Lesson07-物位和成分檢測儀表

1、過程控制系統(tǒng)及儀表過程控制系統(tǒng)及儀表物位測量儀表物位測量儀表o檢測儀表概述o溫度檢測儀表o壓力檢測儀表o流量檢測儀表o物位檢測儀表物位檢測儀表o成分分析儀表檢測儀表主要內(nèi)容檢測儀表主要內(nèi)容 液位液位：容器中液體介質(zhì)的高低：容器中液體介質(zhì)的高低料位料位：容器中固體物質(zhì)的堆積高度：容器中固體物質(zhì)的堆積高度界面界面：兩種密度不同液體介質(zhì)的分界面的高度：兩種密度不同液體介質(zhì)的分界面的高度 物位測量在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位。例如物位測量在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位。例如蒸汽鍋爐運行時，如果汽包水位過低，就會危及鍋蒸汽鍋爐運行時，如果汽包水位過低，就會危及鍋爐的安全，造成嚴重事故。爐的安全，造成嚴重事故。

2、 物位的含義包括：物位的含義包括：2.5 物位檢測儀表物位檢測儀表 物位測量儀表類型物位測量儀表類型 A1. 靜壓式靜壓式物位測量物位測量 利用液體或物料對某定點產(chǎn)生的利用液體或物料對某定點產(chǎn)生的壓力隨液位高壓力隨液位高度而變化度而變化的原理而工作。的原理而工作。2浮力式浮力式物位測量物位測量 利用浮子所受的利用浮子所受的浮力隨液位高度而變化浮力隨液位高度而變化的原理的原理工作。工作。3. 電氣式電氣式物位測量物位測量 利用敏感元件將利用敏感元件將物位的變化轉(zhuǎn)換為電量物位的變化轉(zhuǎn)換為電量參數(shù)的參數(shù)的變化，而得知物位。變化，而得知物位。4. 核輻射式核輻射式物位測量物位測量 利用核輻射線穿透物料

3、時，利用核輻射線穿透物料時，核輻射線的透射核輻射線的透射強度隨物質(zhì)層的厚度而變化強度隨物質(zhì)層的厚度而變化的原理進行測量。的原理進行測量。5. 聲學式聲學式物位測量物位測量 測量測量超聲波在物質(zhì)中傳播時間的長短超聲波在物質(zhì)中傳播時間的長短，據(jù)此，據(jù)此可測出物位?？蓽y出物位。6. 光學式光學式物位測量物位測量 利用利用光波在傳播中可被不同的物質(zhì)界面遮斷光波在傳播中可被不同的物質(zhì)界面遮斷和反射和反射的原理測量物位。的原理測量物位。物位測量儀表類型物位測量儀表類型 B靜壓式液位變送器靜壓式液位變送器浮球液位變送器浮球液位變送器浮球液位變送器浮球液位變送器靜壓式液位變送器靜壓式液位變送器電容式物位變送器

4、電容式物位變送器超聲波物位變送器超聲波物位變送器2.5.1 浮力式液位變送器浮力式液位變送器恒定浮力恒定浮力變浮力變浮力0%100%mgFF=mg恒定浮力式恒定浮力式可通過電位器或可通過電位器或數(shù)碼盤將位移轉(zhuǎn)數(shù)碼盤將位移轉(zhuǎn)換為電信號換為電信號變浮力式液位變送器變浮力式液位變送器F=mg+FmgFV1V2F p1= H g + p2 p = p1 - p2= H g 式中：式中： H液位高度；液位高度； 介質(zhì)密度；介質(zhì)密度； g重力加速度。重力加速度。p2p12.5.2 差壓式液位變送器差壓式液位變送器 利用測量容器利用測量容器底部和頂部的壓差底部和頂部的壓差測液位。測液位。2.5.2.1 測量

5、原理測量原理 設(shè)容器上部空間為干燥氣體，其壓力為設(shè)容器上部空間為干燥氣體，其壓力為p2，下，下部取壓點壓力為部取壓點壓力為p1 ，則：，則：雙法蘭雙法蘭若被測容器是若被測容器是敞口敞口的，則氣相壓力為大氣壓，的，則氣相壓力為大氣壓，只需將差壓變送器的負壓室通大氣，或用壓力變送只需將差壓變送器的負壓室通大氣，或用壓力變送器、或用壓力表即可測量。因為壓力變送器和壓力器、或用壓力表即可測量。因為壓力變送器和壓力表都是測量與大氣壓之差。表都是測量與大氣壓之差。注意注意：當儀表安裝與容：當儀表安裝與容器底部不在同一水平，則需進行零點遷移。器底部不在同一水平，則需進行零點遷移。單法蘭單法蘭2.5.2.2用

6、法蘭式差壓變送器測量液位用法蘭式差壓變送器測量液位 在測量含有結(jié)晶顆粒、有腐蝕性、粘度大、易凝在測量含有結(jié)晶顆粒、有腐蝕性、粘度大、易凝固等液體液位時，引壓管線可能被腐蝕、被堵塞。可固等液體液位時，引壓管線可能被腐蝕、被堵塞?？墒褂眉痈綦x膜盒的法蘭式差壓變送器。使用加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器。 插入式法蘭插入式法蘭平法蘭平法蘭非導(dǎo)電液體非導(dǎo)電液體2.5.3 電容式物位變送器電容式物位變送器 利用電容器的利用電容器的極板之間介質(zhì)變化極板之間介質(zhì)變化時，電容量也時，電容量也相應(yīng)變化的原理測物位?？蓽y量液位、料位和兩種相應(yīng)變化的原理測物位。可測量液位、料位和兩種不同液體的分界面。不同液體的分界面。

7、圓柱形電容器的電容量為圓柱形電容器的電容量為dDLCln=2 2為介電系數(shù)為介電系數(shù)非導(dǎo)電液體：金屬棒為內(nèi)電極，非導(dǎo)電液體：金屬棒為內(nèi)電極，金屬圓筒為外電極金屬圓筒為外電極導(dǎo)電液體：金屬棒套絕緣層為導(dǎo)電液體：金屬棒套絕緣層為內(nèi)電極，容器外殼為外電極內(nèi)電極，容器外殼為外電極0H = 0時：時：H0時：時：C =dD2HlndD2(L-H)0ln設(shè)空氣的介電系數(shù)為設(shè)空氣的介電系數(shù)為0，被測物料的介電系數(shù)為被測物料的介電系數(shù)為dD2L0C0ln=dD2H(-0 )C = C C0ln= kH 電容的變化量電容的變化量與液位成正比與液位成正比。非導(dǎo)電液體非導(dǎo)電液體LDd0H導(dǎo)電液體導(dǎo)電液體內(nèi)電極內(nèi)電極

8、外電極外電極絕緣層絕緣層0D0dDL設(shè)空氣的介電系數(shù)為設(shè)空氣的介電系數(shù)為0，絕緣層的介電系數(shù)為絕緣層的介電系數(shù)為H = 0 時：時：H 0 時：時：C = C C0= kHdD02L0C0ln=D0D-d2C =dD2HlndD02(L-H)0lnHdDdD)lnln(2002.5.4 超聲波液位計超聲波液位計利用超聲波在液體中傳播有較好的方向性，且傳播過利用超聲波在液體中傳播有較好的方向性，且傳播過程中能量損失較少，遇到分界面時能反射的特性，可程中能量損失較少，遇到分界面時能反射的特性，可用用回聲測距回聲測距的原理，測定超聲波發(fā)射后遇液面反射回的原理，測定超聲波發(fā)射后遇液面反射回來的時間，以

9、確定液面的高度。來的時間，以確定液面的高度。tTvH)(21若速度若速度v為常數(shù)，可測時間為常數(shù)，可測時間 t 算出液算出液面高度面高度H。因速度對溫度敏感，所因速度對溫度敏感，所以使用時需要補償由以使用時需要補償由 T 造成的造成的 v 變變化?；?。v超聲波在液體超聲波在液體中的傳播速度中的傳播速度若測料位，則超若測料位，則超聲波物位計安裝聲波物位計安裝在容器頂部在容器頂部.超聲波物位計超聲波物位計過程控制系統(tǒng)及儀表過程控制系統(tǒng)及儀表成分檢測儀表成分檢測儀表o檢測儀表概述o溫度檢測儀表o壓力檢測儀表o流量檢測儀表o液位檢測儀表o成分分析儀表成分分析儀表檢測儀表主要內(nèi)容檢測儀表主要內(nèi)容 所謂成

10、分，是指在多種物質(zhì)的混合物中某一種物所謂成分，是指在多種物質(zhì)的混合物中某一種物質(zhì)所占的比例質(zhì)所占的比例。例如，組分，黏度、濃度、密度和例如，組分，黏度、濃度、密度和pH值等。值等。目的：提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)安全目的：提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)安全分析儀表：分析儀表：l實驗分析儀表：定期采樣，由實驗室離線測定實驗分析儀表：定期采樣，由實驗室離線測定l過程分析儀表：利用儀表，連續(xù)在線測定過程分析儀表：利用儀表，連續(xù)在線測定2.6 成分分析儀表成分分析儀表 按測量原理：按測量原理：l電化學式電化學式l熱學式熱學式l光學式光學式按使用場合：按使用場合：l實驗室分析儀實驗室分析儀l過程分析儀過程分析儀l自

11、動分析儀自動分析儀l在線分析儀在線分析儀2.6 成分分析儀表成分分析儀表 過程分析儀過程分析儀l安裝在現(xiàn)場安裝在現(xiàn)場l自動采樣、預(yù)處理自動采樣、預(yù)處理(冷卻、加熱、氣化、減壓等冷卻、加熱、氣化、減壓等)l自動分析、信號處理及遠傳自動分析、信號處理及遠傳l適合生產(chǎn)過程的監(jiān)控適合生產(chǎn)過程的監(jiān)控2.6 成分分析儀表成分分析儀表 2.6.1 熱導(dǎo)式氣體分析儀：測量混合氣體組分熱導(dǎo)式氣體分析儀：測量混合氣體組分工作原理工作原理根據(jù)根據(jù)不同種類的氣體具有不同的熱傳導(dǎo)能力不同種類的氣體具有不同的熱傳導(dǎo)能力的特性，的特性，通過導(dǎo)熱能力的差異分析氣體的組分和含量。通過導(dǎo)熱能力的差異分析氣體的組分和含量。 幾種彼

12、此間無相互作用的氣體混合在一起時，混合幾種彼此間無相互作用的氣體混合在一起時，混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)近似等于各成分導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)學平氣體的導(dǎo)熱系數(shù)近似等于各成分導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)學平均值均值niiic1混合氣體混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)第第 i 種氣體含量種氣體含量第第 i 種氣體種氣體導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)2.6.1 熱導(dǎo)式氣體分析儀：測量混合氣體組分熱導(dǎo)式氣體分析儀：測量混合氣體組分使用場合使用場合工業(yè)生產(chǎn)中最早使用的自動氣體分析儀。工業(yè)生產(chǎn)中最早使用的自動氣體分析儀。常用于混合氣體中常用于混合氣體中H2、CO2、NH3、SO2、鍋爐煙、鍋爐煙氣等組分的百分含量測定；氣等組分的百分含量測定；也常用于色譜分析儀

13、的檢測器。也常用于色譜分析儀的檢測器。 若混合氣體中僅有兩種導(dǎo)熱系數(shù)已知的氣體構(gòu)成，則若混合氣體中僅有兩種導(dǎo)熱系數(shù)已知的氣體構(gòu)成，則121212112211)()1 (ccccc則則與與 c1 成單值函數(shù)關(guān)系，可由成單值函數(shù)關(guān)系，可由求得求得 c1。p 可測多種氣體混合中某一氣體含量，只要除被測可測多種氣體混合中某一氣體含量，只要除被測氣體外，其它氣體導(dǎo)熱系數(shù)近似相等氣體外，其它氣體導(dǎo)熱系數(shù)近似相等p 被測氣體導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)與其余氣體導(dǎo)熱系數(shù)相差明被測氣體導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)與其余氣體導(dǎo)熱系數(shù)相差明顯，且越明顯，靈敏度越大顯，且越明顯，靈敏度越大p 當混合氣體中有多種導(dǎo)熱系數(shù)相差較大的氣體，當混合氣體中有多

14、種導(dǎo)熱系數(shù)相差較大的氣體，只要用一定預(yù)處理裝置去除只要用一定預(yù)處理裝置去除“干擾干擾”即可即可熱導(dǎo)式檢測器熱導(dǎo)式檢測器熱導(dǎo)式氣體分析儀組成熱導(dǎo)式氣體分析儀組成熱導(dǎo)池熱導(dǎo)池+測量電橋測量電橋?qū)嵯禂?shù)變化導(dǎo)熱系數(shù)變化電阻變化電阻變化導(dǎo)熱系數(shù)大時，散導(dǎo)熱系數(shù)大時，散熱好，電阻絲溫度熱好，電阻絲溫度下降多，電阻變小下降多，電阻變小檢測電橋：補償溫度變化檢測電橋：補償溫度變化為補償溫度，使用與測量室完全相同的構(gòu)造，稱參比室。為補償溫度，使用與測量室完全相同的構(gòu)造，稱參比室。R1、R3為測量室電阻；為測量室電阻；R2、R4為參比室電阻。為參比室電阻。雙電橋檢測電路雙電橋檢測電路 2.6.2 紅外線氣體分析

15、儀紅外線氣體分析儀根據(jù)不同的根據(jù)不同的氣體對不同波長的紅外線具有選擇性吸收氣體對不同波長的紅外線具有選擇性吸收的特征制成。的特征制成。使用范圍寬，不僅可以分析氣體，也可分析溶液，且使用范圍寬，不僅可以分析氣體，也可分析溶液，且靈敏度較高，反應(yīng)迅速，有著廣泛的應(yīng)用。靈敏度較高，反應(yīng)迅速，有著廣泛的應(yīng)用。紅外線是波長為紅外線是波長為0.76300 m mm之間之間的不可見電磁波，的不可見電磁波，在工業(yè)紅外線氣體分析儀中，使用的紅外線波長一般在工業(yè)紅外線氣體分析儀中，使用的紅外線波長一般在在125 m mm之間。之間。可見光可見光紫外線紫外線紅外線紅外線實驗證明，除氦、氖、氬等單原子惰性氣體及氫、實

16、驗證明，除氦、氖、氬等單原子惰性氣體及氫、氧、氮、氯等具有對稱結(jié)構(gòu)的雙原子氣體外，氧、氮、氯等具有對稱結(jié)構(gòu)的雙原子氣體外，大部大部分多原子氣體分多原子氣體如如CO、CO2、CH4等，等，對對125 m mm波波長范圍的紅外線都有強烈的選擇性吸收的特性長范圍的紅外線都有強烈的選擇性吸收的特性。如圖，如圖，CO對波長為對波長為4.55 m mm的紅外線的紅外線具有強烈的吸收作用。具有強烈的吸收作用。紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀根據(jù)朗伯根據(jù)朗伯-貝爾定律，當光通過吸收介質(zhì)時，其貝爾定律，當光通過吸收介質(zhì)時，其強度隨介質(zhì)的濃度和厚度按指數(shù)規(guī)律衰減。強度隨介質(zhì)的濃度和厚度按指數(shù)規(guī)律衰減。cleIIm

17、 m 0 式中：式中： I0 射入時的光強；射入時的光強； I 透出時的光強；透出時的光強； l 介質(zhì)厚度；介質(zhì)厚度； c 吸收介質(zhì)的濃度；吸收介質(zhì)的濃度； m m 吸收系數(shù)吸收系數(shù) 紅外線氣體分析儀就是根據(jù)這一定律，測某波紅外線氣體分析儀就是根據(jù)這一定律，測某波長紅外線的透射強度。從波長光強被吸收的程度，長紅外線的透射強度。從波長光強被吸收的程度，推知該組分在混合氣中的濃度。推知該組分在混合氣中的濃度。紅外線氣體分析儀組成紅外線氣體分析儀組成測量氣室測量氣室+參比氣室參比氣室+接受氣室接受氣室+電容式差壓計電容式差壓計 用碳化硅白熾燈作為光源產(chǎn)生紅外線，經(jīng)反用碳化硅白熾燈作為光源產(chǎn)生紅外線，

18、經(jīng)反光鏡反射成兩束平行光線。光鏡反射成兩束平行光線。 用電機帶動切光片（開有對稱孔的鋁片），用電機帶動切光片（開有對稱孔的鋁片），將兩束紅外線調(diào)制成幾赫茲的矩形波。將兩束紅外線調(diào)制成幾赫茲的矩形波。如果混合氣體中有和被測組分的吸收峰相重疊如果混合氣體中有和被測組分的吸收峰相重疊的干擾組分，就在干擾濾光室里面充以高濃度的干擾的干擾組分，就在干擾濾光室里面充以高濃度的干擾氣體，使混合氣體中干擾組分可能吸收的輻射能在這氣體，使混合氣體中干擾組分可能吸收的輻射能在這里全部被吸收掉。里全部被吸收掉。 測量氣室連續(xù)通過被測混合氣體。參比氣室測量氣室連續(xù)通過被測混合氣體。參比氣室內(nèi)密封著氮、氬等對紅外線完全

19、不吸收的氣體。內(nèi)密封著氮、氬等對紅外線完全不吸收的氣體。 薄膜電容接收器是在兩個接收氣室之間設(shè)置薄膜電容接收器是在兩個接收氣室之間設(shè)置一薄膜彈片和固定極板構(gòu)成的電容。兩個接收氣室分一薄膜彈片和固定極板構(gòu)成的電容。兩個接收氣室分別接受由測量氣室和參比氣室透出的紅外線。別接受由測量氣室和參比氣室透出的紅外線。 接收氣室內(nèi)封有濃度較大的待測組分氣體，它能將接收氣室內(nèi)封有濃度較大的待測組分氣體，它能將射入的符合其吸收波長的紅外線幅射能全部吸收，變?yōu)樯淙氲姆掀湮詹ㄩL的紅外線幅射能全部吸收，變?yōu)榻邮諝馐覂?nèi)的氣體溫度變化和壓力變化。接收氣室內(nèi)的氣體溫度變化和壓力變化。當測量氣室中無待測組分時，調(diào)整兩束光

20、的強度，當測量氣室中無待測組分時，調(diào)整兩束光的強度，使其達到上下接收室的光強相等，此時兩邊氣體壓力相使其達到上下接收室的光強相等，此時兩邊氣體壓力相等，薄膜片不變形，電容量不改變，接收器無輸出。等，薄膜片不變形，電容量不改變，接收器無輸出。 當測量氣室中有待測組分時，上接收氣室就吸當測量氣室中有待測組分時，上接收氣室就吸收到的能量比下接收氣室小，兩個接收氣室溫度不收到的能量比下接收氣室小，兩個接收氣室溫度不同，出現(xiàn)壓力差，推動中心薄膜片變形，改變了與同，出現(xiàn)壓力差，推動中心薄膜片變形，改變了與固定極板間的距離，即改變了電容量。測定此電容固定極板間的距離，即改變了電容量。測定此電容量的變化幅度，

21、便可知樣氣中待測組分的濃度。量的變化幅度，便可知樣氣中待測組分的濃度。 2.6.3 氣相色譜分析儀氣相色譜分析儀特點：特點：先分離，再分析，先分離，再分析，分離能力強，分析靈敏分離能力強，分析靈敏度高、速度快和樣品用量少。度高、速度快和樣品用量少。例如分析石油產(chǎn)品時，一次可分離分析一百多種例如分析石油產(chǎn)品時，一次可分離分析一百多種組分；在分析超純氣體時，可鑒定出組分；在分析超純氣體時，可鑒定出1ppm (ppm為濃度單位，表示百萬分之為濃度單位，表示百萬分之)，甚至，甚至0.1 ppb (ppb表示十億分之一表示十億分之一) 的組分。的組分。目前被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、食目前被廣泛

22、應(yīng)用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、食品等生產(chǎn)及科研中。品等生產(chǎn)及科研中。碳碳酸酸鈣鈣吸吸附附劑劑色譜分析原理色譜分析原理被測氣體在載氣攜帶下按一定方向通過色譜被測氣體在載氣攜帶下按一定方向通過色譜柱，各成分與吸附劑作用，吸附作用強的成柱，各成分與吸附劑作用，吸附作用強的成分脫附慢，吸附作用弱的成分脫附快，則各分脫附慢，吸附作用弱的成分脫附快，則各成分由于通過色譜柱速度不同而分開，時間成分由于通過色譜柱速度不同而分開，時間上先后依次通過色譜柱，逐個進入檢測器接上先后依次通過色譜柱，逐個進入檢測器接受測定與分析受測定與分析移動相是液態(tài)的稱為液相色譜，移動相是氣移動相是液態(tài)的稱為液相色譜，移動相是氣態(tài)的

23、稱為氣相色譜。態(tài)的稱為氣相色譜。實用的氣相色譜儀由色譜柱、檢測器及載氣、實用的氣相色譜儀由色譜柱、檢測器及載氣、采樣等輔助裝置組成。采樣等輔助裝置組成。色譜柱色譜柱 一般的一般的色譜柱色譜柱，是在直徑約，是在直徑約36mm、長約、長約14m的玻璃或金屬細管中，填裝固體吸附劑顆粒構(gòu)的玻璃或金屬細管中，填裝固體吸附劑顆粒構(gòu)成。稱為固定相。常用的固體吸附劑有氧化鋁、硅成。稱為固定相。常用的固體吸附劑有氧化鋁、硅膠、活性炭、分子篩等。膠、活性炭、分子篩等。 用氫、氮、空氣等用氫、氮、空氣等作作“載氣載氣”，運載被分，運載被分析樣氣通過固定相。載析樣氣通過固定相。載氣和被分析樣氣稱為移氣和被分析樣氣稱為

24、移動相。動相。分離過程分離過程 設(shè)樣氣中有設(shè)樣氣中有A、B、C三種不同的成分。三種不同的成分。從色譜柱分離從色譜柱分離原理可知，被分析的原理可知，被分析的樣氣應(yīng)當是脈沖式輸樣氣應(yīng)當是脈沖式輸入，在載氣的推動下入，在載氣的推動下通過色譜柱。在流動通過色譜柱。在流動的過程中，吸附性小的過程中，吸附性小的成分前進速度快，的成分前進速度快，C、B、A各組分依各組分依次從色譜柱流出。次從色譜柱流出。 樣氣中樣氣中A、B、C三種不同的成分，經(jīng)色譜柱分離三種不同的成分，經(jīng)色譜柱分離后，依次進入檢測器。檢測器輸出隨時間變化的曲后，依次進入檢測器。檢測器輸出隨時間變化的曲線稱為色譜流出曲線或色譜圖，線稱為色譜流出曲線或色譜圖， 色譜圖上色譜圖上三個峰的面積三個峰的面積（或高度）分（或高度）分別代表相應(yīng)組別代表相應(yīng)組分在樣品中的分在樣品中的濃度大小。濃度大小。 檢測器的作用是將由色譜柱分離的各組分進行檢測器的作用是將由色譜柱分離的各組分進行定量的測定。常用的檢測器有熱導(dǎo)式和氫火焰電離定量的測定。常用的檢測器有熱導(dǎo)式和氫火焰電離式。氫火焰電離式檢測器的靈敏度比熱導(dǎo)式高式。氫火焰電離式檢測器的靈敏度比熱導(dǎo)式高1000倍，只能檢測有機碳氫化合物等在火焰中可電離的倍，只能檢測有機碳氫化合物等在火焰中可電離的組分。組分。氫火焰電離檢測器氫火焰電離檢測器2.