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(lái)對(duì)物料的成分組成以及各種物理、化學(xué)特性進(jìn)行測(cè)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(jì)第五節(jié) 工業(yè)酸度計(jì)第六節(jié) 濕度檢測(cè)儀表第1頁(yè)，共37頁(yè)。第一節(jié) 紅外線氣體分析儀 紅外線（infrared）是波長(zhǎng)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(xué)分析儀器，是利用不同氣體對(duì)紅外輻射能選擇性吸收原理來(lái)工作的。它常用來(lái)檢測(cè)CO、CO2、SO2、CH4 和H2O等氣體的濃度，能連續(xù)測(cè)量，測(cè)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，已成為成分分析儀表的一個(gè)重要分支。第2頁(yè)，共37頁(yè)。一、工作原理凡是不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的雙原子和多原子氣體（CO、CO2、SO2、CH4等）對(duì)紅外線都有一定吸收能力，但不是在紅外波段的整個(gè)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(cè)氣體組分的濃度有關(guān)，通過測(cè)量溫度或壓力的變化就可以準(zhǔn)確地獲得被分析氣體的濃度。 第3頁(yè)，共37頁(yè)。 CO 、CO2氣體的紅外線吸收特性波長(zhǎng)（m）CO2兩個(gè)特征吸收波段2.62.9m及4.14.5 m；

3、CO吸收波長(zhǎng)為2.37 m和4.65m。 第4頁(yè)，共37頁(yè)。朗伯貝爾定律紅外線通過介質(zhì)層時(shí)，介質(zhì)吸收了相應(yīng)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(qiáng)度, I為紅外線出射強(qiáng)度，c為待測(cè)組分濃度， 為待測(cè)組分對(duì)波長(zhǎng)為的紅外線的吸收系數(shù)。當(dāng)I0、 l一定時(shí)，輻射強(qiáng)度的變化只與待測(cè)組分c有關(guān) 。0Ilc第5頁(yè)，共37頁(yè)。二、基本組成 光源、同步電機(jī)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?yàn)V去干擾氣體所對(duì)吸收峰的紅外輻射能，去除干擾氣體對(duì)測(cè)量的影響； 參比室與測(cè)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(cè)量室則通入流動(dòng)的被測(cè)氣體，紅外線能量被吸收而減弱；檢測(cè)室(薄膜,定片)：檢測(cè)室的作用是用來(lái)接收從參比室與測(cè)量室射出的紅外線，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)；檢測(cè)系統(tǒng)：將紅外探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大轉(zhuǎn)成統(tǒng)一的直流電信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，將分析結(jié)果顯示出來(lái)，還可根據(jù)需要輸出濃度極值和故障狀態(tài)報(bào)警信號(hào)。 第6頁(yè)，共37頁(yè)。1-光源； 2-同步電機(jī)； 3-切光片；4-濾波室； 5-參比室；6-測(cè)量室；7-檢測(cè)室；8-薄膜；9-定片；10-電氣單元； 11-微機(jī)系統(tǒng)紅外線氣體分析儀原理圖第7頁(yè)，共37頁(yè)。三、應(yīng)用舉例 窯爐尾氣CO和CO2的含量檢測(cè)：帶有自動(dòng)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?yàn)闊煔鉁囟群芨?設(shè)置冷卻系統(tǒng)。因尾氣含塵，故設(shè)置反吹、清掃系統(tǒng)。第8頁(yè)，共37頁(yè)。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(dòng)控制中應(yīng)用較多的在線分析儀表，主要用來(lái)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(jiǎn)單，反應(yīng)快捷、靈敏和適于分析高溫氣體等特點(diǎn)，成為發(fā)展最為迅速的氧量分析儀表。第9頁(yè)，共37頁(yè)。一、熱磁式氧量分析儀 當(dāng)氣體處于外磁場(chǎng)中間時(shí)，如果能被磁場(chǎng)所吸引，則該種氣體為順磁性氣體；如果能被

6、磁場(chǎng)所排斥，則該種氣體為逆磁性氣體。在具有溫度梯度和磁場(chǎng)梯度的環(huán)境中，由于氣體局部溫度升高，會(huì)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(guān)系測(cè)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(chǎng)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(duì)流進(jìn)行間接測(cè)量。第10頁(yè)，共37頁(yè)。原理互不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的多組分混合氣體的體積磁化率等于各獨(dú)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(lái)間接確定氣體中的含氧量。第11頁(yè)，共37頁(yè)。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(shè)計(jì)而成。包括兩個(gè)“半電池”：一個(gè)“半電池”是已知氧氣分壓的鉑參比電極，另一個(gè)“半電池”是含氧量未知的測(cè)量電極。兩個(gè)“半電池”電極之間用固體電介質(zhì)氧化鋯連接。在600800溫度時(shí)，氧化鋯是良好的氧離子導(dǎo)體，兩個(gè)“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(jìn)行交換。當(dāng)ZrO2兩側(cè)氧的濃度(分壓)不同時(shí)，則在兩電極之間出現(xiàn)電勢(shì)，稱為氧濃差電勢(shì)。 第12頁(yè)，共37頁(yè)。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(yīng) O2(P1)+4e2O2-參比電極(Pt)給出四個(gè)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(dá)測(cè)量電極(P2)，并發(fā)生如下反應(yīng)2O2- O2(P2)+4e放出的四個(gè)電子交給測(cè)量電極的鉑電極，使其帶負(fù)電。因此在氧化鋯兩側(cè)的鉑電極之間產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)E，其數(shù)值可由恩斯特公式計(jì)算。 第13頁(yè)，共37頁(yè)。式中，R氣體常數(shù)，為8.314J/K；T被側(cè)氣體進(jìn)入電極中的熱力學(xué)溫度，K；F法拉第常數(shù)，為96487C/mol；n 反應(yīng)時(shí)一個(gè)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(cè)量電極側(cè))的氧分壓，通常采用空氣作參比氣體。第14頁(yè)，共37頁(yè)。若被測(cè)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(cè)出E,即可知道待測(cè)氣體含氧量。第15頁(yè)，共37頁(yè)。氧化鋯氧量計(jì)正常使用條件(1)應(yīng)使氧化鋯傳感器的溫度恒定，850時(shí)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(cè)氣體和參比氣體應(yīng)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(cè)氣體中如果含有H2、CO等可燃?xì)怏w時(shí)，氣樣中將發(fā)生燃燒反應(yīng)而耗氧，不僅會(huì)造成測(cè)量誤差，而且還有爆炸的危險(xiǎn)。第16頁(yè)，共37頁(yè)。(1)兩個(gè)半電池：一個(gè)“半電池”是已知氧氣分壓的參比電極，另一個(gè)“半電池”是含氧量未知的測(cè)量電極。(2)當(dāng)兩側(cè)氣體中的O2濃度1 、 2不同時(shí)，則在兩電極之間出現(xiàn)電勢(shì)，稱為氧濃差電勢(shì)。(3)氧濃差電勢(shì)在一定溫度下，只與兩側(cè)氣體中的氧含量（濃度）有關(guān)。(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(cè)量輸出電勢(shì)來(lái)測(cè)量另一側(cè)含氧量。小結(jié):第17頁(yè)，共37頁(yè)。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(cè)物質(zhì)中的各種組分進(jìn)行分離；第二步將已經(jīng)分離的各單一組分依次進(jìn)行檢測(cè)，輸出按時(shí)間分布的幅值不同的一組峰狀信號(hào)曲線，即色譜圖，據(jù)此進(jìn)行定性和定量分析。色譜圖中信號(hào)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間稱為保留時(shí)間，由保留時(shí)間就可定性確定相應(yīng)信號(hào)所代表的物質(zhì)；根據(jù)各信號(hào)包圍的面積在全部信號(hào)曲線包圍的面積的比例可以定量分析各組分濃度。 第18頁(yè)，共37頁(yè)。氣相色譜儀測(cè)量原理當(dāng)載有樣品的流動(dòng)相流過固定相表面時(shí)，氣樣中的各組分沿色譜柱長(zhǎng)度反復(fù)在流固兩相中進(jìn)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(dá)檢測(cè)器，被檢測(cè)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(dá)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(yè)，共37頁(yè)。二、激光在線氣體分析儀 半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(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(lái)測(cè)量氣體濃度的一種技術(shù)。半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的特定波長(zhǎng)的激光束穿過被測(cè)氣體時(shí)，被測(cè)氣體對(duì)激光束進(jìn)行吸收導(dǎo)致激光強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，激光強(qiáng)度的衰減與被測(cè)氣體含量成正比，因此，通過測(cè)量激光強(qiáng)度衰減信息就可以分析獲得被測(cè)氣體的濃度?？蓽y(cè)的氣體有：O2、CO、CO2、H2O、H2S、HCl、NH3、CH4、C2H2 、HF和NOx等。 第20頁(yè)，共37頁(yè)。第四節(jié) 溶液濃度計(jì)一、電導(dǎo)式濃度儀溶液電導(dǎo)率與溶液摩爾濃度c的關(guān)系如下： =mc

13、 (m:摩爾電導(dǎo)率)電導(dǎo)率隨著溫度的升高而增加；另外，同一類的電解質(zhì)，當(dāng)濃度不同時(shí)，它的溫度系數(shù)也不一樣。下圖為幾種常見水溶液在20時(shí)電導(dǎo)率與濃度的關(guān)系曲線。 第21頁(yè)，共37頁(yè)。測(cè)量原理電導(dǎo)率與濃度本質(zhì)上為非線性關(guān)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(dǎo)率與濃度c可近似看成線性關(guān)系，即摩爾電導(dǎo)率為一常數(shù)。因此，若能在上述范圍內(nèi)，通過測(cè)量溶液的電導(dǎo)G，可獲得被測(cè)溶液的濃度，這就是電導(dǎo)式濃度儀的測(cè)量原理。 第22頁(yè)，共37頁(yè)。電導(dǎo)率的測(cè)量電導(dǎo)率的測(cè)量是通過兩個(gè)電極組成的雙電極探頭來(lái)實(shí)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(cè)溶液，如硫酸溶液中，當(dāng)勵(lì)磁線圈T1的繞組輸入一交流電壓

14、U1時(shí)，副回路中(由被測(cè)介質(zhì)構(gòu)成)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流Ie。溶液回路感應(yīng)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(dǎo)電率Xe決定。由于Ie的作用，在T2繞組就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U2產(chǎn)生。這樣在檢測(cè)線圈上可得到隨電導(dǎo)率而變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U2，通過溫度補(bǔ)償及計(jì)算能測(cè)量出瞬時(shí)濃度值。 第23頁(yè)，共37頁(yè)。二、電磁式濃度計(jì) 電磁式濃度計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)原理制成的導(dǎo)電式濃度計(jì)，如圖所示。被測(cè)液體與兩個(gè)電磁線圈的磁場(chǎng)耦合，在第一個(gè)線圈K1中通以電流，由于液體耦合在第二個(gè)線圈K2種感應(yīng)出電壓，感應(yīng)的電壓與液體的電導(dǎo)G成正比，因而也與電導(dǎo)率成正比。電磁感應(yīng)式濃度計(jì)消除了電極式導(dǎo)電

15、儀存在的極化效應(yīng)，也不受液體中沉積物的影響。第24頁(yè)，共37頁(yè)。三、密度式濃度計(jì) 密度式濃度計(jì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可通過密度檢測(cè)得到溶液的濃度。第25頁(yè)，共37頁(yè)。工業(yè)用密度式硫酸濃度測(cè)量?jī)x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(hào)一同傳送到二次儀表中，得到被測(cè)溶液濃度(密度值)，或者輸出與溶液濃度 (密度)成比例的420mADC遠(yuǎn)傳信號(hào)

16、。第26頁(yè)，共37頁(yè)。第五節(jié)工業(yè)酸度計(jì) 酸度計(jì)也稱pH計(jì)，是檢測(cè)溶液中的H+濃度(酸堿度)的儀器。工業(yè)pH計(jì)把pH值的測(cè)量轉(zhuǎn)化電勢(shì)的檢測(cè)。儀器由發(fā)送器和測(cè)量?jī)x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(yè)，共37頁(yè)。pH發(fā)送器pH發(fā)送器由參比電極和測(cè)量電極組成，這兩個(gè)電極復(fù)合制成一體，形成一個(gè)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(cè)量電極電位隨著被測(cè)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(yè)，共37頁(yè)。15678234甘汞電極的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)大的環(huán)境中。甘汞電極結(jié)構(gòu)圖1引出導(dǎo)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(yè)，共37頁(yè)。原電池及其電勢(shì)玻璃電極測(cè)量系統(tǒng)的原電池表達(dá)式為：Hg|Hg2Cl2(固),KCl(飽和)|緩沖溶液|玻璃膜|待測(cè)溶液| KCl(飽和),Hg2Cl2(固) | Hg E1 E內(nèi) E外 E2 上述表達(dá)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。可得電勢(shì)E=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(yè)，共37頁(yè)。測(cè)量原理pH0是已知的一個(gè)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(dòng)勢(shì)E與被測(cè)溶液的pH之間成對(duì)應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，測(cè)得E值，就可知被測(cè)溶液的pH值，這就是工業(yè)酸度計(jì)發(fā)送器的工作原理。第31頁(yè)，共37頁(yè)。第六節(jié)濕度檢測(cè)儀表 一、自動(dòng)干濕球濕度計(jì)干濕球濕度檢測(cè)是根據(jù)干濕球溫度差效應(yīng)原理進(jìn)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(rùn)狀態(tài)；干球：感溫元件置于待測(cè)濕度的氣體中。第32頁(yè)，共37頁(yè)。干濕球溫度差效應(yīng)與濕度干濕球溫度差效應(yīng)是指在潮濕物體表面的水分蒸發(fā)而冷卻的效應(yīng)，冷卻的程度取決于周圍空氣的相對(duì)濕度、大氣壓力以及風(fēng)速。如果大氣壓力和風(fēng)速保持不變，相對(duì)濕度愈高，潮濕物體表面的水分蒸發(fā)強(qiáng)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(duì)濕度低，水分蒸發(fā)強(qiáng)度愈大，干