(nèi)封入不吸收紅外輻射

4、的惰性氣體，能量沒衰減。測量室則通入流動的被測氣體，紅外線能量被吸收而減弱；檢測室(薄膜,定片)：檢測室的作用是用來接收從參比室與測量室射出的紅外線，并轉(zhuǎn)化成電信號；檢測系統(tǒng)：將紅外探測器的輸出信號進行放大轉(zhuǎn)成統(tǒng)一的直流電信號，并對信號進行分析處理，將分析結(jié)果顯示出來，還可根據(jù)需要輸出濃度極值和故障狀態(tài)報警信號。 第6頁，共37頁。1-光源； 2-同步電機； 3-切光片；4-濾波室； 5-參比室；6-測量室；7-檢測室；8-薄膜；9-定片；10-電氣單元； 11-微機系統(tǒng)紅外線氣體分析儀原理圖第7頁，共37頁。三、應用舉例 窯爐尾氣CO和CO2的含量檢測：帶有自動反吹系統(tǒng)的取樣裝置1-過濾器；

5、 2-陶瓷取樣管；3-不銹鋼管； 4-冷卻系統(tǒng)；5-過濾器；6-樣氣出口及清掃過濾器氣體入口；7反吹氣體入口； 8-排塵口因為煙氣溫度很高,設置冷卻系統(tǒng)。因尾氣含塵，故設置反吹、清掃系統(tǒng)。第8頁，共37頁。第二節(jié) 氧量分析儀 氧含量分析儀是目前工業(yè)生產(chǎn)自動控制中應用較多的在線分析儀表，主要用來分析混合氣體(多為窯爐廢氣)中氧的含量。 常用的氧量分析儀有熱磁式和氧化鋯式兩種，其中氧化鋯式分析儀因其具有結(jié)構(gòu)簡單，反應快捷、靈敏和適于分析高溫氣體等特點，成為發(fā)展最為迅速的氧量分析儀表。第9頁，共37頁。一、熱磁式氧量分析儀 當氣體處于外磁場中間時，如果能被磁場所吸引，則該種氣體為順磁性氣體；如果能被

6、磁場所排斥，則該種氣體為逆磁性氣體。在具有溫度梯度和磁場梯度的環(huán)境中，由于氣體局部溫度升高，會出現(xiàn)順磁性氣體的磁化率下降，這種利用磁化率與溫度間的關系測定氣體中某種成分含量的方法稱為熱磁法。熱磁式氧分析儀就利用在不均勻磁場中，含氧混合氣體受熱后的體積磁化率變化而產(chǎn)生的熱磁對流進行間接測量。第10頁，共37頁。原理互不發(fā)生化學反應的多組分混合氣體的體積磁化率等于各獨立組分體積磁化率的加權(quán)和：kmix=qk+(1-q)k式中 k為氧體積磁化率；q氧含量的體積百分比；k混合氣體中非氧組分的等效體積磁化率。氧的體積磁化率k很大(除氮氧化物外，氧的比磁化率是其它氣體的100倍以上)，因此含氧氣體的體積磁

7、化率kmix主要由含氧量決定，即可根據(jù)混合氣體體積磁化率的大小來間接確定氣體中的含氧量。第11頁，共37頁。二、氧化鋯氧量分析儀 氧化鋯氧量分析儀根據(jù)濃差電池原理設計而成。包括兩個“半電池”：一個“半電池”是已知氧氣分壓的鉑參比電極，另一個“半電池”是含氧量未知的測量電極。兩個“半電池”電極之間用固體電介質(zhì)氧化鋯連接。在600800溫度時，氧化鋯是良好的氧離子導體，兩個“半電池”之間的氧離子通過氧化鋯(ZrO2)固體電解質(zhì)中存在的氧離子空穴進行交換。當ZrO2兩側(cè)氧的濃度(分壓)不同時，則在兩電極之間出現(xiàn)電勢，稱為氧濃差電勢。 第12頁，共37頁。Pt,O2(P1) | ZrO2.CaO |

8、O2(P2),Pt參比電極(+) 電解質(zhì) 參比電極(-) 高溫下，參比電極側(cè)發(fā)生如下反應 O2(P1)+4e2O2-參比電極(Pt)給出四個電子，自身帶正電。生成的氧離子“O2-”氧化鋯氧濃差電池工作原理：通過固體電介質(zhì)中的氧離子空穴到達測量電極(P2)，并發(fā)生如下反應2O2- O2(P2)+4e放出的四個電子交給測量電極的鉑電極，使其帶負電。因此在氧化鋯兩側(cè)的鉑電極之間產(chǎn)生了電動勢E，其數(shù)值可由恩斯特公式計算。 第13頁，共37頁。式中，R氣體常數(shù)，為8.314J/K；T被側(cè)氣體進入電極中的熱力學溫度，K；F法拉第常數(shù)，為96487C/mol；n 反應時一個氧分子輸送的電子數(shù)，為4；P1、

9、P2分別參比氣體(即參比電極側(cè))與被分析氣體(即測量電極側(cè))的氧分壓，通常采用空氣作參比氣體。第14頁，共37頁。若被測氣體與參比氣體的總壓均為P，則P1/P=V1/V= 1， P2/P=V2/V= 2，恩斯特公式可表示為 式中1、2分別為參比氣體與分析氣體中氧的容積含量?！窘Y(jié)論】由上式可知若1、R 、n 、F均為常數(shù)，保持T不變，通過測出E,即可知道待測氣體含氧量。第15頁，共37頁。氧化鋯氧量計正常使用條件(1)應使氧化鋯傳感器的溫度恒定，850時靈敏度最高；(2)必須要有含量穩(wěn)定不變的參比氣體；(3)被測氣體和參比氣體應具有相同的壓力；(4)一般不用于可燃性氣體組分的氧分析。由于電極工作

10、在高溫下(800附近)，被測氣體中如果含有H2、CO等可燃氣體時，氣樣中將發(fā)生燃燒反應而耗氧，不僅會造成測量誤差，而且還有爆炸的危險。第16頁，共37頁。(1)兩個半電池：一個“半電池”是已知氧氣分壓的參比電極，另一個“半電池”是含氧量未知的測量電極。(2)當兩側(cè)氣體中的O2濃度1 、 2不同時，則在兩電極之間出現(xiàn)電勢，稱為氧濃差電勢。(3)氧濃差電勢在一定溫度下，只與兩側(cè)氣體中的氧含量（濃度）有關。(4)如果一側(cè)氧濃度不變，另一側(cè)氧濃度變化，即可通過測量輸出電勢來測量另一側(cè)含氧量。小結(jié):第17頁，共37頁。第三節(jié) 其它氣體分析儀 一、氣相色譜儀 色譜儀基本分析過程可分為兩步：第一步將混合在待

11、測物質(zhì)中的各種組分進行分離；第二步將已經(jīng)分離的各單一組分依次進行檢測，輸出按時間分布的幅值不同的一組峰狀信號曲線，即色譜圖，據(jù)此進行定性和定量分析。色譜圖中信號峰值對應的時間稱為保留時間，由保留時間就可定性確定相應信號所代表的物質(zhì)；根據(jù)各信號包圍的面積在全部信號曲線包圍的面積的比例可以定量分析各組分濃度。 第18頁，共37頁。氣相色譜儀測量原理當載有樣品的流動相流過固定相表面時，氣樣中的各組分沿色譜柱長度反復在流固兩相中進行分配，吸附力不同： A組分不易被固定相吸附，因而A組分就走得快一些，最先離開色譜柱到達檢測器，被檢測后記錄儀上便記下A組分的峰狀曲線，同樣道理，B及C組分相繼達到，最后在記

12、錄紙上形成A、B、C的峰狀曲線構(gòu)成的色譜圖。第19頁，共37頁。二、激光在線氣體分析儀 半導體激光吸收光譜技術(DLAS)是利用激光能量被氣體分子“選頻”吸收形成吸收光譜的原理來測量氣體濃度的一種技術。半導體激光器發(fā)射出的特定波長的激光束穿過被測氣體時，被測氣體對激光束進行吸收導致激光強度產(chǎn)生衰減，激光強度的衰減與被測氣體含量成正比，因此，通過測量激光強度衰減信息就可以分析獲得被測氣體的濃度?？蓽y的氣體有：O2、CO、CO2、H2O、H2S、HCl、NH3、CH4、C2H2 、HF和NOx等。 第20頁，共37頁。第四節(jié) 溶液濃度計一、電導式濃度儀溶液電導率與溶液摩爾濃度c的關系如下： =mc

13、 (m:摩爾電導率)電導率隨著溫度的升高而增加；另外，同一類的電解質(zhì)，當濃度不同時，它的溫度系數(shù)也不一樣。下圖為幾種常見水溶液在20時電導率與濃度的關系曲線。 第21頁，共37頁。測量原理電導率與濃度本質(zhì)上為非線性關系，僅在低濃度區(qū)域或高濃度區(qū)域的某一小段內(nèi)，電導率與濃度c可近似看成線性關系，即摩爾電導率為一常數(shù)。因此，若能在上述范圍內(nèi)，通過測量溶液的電導G，可獲得被測溶液的濃度，這就是電導式濃度儀的測量原理。 第22頁，共37頁。電導率的測量電導率的測量是通過兩個電極組成的雙電極探頭來實現(xiàn)的，如圖所示。采用環(huán)形磁芯繞制的傳感器，放置于被測溶液，如硫酸溶液中，當勵磁線圈T1的繞組輸入一交流電壓

14、U1時，副回路中(由被測介質(zhì)構(gòu)成)會產(chǎn)生感應電流Ie。溶液回路感應電流Ie的大小，由溶液等效電阻Re(Re=K/Xe，K為傳感器常數(shù))，也就是溶液導電率Xe決定。由于Ie的作用，在T2繞組就有感應電動勢U2產(chǎn)生。這樣在檢測線圈上可得到隨電導率而變化的感應電動勢U2，通過溫度補償及計算能測量出瞬時濃度值。 第23頁，共37頁。二、電磁式濃度計 電磁式濃度計是基于法拉第電磁感應原理制成的導電式濃度計，如圖所示。被測液體與兩個電磁線圈的磁場耦合，在第一個線圈K1中通以電流，由于液體耦合在第二個線圈K2種感應出電壓，感應的電壓與液體的電導G成正比，因而也與電導率成正比。電磁感應式濃度計消除了電極式導電

15、儀存在的極化效應，也不受液體中沉積物的影響。第24頁，共37頁。三、密度式濃度計 密度式濃度計是基于阿基米德定律工作的。即浸在液體中的物體受到向上的浮力F，浮力的大小等于該物體所排開液體的重量G：F=G=Vg式中V物體所排開液體的體積； 溶液密度。在某一溫度下，大多數(shù)溶液的濃度與密度存在一一對應關系，因此可通過密度檢測得到溶液的濃度。第25頁，共37頁。工業(yè)用密度式硫酸濃度測量儀工作示意圖浮子(或沉筒)浸入(或浸沒于)溶液中，變送器(密度傳感器)將浮子(或沉筒)所受浮力連同溶液的溫度信號一同傳送到二次儀表中，得到被測溶液濃度(密度值)，或者輸出與溶液濃度 (密度)成比例的420mADC遠傳信號

16、。第26頁，共37頁。第五節(jié)工業(yè)酸度計 酸度計也稱pH計，是檢測溶液中的H+濃度(酸堿度)的儀器。工業(yè)pH計把pH值的測量轉(zhuǎn)化電勢的檢測。儀器由發(fā)送器和測量儀器兩大部分組成。1-內(nèi)電極;2-參比電極;3-玻璃電極第27頁，共37頁。pH發(fā)送器pH發(fā)送器由參比電極和測量電極組成，這兩個電極復合制成一體，形成一個原電池，如圖所示。pH發(fā)送器示意圖1-內(nèi)電極；2-參比電極；3-玻璃電極E外E內(nèi)132參比電極的電位固定，常用的參比電極有甘汞電極和銀氯化銀電極。測量電極電位隨著被測溶液的pH值而變化，有玻璃電極、氫醌電極和銻電極等。 第28頁，共37頁。15678234甘汞電極的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，電極電位

17、穩(wěn)定，但是溫度系數(shù)大，不宜用于溫度波動大的環(huán)境中。甘汞電極結(jié)構(gòu)圖1引出導線； 2汞；3甘汞； 4纖維絲；5KCl溶液加入口；6KCl飽和溶液；7KCl晶體；8多孔陶瓷芯第29頁，共37頁。原電池及其電勢玻璃電極測量系統(tǒng)的原電池表達式為：Hg|Hg2Cl2(固),KCl(飽和)|緩沖溶液|玻璃膜|待測溶液| KCl(飽和),Hg2Cl2(固) | Hg E1 E內(nèi) E外 E2 上述表達式中，單豎線表示界面上產(chǎn)生電極電位，雙豎線則表示該處不存在電極電位?？傻秒妱軪=E1-E2+E內(nèi)-E外。若內(nèi)電極及參比電極均采用甘汞電極，則E1=E2，故第30頁，共37頁。測量原理pH0是已知的一個固定值，R、F

18、分別為氣體常數(shù)及法拉第常數(shù)。在溫度一定的條件下，產(chǎn)生的電動勢E與被測溶液的pH之間成對應的單值函數(shù)關系，測得E值，就可知被測溶液的pH值，這就是工業(yè)酸度計發(fā)送器的工作原理。第31頁，共37頁。第六節(jié)濕度檢測儀表 一、自動干濕球濕度計干濕球濕度檢測是根據(jù)干濕球溫度差效應原理進行工作的。濕球：感溫元件外包有棉紗，棉紗浸在水中，經(jīng)常保持濕潤狀態(tài)；干球：感溫元件置于待測濕度的氣體中。第32頁，共37頁。干濕球溫度差效應與濕度干濕球溫度差效應是指在潮濕物體表面的水分蒸發(fā)而冷卻的效應，冷卻的程度取決于周圍空氣的相對濕度、大氣壓力以及風速。如果大氣壓力和風速保持不變，相對濕度愈高，潮濕物體表面的水分蒸發(fā)強度愈小，潮濕物體表面溫度與周圍環(huán)境溫度差就愈??；反之，相對濕度低，水分蒸發(fā)強度愈大，干