氣體成分分析精品課件

1、氣體成分分析第1頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四 三、汽車及發(fā)動機排放檢測方法怠速法僅監(jiān)測汽車或摩托車用汽油機怠速時排氣中的CO，HC體積濃度。方法簡單，設(shè)備便宜，但考核不全面。工況法能比較全面地考核車輛或發(fā)動機在整個工作范圍內(nèi)的排放狀況。系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備昂貴，但考核比較全面。排放標(biāo)準(zhǔn)體系：美國EPA，歐洲ECE，我國采用ECE標(biāo)準(zhǔn)體系。排放限值檢測車輛測試環(huán)境測試設(shè)備測試循環(huán)取樣方法檢測操作數(shù)據(jù)處理第2頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四測試循環(huán)歐洲輕型車標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)十三點工況法美國城市標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)第3頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分

2、，星期四采樣方法直接取樣(Direct Sampling)：存在冷凝、吸附問題定容取樣（CVSConstant Volume Sampling)：稀釋采樣全流法（Full Flow Sampling)部分流法(Proportional Sampling)第4頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四第2節(jié) 氧含量測量氧含量測量的目的判斷燃燒狀況分析二沖程發(fā)動機的掃氣損失測量氧含量的主要方法磁性氧量分析物理方法氧化鋯氧量分析電化學(xué)方法20世紀(jì)60年代初出現(xiàn)的氧分析儀器，能與煙氣直接接觸，采樣簡單方便。與磁性氧分析儀器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，靈敏度高，相應(yīng)快的特點。現(xiàn)已廣泛使用

3、。第5頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四 一、氧化鋯氧量分析儀的基本工作原理氧化鋯固體電解質(zhì)導(dǎo)電機理電解質(zhì)溶液依靠離子導(dǎo)電。某些固體也具有離子導(dǎo)電的性質(zhì)。固體電解質(zhì)-具有某種離子導(dǎo)電性質(zhì)的固體物質(zhì)。固體電解質(zhì)是離子晶體結(jié)構(gòu)，溫度越高，導(dǎo)電性能越強。氧離子固體電解質(zhì)-能傳導(dǎo)氧離子的固體電解質(zhì)。氧化鋯是一種固體電解質(zhì)。純氧化鋯基本上不導(dǎo)電，但參雜了 一些氧化鈣、氧化釔等稀土元素后，具有高溫導(dǎo)電性。 如在氧化鋯中摻雜一些氧化鈣，Ca置換了Zr原子的位置，由于Ca2+和Zr4+離子價不同，在晶體中形成許多氧空穴。在高溫（7500C以上）下，如有外加電場，就會形成氧離子（O2-）占

4、據(jù)空穴的定向運動而導(dǎo)電。帶負電荷的氧離子占據(jù)空穴的運動，也就相當(dāng)于帶正電荷的空穴做反向運動。此即氧化鋯固體電解質(zhì)的導(dǎo)電機理。與P型半導(dǎo)體靠空穴導(dǎo)電的機理類似。第6頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四氧化鋯探頭（氧濃差電池）結(jié)構(gòu)原理在摻有氧化鈣的氧化鋯固體電解質(zhì)兩側(cè)，燒結(jié)一多孔鉑層，并焊上鉑絲引線構(gòu)成電極，形成一氧濃差電池。其一側(cè)在參比氣體（如空氣）中，氧分壓為p2,另一側(cè)在待測氣體中，氧分壓為p1，p2p1。高溫下，氧化鋯，鉑和氣體三種物質(zhì)交界處的氧分子有一部分從鉑電極獲得電子形成氧離子O2-。由于兩側(cè)氣體氧含量不同，形成的氧離子濃度也不同，氧離子就從高濃度側(cè)向低濃度側(cè)擴散

5、，一部分氧離子跑到負極，釋放2個電子變成氧氣析出。這時，空氣側(cè)的電極出現(xiàn)正電荷，待測氣體側(cè)的電極出現(xiàn)負電荷，這些電荷形成的電場阻礙氧離子的進一步擴散。最終擴散作用與電場作用達到平衡，兩個電極間出現(xiàn)電位差E，這就是氧濃差電勢。第7頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四電極上的反應(yīng)：氧濃差電勢E：式中：E氧濃差電勢（V） F-法拉第常數(shù)，為96484C/mol R-理想氣體常數(shù)，為8.314J/(molK) T-氧濃差電池的熱力學(xué)溫度(K) n-一個氧分子輸送的電子數(shù)，n=4當(dāng)空氣與待測氣體壓力相等時：空氣中氧氣的體積濃度為20.8%第8頁，共41頁，2022年，5月20日，7點

6、46分，星期四當(dāng)T一定時，E是1的單值函數(shù)。利用氧化鋯探頭測含氧量的注意事項：二、氧化鋯氧量分析儀測量系統(tǒng)組成：氧化鋯管傳感器、二次儀表。氧化鋯管傳感器采取恒溫和溫度補償措施。合適的工作溫度。T=800 0C兩側(cè)氣壓相等。兩側(cè)氣流應(yīng)有一定流速。第9頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四溫度補償： K型熱電偶熱電勢：由1=2.0 %時的試驗數(shù)據(jù)可見，T變化，但：所以可以進行溫度補償。第10頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四第11頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四第 3 節(jié) 色譜法測量氣體成分一、概述 色譜法是重要的近代分析手段之一。它

7、對被分析的多組分混合物采取先分離，后檢測的方法進行定性、定量的分析。具有取樣量少、效能高、分析速度快、定量結(jié)果準(zhǔn)確的特點。原理待分析的混合物樣品在流動氣體或液體（流動相）的推動下流經(jīng)一裝有填充物 （固定相）的管子（色譜柱），受固定相的吸附或溶解作用，樣品中的各組分在固定相和流動相中產(chǎn)生濃度分配。由于固定相對各組分的吸附或溶解能力不同，因此各組分在流動相和固定相中的濃度分配也不同，導(dǎo)致各組分叢色譜柱流出的時間不同，從而使各組分分離。分離后的各組分經(jīng)相應(yīng)的檢測器檢測濃度。如熱導(dǎo)檢測器，火焰電離檢測器，電子俘獲器、焰光光度檢測器等。第12頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四分類氣

8、相色譜法流動相為氣體氣固色譜固定相為固體氣液色譜固定相為液體液相色譜法流動相為液體二、氣相色譜儀的組成與工作流程載氣源不吸附溶解與樣品的靈敏度相差大H2，He，Ar色譜柱填充物的選擇溫度控制檢測器第13頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四三、氣液色譜儀的組分分離原理 色譜柱分離各組分。色譜柱內(nèi)充滿不動的多孔微粒，其表面涂有一層液體，稱為“固定相”。在一定溫度、壓力下，各組分在流動相和固定相內(nèi)有一定的分配比k。pii組分在固定相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)qii組分在流動相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)假定：色譜柱分為5段，每段中載氣占據(jù)V體積，進樣量W=1mg，k=1則：進樣后樣品在各段的分布如右。第14頁

9、，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四如將色譜柱分段分得很細，各組分的信號就為正態(tài)分布曲線。由于各組分的分配比ki互不相等，故各組分從色譜柱口流出時間（保留時間）也不相等。從而達到組分分離的目的。第15頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四四、熱導(dǎo)檢測器（TCD， Thermal Conductance Detector) 熱導(dǎo)檢測器是一種應(yīng)用較廣的物理式氣體分析器，通過對混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)的測量來分析氣體混合物中某一個待測組分的含量，如N2，O2，CO2，CO，H2等。廣泛用于氣相色譜儀中。測量原理 由熱力學(xué)知，混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)為：式中：ii組分的導(dǎo)熱系數(shù)

10、Cii組分的體積濃度假定： C1為待測組分的體積濃度；23n； 1與2有明顯差異。則：第16頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四熱導(dǎo)檢測器的工作原理結(jié)構(gòu)因數(shù)值很小，故將的測量轉(zhuǎn)為熱絲電阻的測量。 鉑絲（電熱絲） 長l，半徑rn，lrn，溫度tn，熱導(dǎo)池 半徑rc，溫度tc散熱進出氣體流速很低， 熱絲主要靠氣體導(dǎo)熱來散熱。電流一定時，越大，散熱量越大，熱絲溫度越低，電阻越小。熱平衡時，散熱量=電熱絲發(fā)熱量，故有：因此：測得混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)即可知1組分的體積濃度C1；導(dǎo)熱系數(shù)差異越大，測量的靈敏度越高；由于是溫度的函數(shù)，測量時需保持恒溫；當(dāng)不滿足條件 23n時，需對樣氣進行預(yù)

11、處理，如去除水份等，使之滿足上述條件。第17頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四可見，熱絲電阻與氣體導(dǎo)熱系數(shù)之間為單值函數(shù)關(guān)系。 實際熱導(dǎo)檢測器中布置有測量室和參比室。通過檢測室的為經(jīng)過組分分離的樣品氣和載氣的混合氣體，通過參比室的是純載氣，其中的熱絲R1和R3接在電橋中，構(gòu)成2個相鄰的橋臂。電橋可以測出R1的變化。R3起溫度補償?shù)淖饔?。?8頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四熱導(dǎo)池的形式 要求：導(dǎo)熱為熱絲主要散熱形式 動態(tài)相應(yīng)性好對流式單臂對流式氣流流量波動影響小響應(yīng)慢直通式雙臂分流式響應(yīng)快氣流流量波動影響大擴散式單臂擴散式氣流流量波動影響小響應(yīng)很慢

12、對流擴散式單臂對流擴散式氣流流量波動影響小響應(yīng)也快第19頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四五、氫火焰電離檢測器（FID ， Flame Ionization Detector） 氫火焰電離檢測器是一種專用的質(zhì)量濃度檢測器，對有機組分的測量靈敏度很高（約為熱導(dǎo)式檢測器的千倍），線性范圍也很寬，對無機組分不靈敏。廣泛用于氣相色譜儀，檢測HC。內(nèi)燃機中也用FID測量排氣中的總碳氫含量THC。結(jié)構(gòu)原理 HC組分在載氣的推動下進入噴嘴與H2混合，混合氣體在噴嘴出口處噴出后與空氣進行擴散型混合，被點火絲點燃后燃燒產(chǎn)生擴散型火焰。HC組分中的C原子在缺氧的擴散型火焰中變成C離子，并產(chǎn)生

13、相應(yīng)數(shù)量的電子。在火焰附近布置有兩個電極，其上施加有90V200V的電壓。在該電場的作用下，C離子飛向-極，電子飛向+極，在回路中形成電流，該電流的大小與HC組分中所含C原子的數(shù)目成正比。測出該電流的大小，即可知樣品氣中總碳氫化合物的質(zhì)量濃度THC。電壓控制： 90V200V太低，對C離子吸收不好太高，電極間氣體放電第20頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四第 4 節(jié) 紅外光譜法測量氣體成分氣體對紅外輻射的反應(yīng)：單原子氣體和具有對稱分子結(jié)構(gòu)的雙原子氣體（如 H2，N2，O2等)：不吸收具有不對稱分子結(jié)構(gòu)的雙原子氣體（如 CO，CO2，H2O等)：在特定波段吸收 如同 “物質(zhì)

14、指紋”。根據(jù)特定的吸收波譜，可知組分的種類和濃度。下圖為CO，CO2，C6H14，C3H8的吸收波譜。Bill定律描述一定波長的紅外吸收強度與氣體濃度的關(guān)系式中：I0入射強度I經(jīng)吸收后的透射強度k氣體對波長的紅外輻射的吸收系數(shù)，常數(shù)。c氣體濃度l透射過的氣體厚度第21頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四不分光紅外線氣體分析儀（NDIR，Non-Dispersive Infrared Analyzer)結(jié)構(gòu)紅外輻射光源10，反射鏡測量室：兩端開窗，內(nèi)充待測氣體反射鏡濾光器：僅讓指定波段的紅外輻射通過光電檢測器 為給信號提供零點，還需設(shè)置：參比室：兩端開窗，內(nèi)充比較氣體（N2)

15、斬光器：使紅外輻射交替通過測量室和 參比室測量原理無樣氣進入時：有樣氣進入時：注意點： 樣氣需嚴(yán)格除濕、除塵 儀器需經(jīng)常標(biāo)定標(biāo)定方法：充已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣NDIR是內(nèi)燃機測試CO,CO2排放的標(biāo)準(zhǔn)方法。第22頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四不分光紅外線氣體分析儀的機芯英國城市技術(shù)公司第23頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四第 5 節(jié) 化學(xué)發(fā)光法測量氮氧化合物濃度NOX是NO與NO2的總稱。一般內(nèi)燃機排氣中的NOX，NO占95%，NO2占5%。在內(nèi)燃機燃燒過程中，燃燒室內(nèi)溫度越高，高溫持續(xù)時間越久，混合氣中O2含量越高，排氣中的NOX濃度越高。NO2會

16、溶于冷凝水，生成硝酸，腐蝕設(shè)備，吸附于管壁，造成測量誤差。故取樣測量系統(tǒng)需加熱，保持在水的凝點之上。化學(xué)發(fā)光法（CLD，Chemiluminescent Detector)僅能測量NO的濃度，可將NO2用加熱的方法還原為NO后再測量，得到NOX的濃度。測量原理 NO與O3在反應(yīng)室中將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)中的過剩能量促成了激發(fā)態(tài)NO2*分子的產(chǎn)生。激發(fā)態(tài)NO2*分子在躍遷到基態(tài)而趨于穩(wěn)定時，會發(fā)射波長范圍為0.63 m的光子（hv)近紅外線，這種化學(xué)發(fā)光的反應(yīng)機理可描述為：反應(yīng)體系的發(fā)光強度I與NO和O3的濃度成正比。當(dāng)O3的濃度充分大以至可以忽略反應(yīng)過程中其濃度的變化時，第24頁，共41頁，20

17、22年，5月20日，7點46分，星期四測量流程第25頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四第 6 節(jié) 煙度測量內(nèi)燃機排煙的產(chǎn)生與成分： 黑煙：主要是不完全燃燒生成的碳煙顆粒，還含有硫酸霧、多環(huán)芳香烴等液體成分和各種金屬及鹽類微粒；白煙：是高沸點的未燃烴和水蒸汽混合而成的液態(tài)顆粒，它的直徑一般在1.0微米左右，主要是在冷起動時產(chǎn)生，溫度低于250oC蘭煙：主要是未燃燒的烴，有燃油和潤滑油，以及燃燒中間產(chǎn)物，其顆粒較小，一般在05微米以下，藍煙主要是在暖機時產(chǎn)生，溫度在250650oC，當(dāng)發(fā)動機溫度提高后，藍煙就會消失。煙度的測量方法：哈特里奇（Hartridge)煙度計，透光型

18、，連續(xù)測量，分度值：0（空氣） 100（不透光）波許（Bosch)煙度計，濾紙式，非連續(xù)測量，分度值：0（白濾紙） 10（全黑濾紙）馮布蘭德（Von Brand)煙度計，濾紙式，自動進紙，連續(xù)測量，分度值：0（白濾紙） 100（全黑濾紙）第26頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四一、哈特里奇（Hartridge)煙度計結(jié)構(gòu)光源，光電池，排氣測試管空氣校正管測量原理排氣的透光度反映了排氣的煙度。用光電池接受光源透過排氣射來的光產(chǎn)生的光電流。煙度越大，光電流越小。零點校正煙度計刻度分度：0100特點響應(yīng)快連續(xù)測量易污染注意事項光學(xué)系統(tǒng)清潔取樣壓力控制第27頁，共41頁，2022

19、年，5月20日，7點46分，星期四二、波許（Bosch)煙度計結(jié)構(gòu)光源，光電管，表頭測量原理在一定的取氣口用定容抽氣泵抽取排氣，使一定容積的排氣通過濾紙，濾紙被染黑的程度能夠反映排氣中的碳煙含量。再用反射率檢測計檢測濾紙的反射率。濾紙越黑，反射率越低。煙度計刻度：010之間線性分度零點校正可變電阻調(diào)燈泡光強對新濾紙，刻度調(diào)零特點結(jié)構(gòu)簡單，使用調(diào)整方便；濾紙試樣可保存；非連續(xù)測量；只能測黑煙，不能測白煙、蘭煙；測量結(jié)果受濾紙品質(zhì)影響。第28頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四三、馮布蘭德（Von Brand)煙度計測量原理與波許煙度計類似，也是濾紙式煙度計。與波許煙度計的不同

20、點：濾紙傳送裝置自動進紙，可連續(xù)測量；濾紙傳送速度和取樣噴嘴面積可調(diào)，使煙度計靈敏度可以調(diào)節(jié)；分度值：潔白濾紙：0全黑濾紙：100第29頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四各種煙度計讀數(shù)之間的相互關(guān)系第30頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四發(fā)動機排放主要測試設(shè)備 1、汽車與摩托車共用的48”排放底盤測功機 美國寶克公司MIM4100型2、 汽車、摩托車排氣稀釋和定容采集系統(tǒng) 日本 Horiba CVS7400T3、 柴油車微粒取樣系統(tǒng)Horiba DLS7100E4、 氣體分析系統(tǒng)Horiba MEXA-7200D5、 發(fā)動機臺架測功機奧地利AVL A

21、FA335 PUMA 5 測控系統(tǒng)， AVL 439煙度計6、 中重型柴油機部分流微粒采集系統(tǒng) AVL SPC4727、 汽車、摩托車、內(nèi)燃機油耗儀AVL 735第31頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四48”排放底盤測功機滿足歐洲3號排放法規(guī)的輕型汽車（汽油車、柴油車）摩托車排放污染物測試。汽車、摩托車室內(nèi)性能試驗 動力機械與汽車、摩托車的排放性能、燃油經(jīng)濟性能、動力性能優(yōu)化匹配研究 第32頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四汽車與底盤測功機適用于美國 EPA、歐洲 ECE和中國 GB-18352等標(biāo)準(zhǔn) 精確模擬各種道路工況 (0.045%F.S)系統(tǒng)軟件標(biāo)準(zhǔn)化 、功能多樣化 整個系統(tǒng)包括主控計算機 、測功機 、司機助 、模擬風(fēng)機等 第33頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四 Horiba排氣稀釋和定容采集系統(tǒng)模擬車輛排氣與環(huán)境空氣的混合 、計算流量 ，要求無冷凝 、不影響車輛排氣 包括文氏管 、采樣袋 、負壓風(fēng)機 、控制計算機等 實現(xiàn)循環(huán)工況總量排放測量第34頁，共41頁，2022年，5月20日，7點46分，星期四柴油車微粒取樣系統(tǒng)測量汽、柴油車的氣體排放以及柴油車的微粒排