自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)

自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)第一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二9

成分分析儀表

成分分析表是對物質(zhì)的成分及性質(zhì)進(jìn)行分析和測量的儀表，可以檢定、測量物質(zhì)的組成和特性，并可以用來研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。。使用成分分析儀表可以了解生產(chǎn)過程中的原料，中間產(chǎn)品及最終產(chǎn)品的性質(zhì)及其含量，配其他有關(guān)參數(shù)的測量，更易與使生產(chǎn)過程達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低材料消耗和能源消耗的目的。成分分析儀表在保證生產(chǎn)安全和防止環(huán)境污染方面更有其重要的作用。第二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二9.1成分分析方法及分析系統(tǒng)的構(gòu)成9.1.1成分分析方法及分類

成分分析的方法有兩種類型，一種是定期取樣，通過實驗室的實驗室分析方法；另一種是利用可以連續(xù)測定被測物質(zhì)的含量或性質(zhì)的自動分析儀表。成分分析所用的儀器和儀表基于多種測量原理：在進(jìn)行分析測量時，需要根據(jù)被測物質(zhì)的物理或化學(xué)性質(zhì)，來選擇適當(dāng)?shù)氖侄魏蛢x表.第三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二成分分析儀表分類

按測量對象分為：1氣體成分分析儀表分析氣體混合物中某一組分含量2液體成分分析儀表液體濃度、溶液中離子濃度3酸堿度分析儀測定溶液酸堿度4密度計測氣體及混合物、液體和固體密度5濕度計測液體、氣體及固體中水分含量6粘度計測各種分氣體及液體粘度塵量計、煙量計、霧量計分析氣體中含有各種液體及固體顆粒8石油產(chǎn)品成分及特性測定儀閃點、干點、辛烷值等9金屬分析儀碳硫含量測定儀、金屬中氣體分析儀第四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

按原理分類(1)電化學(xué)式，如電導(dǎo)電位式電解式酸度計離子濃度計等;(2)熱學(xué)式，如熱導(dǎo)式熱譜式熱化學(xué)式等;(3)磁學(xué)式，如磁式氧分析器核磁共振分析儀等;(4)射線式，如X射線分析儀射線分析儀器同位素分析儀微波分析儀等;(5)光學(xué)式，如紅外紫外等吸收式光學(xué)分析儀,光散射光干涉式光學(xué)分析儀等;(6)電子光學(xué)式和離子光學(xué)式，如電子探針離子探針質(zhì)譜儀等;(7)色譜式，如氣相色譜儀半導(dǎo)體氣敏傳感器等.(8)物性測量儀表，如水分計粘度計密度計濕度計塵量計等;(9)其他，如晶體振蕩式分析儀半導(dǎo)體氣敏傳感器等.第五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二9.1.2自動分析系統(tǒng)的構(gòu)成自動分析儀表通常是與式樣預(yù)處理系統(tǒng)組成一個分析測量系統(tǒng),以保證其良好的環(huán)境適應(yīng)性和高的可靠性,以使分析儀表的示值能代表被監(jiān)測的成分。較大型工業(yè)分析儀表測量系統(tǒng)的基本組成如圖9-1第六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

圖中，自動取樣裝置的作用是從生產(chǎn)設(shè)備中自動、快速地提取分析樣品；預(yù)處理系統(tǒng)可以采用諸如冷卻、加熱、氣化、減壓、過濾等方式對采集的分析樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，為分析儀表提供符合技術(shù)要求的式樣。取樣和試樣的設(shè)備必須注意避免液體式樣的分餾作用或氣體式樣中某些組分被吸附的情況，以保證測量的可靠性。第七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

檢測器是分析儀表的核心，不同原理的檢測器可以把被測組分的信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出；信息處理系統(tǒng)用于進(jìn)行微弱信號的放大、轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、補(bǔ)償?shù)忍幚恚伙@示儀表可以用模擬、數(shù)字或屏幕圖文顯示等方式給出測量分析結(jié)果。整機(jī)自動控制系統(tǒng)用于控制各個部分的協(xié)調(diào)工作，使取樣、處理和分析的全過程可以自動連續(xù)地進(jìn)行。有些分析用傳感器則不需要取樣和預(yù)處理環(huán)節(jié)，而是之間放于被測式樣中。第八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

熱導(dǎo)式氣體分析器是使用最早的一種物理式氣體分析器，它是利用不同氣體導(dǎo)熱特性不同的原理進(jìn)行分析的。常用于分析混合氣體中、、、等組分的百分含量。這類儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、體積小等優(yōu)點，是生產(chǎn)過程中使用較多的儀表之一。9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表一熱導(dǎo)式氣體分析器第九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

各種氣體都具有一定的導(dǎo)熱能力，但是程度有所不同，即各有不同的導(dǎo)熱系數(shù)。經(jīng)實驗測定，其體中氫和氦的導(dǎo)熱能力最強(qiáng)，而二氧化碳和二氧化硫的導(dǎo)熱能力較弱。氣體的導(dǎo)熱率還與氣體的溫度有關(guān)，表9-1列出在0℃時以空氣熱導(dǎo)率為基準(zhǔn)的幾種氣體的相對導(dǎo)熱率。第十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

氣體在0℃時的熱導(dǎo)率和相對熱導(dǎo)率相對導(dǎo)熱率氣體名稱相對導(dǎo)熱率氣體名稱空氣1.000一氧化碳0.964氫7.130二氧化碳0.614氧1.015二氧化硫0.344氮0.998氨0.897氦5.91甲烷1.318硫化氫0.538乙烷0.807相對導(dǎo)熱率第十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二（9-1）混合氣體的導(dǎo)熱率可以近似的認(rèn)為是個組分導(dǎo)熱率的算術(shù)平均值，即第十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

式中為混合氣體的總熱導(dǎo)率；，，….為混合氣體中各組分的熱導(dǎo)率；為混合氣體中第i組分的熱導(dǎo)率；，,….為混合氣體中各組分的體積百分含量；為混合氣體中第i組分的體積百分含量。第十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二如果被測組分的熱導(dǎo)率為，其余組分為背景組分，并假定它們的熱導(dǎo)率近似等于。又由于第十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二（9-2）即有

（9-3）在,已知的情況下，測得混合氣體的總導(dǎo)熱率

，就可以確定被測組分的體積百分含量。

將它們代入（9-1）式后可得：第十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

熱導(dǎo)式氣體分析儀工作條件

根據(jù)前面分析可知熱導(dǎo)式氣體分析儀應(yīng)滿足下列條件：

1）混合氣體中背景組分的導(dǎo)熱率必須近似相等；

2）被測組分的導(dǎo)熱率與背景組分的導(dǎo)熱率有明顯差別。對于不能滿足這個條件的多組分組合氣體，可以采取預(yù)處理的方法:。第十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二如分析煙道氣體中的含量，已知煙道氣體的組分有及水蒸氣等。其中、

導(dǎo)熱率相差太大，應(yīng)在預(yù)處理時除去。剩余的背景氣體熱導(dǎo)率相近，并與被測氣體的熱導(dǎo)率有著顯著差別，所以可用熱導(dǎo)法進(jìn)行測量。第十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

熱導(dǎo)式氣體分析儀是要通過混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)的測量來分析待測組分的含量。直接測氣體導(dǎo)熱系數(shù)來確定氣體成分比較困難，通常采用把導(dǎo)熱系數(shù)的測量轉(zhuǎn)換成電阻的測量，而電阻的變化是很容易測得的。常用熱導(dǎo)池第十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

熱導(dǎo)池?zé)釋?dǎo)式分析器的核心是測量室，稱為熱導(dǎo)池，如圖9-2所示。熱導(dǎo)池是用導(dǎo)熱良好的金屬制成的長圓柱形小室，室內(nèi)裝有一根細(xì)的鉑或鎢電阻絲，電阻絲與腔體有良好的絕緣。電源供給熱絲恒定電流，使之維持一定的溫度，高于室壁溫度，被測氣體由小室下部引入，從小室上部排出，熱絲的熱量通過混合氣體向室壁傳遞。熱導(dǎo)池一般放在恒溫裝置中，故室壁溫度恒定，熱絲的熱平衡溫度將隨被測氣體的導(dǎo)熱率變化而改變。熱絲溫度的變化使其電阻值亦發(fā)生變化，通過電阻的變化可得知氣體組分的變化，第十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

熱導(dǎo)池有不同的結(jié)構(gòu)形式，圖9-3所示為目前常用的對流擴(kuò)散式結(jié)構(gòu)形式。氣樣是由主氣路擴(kuò)散到氣室中，然后由支氣路排出，這種結(jié)構(gòu)可以使氣流具有一定速度，并且氣體不產(chǎn)生倒流。第二十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

熱導(dǎo)式分析儀表通常采用橋式測量電路，如圖9-4所示。橋路四臂接入四個氣室的熱絲電阻，測量室橋臂為，參比室橋臂為。四個氣室的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，并安裝在同一塊金屬體上，以保證各氣室的壁溫一致，參比室封有被測氣體下限濃度的氣樣。當(dāng)從測量室通過的被測氣體組分百分含量與參比室中的氣樣濃度相等時，電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)被測組分發(fā)生變化時，將發(fā)生變化，使電橋失去平衡，其輸出信號的變化值就代表了被測組分含量的變化。第二十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二熱導(dǎo)式分析儀表最常用于鍋爐煙氣分析和氫純度分析，也常用作色譜分析儀的檢測器。在線使用這種分析儀表時，要有采樣及預(yù)處理裝置。第二十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二紅外線氣體分析器屬于光學(xué)分析儀表中的一種。它是利用不同氣體對不同波長的紅外線具有選擇性吸收的特性來進(jìn)行分析的。這類儀表的特點是測量范圍寬；靈敏度高，能分析的氣體體積分?jǐn)?shù)可到；反映速度快、選擇性好。紅外線氣體分析器常用于連續(xù)分析混合氣體中等氣體的濃度。

二

紅外線氣體分析器第二十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

大部分有機(jī)或無機(jī)氣體在紅外波段內(nèi)有其特征的吸收峰，即對紅外線吸收有選擇性：只吸收某一波長或幾個波長范圍的紅外輻射，對雙原子分子、惰性氣體沒有吸收能力（O2、

N2

、Cl2、H2

、Ar、He、Ne）。圖9-5所示為一些氣體的吸收光譜，紅外線氣體分析器主要利用2～25μm之間的一段紅外光譜。

co

2.674.654.65處能力最強(qiáng)

co22.784.26CH43.37.65

第二十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第二十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

紅外線氣體分析器一般由紅外輻射源、測量氣樣室、紅外探測裝置等組成。從紅外光源發(fā)出強(qiáng)度為的平行紅外線，被測組分選擇吸收其特征波長的輻射能，紅外線強(qiáng)度將減弱為。紅外線通過吸收物質(zhì)前后強(qiáng)度的變化與被測組分濃度的關(guān)系服從朗伯—貝爾定律：

（9-4）式中K為被測組分吸收系數(shù)；C為被測組分濃度；L

為光線通過被測組分的吸收層厚度。第二十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

非色散型儀表中，由紅外輻射源發(fā)出來連續(xù)紅外線光譜，包括被測氣體特征吸收峰波長的紅外線在內(nèi)。被分析氣體連續(xù)通過測量氣樣室，被測組分將選擇性地吸收其特征波長紅外線的輻射能，使從氣樣室透過的紅外線強(qiáng)度減弱。

當(dāng)入射紅外線強(qiáng)度和氣室結(jié)構(gòu)等參數(shù)確定后，測量紅外線的透過強(qiáng)度就可以確定被測組分濃度的大小。工業(yè)用紅外線氣體分析器有非色散（非分光）型和色散（分光）型兩種型式。第二十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

色散型儀表采用單色光的測量方式。圖9-6所示為一種時間雙光路紅外線氣體分析器的組成框圖。其測量原理是利用兩個固定波長的紅外線通過氣樣室，被測組分選擇性地吸收其中一個波長的輻射，而不吸收另一波長的輻射。對兩個波長輻射能的透過比進(jìn)行連續(xù)測量，就可以得知被測組分的濃度。這類儀表使用的波長可在規(guī)定的范圍內(nèi)選擇，可以定量地測量具有紅外吸收作用的各種氣體。第二十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第二十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

圖9-6中的分析其組成由預(yù)處理器、分析箱和電器箱三個部分。分析箱內(nèi)有光源、切光盤、氣室、光檢測器及前置放大電路等。在切光盤上裝有四組干涉濾光片，其透射波長與被分析氣體的特征吸收峰波長相同；交叉安裝的另兩組為參比濾光片，其透射波長則是不被任何分析氣體吸收的波長。切光盤上還有與參比濾光片位置相對應(yīng)的同步窗口，同步燈通過同步窗口使光敏管接受信號，以區(qū)別是哪一個窗口對準(zhǔn)氣室。第三十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

氣室有兩個，紅外光先射入一個參比氣室，它是作為濾波氣室，室內(nèi)封閉著與被測氣體有重疊吸收峰的干擾成分；工作氣室即測量氣室則有被測氣體連續(xù)地流過。由光源發(fā)出的紅外輻射光在切光盤轉(zhuǎn)動時被調(diào)制，形成了交替變化的雙光路，使兩種波長的紅外光線輪流地通過參比氣室和測量氣室，半導(dǎo)體銻化銦光監(jiān)測器接受紅外輻射并轉(zhuǎn)換出與兩種紅外光強(qiáng)度相對應(yīng)的參比信號與測量信號。

第三十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

當(dāng)測量氣室中不存在被測組分時，光檢測器接收到的是未被吸收的紅外光，測量信號與參比信號相等，二者之差為零。當(dāng)測量氣室中存在測量組分時，測量光束的能量被吸收，光檢測器接收到的測量信號將小于參比信號，二者的差值與被測組分的濃度成正比。這種儀表采用時間雙光路系統(tǒng)具有更高的選擇性和穩(wěn)定性，還具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、耐振、可靠性高和對樣氣的預(yù)處理要求低等優(yōu)點，如果加入溫度補(bǔ)償，可以進(jìn)一步提高儀表精度。第三十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二氧化鋯分析器屬于電化學(xué)分析方法，這種分析器的優(yōu)點是靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、測量范圍寬（從到百分含量），而且不需要復(fù)雜的采樣和預(yù)處理系統(tǒng)，它的探頭可以直接插入煙道中連續(xù)地分析煙氣中的氧含量。

三氧化鋯氧分析器第三十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二氧化鋯分析器的基本工作原理基于氧濃差電池。氧化鋯（）是一種陶瓷固體電解質(zhì)，在高溫下有良好的離子導(dǎo)電特性。在純氧化鋯中摻入低價氧化物如氧化鈣（）及氧化釔（）等，在高溫焙燒后形成穩(wěn)定的固熔體，由于和

置換了的位置，形成了氧離子空穴。在高溫時，空穴型氧化鋯成為良好的氧離子導(dǎo)體，在氧化鋯陶瓷體的兩側(cè)燒結(jié)一層多孔鉑電極，就構(gòu)成氧濃差電池。當(dāng)兩側(cè)氣體的含氧量不同時，在兩電極間將產(chǎn)生電勢，此電勢與兩側(cè)氣體中的氧濃度有關(guān)，稱為濃差電勢。第三十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二氧濃差電池原理如圖9-7所示，濃差電池的左側(cè)為被測氣體，右側(cè)為參比氣體，參比氣體一般為空氣。當(dāng)兩側(cè)氣體的氧分壓不同時，吸附在電極上的氧分子離解得到4個電子，形成兩個，進(jìn)入固體電解質(zhì)中，在高溫下，氧離子從高濃度向低濃度轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電勢。第三十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二設(shè)兩側(cè)氧分壓分別為

和，且<，

氧濃差電池表示為如下關(guān)系;

陽極（電池負(fù)極）

電介質(zhì)

陰極（電池正極）

第三十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二忽略高溫下氧分子得到電子成為氧離子，在負(fù)極上氧離子失去電子成為氧分子。只要兩側(cè)存在氧分壓差，此過程由能斯特公式確定

(9-5)在正極上氧分子得到電子成為氧離子，在負(fù)極上氧離子失去電子成為氧分子。只要兩側(cè)存在氧分壓差，此過程就將持續(xù)進(jìn)行。第三十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二式中為氧濃度電勢，；為理想氣體常數(shù)，

;為法拉第常數(shù)，

為絕對溫度，

；為參加反應(yīng)得每一個氧分子從正極帶到負(fù)極的電子數(shù)，;為待測氣體中的氧分壓，

第三十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二；為參比空氣重的氧分壓，（在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）。由輸出電勢值，可以算出待測氧分壓。

假定參比側(cè)與被測氣體的總壓力均為

，

(實際上被測氣體

體壓力略低于大氣壓力),可以用體積百分比代替氧分壓。

按氣體狀態(tài)方程式，容積成分表示為；

第三十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二被測氣體氧濃度

，空氣中氧量

則有

（9-6）第四十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二空氣中氧量一般為，在總壓力為一個大氣壓情況下，可以求出

于

的關(guān)系式：

（9-7）

按上式計算，儀表的輸出顯示就可以按氧濃度來刻度。

第四十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二氧化鋯分析器正常工作的必要條件有如下幾項。

⑴工作溫度要恒定，傳感器要有溫度調(diào)節(jié)控制的環(huán)節(jié)，一般工作溫度保持在，此時儀表的變化直接影響氧濃差的大小，傳感器還應(yīng)有溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

靈敏度最高。工作溫度

⑵必須要有參比氣體，參比氣體的氧含量要穩(wěn)定不變。二者氧含量差別越大，儀表靈敏度越高。例如用氧化鋯分析器分析煙氣的氧含量時，以空氣為參比氣體時，被測氣體氧含量為3%～4%，傳感器可以有幾十毫伏的輸出。

電勢

第四十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二⑶參比氣體與被測氣體壓力應(yīng)該相等，儀表可以直接以氧濃度刻度。圖9-8所示為管狀結(jié)構(gòu)的氧化鋯分析器。在氧化鋯管的內(nèi)外側(cè)燒結(jié)鉑電極，內(nèi)部熱電偶與溫度調(diào)節(jié)器相連，以控制加熱絲的電流大小，使工作溫度恒定。被測氣體通過陶瓷過濾裝置進(jìn)入測量側(cè)，空氣則進(jìn)入?yún)⒈葌?cè)。氧化鋯分析器的安裝方式有直插式和抽吸式兩種結(jié)構(gòu)，見圖9-9。圖9-9（a）為直插式結(jié)構(gòu)，多用于鍋爐、窯爐煙氣的含氧量測量，它的使用溫度在之間。

第四十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第四十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第四十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二圖9-9（b）為抽吸式結(jié)構(gòu)，多用于石油化工生產(chǎn)中，最高可測氣體的含氧量。氧化鋯分析器的內(nèi)阻很大，而且其信號和溫度有關(guān)，為保證測量精度，其前置放大器的輸入阻抗要足夠高?，F(xiàn)在的儀表中多有微處理器來完成溫度的補(bǔ)償和非線性變換等運(yùn)算，在測量精度、可靠性和功能上都有很大提高。第四十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

氣相色譜儀

色譜分析儀器是一種高效、快速、靈敏的物理式分析儀表。它包括分離和分析兩個技術(shù)環(huán)節(jié)。在測試時，使被分析的試樣通過色譜柱，由色譜柱將混合試樣中的各個組分分離，再由監(jiān)測器對分離后的各組分進(jìn)行檢測，以確定各組分的成分和含量。這種儀表可以一次完成對混合試樣中幾種組分的定性或定量的分析，在工業(yè)流程中使用的一般多為氣相色譜儀。第四十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

色譜分析的基本原理是根據(jù)不同物質(zhì)在固定相和流動相所構(gòu)成的體系即色譜柱中具有不同的分配系數(shù)而進(jìn)行分離。色譜柱有兩大類，一類是填充色譜柱，使將固體吸附或帶有固體液的固體柱體，裝在玻璃管或金屬管內(nèi)構(gòu)成。另一類是空心色譜柱或空心毛細(xì)管色譜柱，都是將固定液附著在管壁上形成。毛細(xì)管色譜柱的內(nèi)徑只有0.1~0.5mm。被分析的試樣由載氣帶入色譜柱，載氣在固定相上的吸附或溶解能力要比樣品組分弱得多，由于樣品中各組分在固定相上的吸附能力的不同，而被載氣帶出的先后次序也就不同，從而實現(xiàn)了各組分的分離。圖9-10表示出混合物在色譜柱中的分離過程。第四十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第四十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二兩個組分A和B的混合物經(jīng)過一定長度的色譜柱后，將逐漸分離，A、B組分在不同的時間流出色譜柱，并先后進(jìn)入監(jiān)測器，監(jiān)測器輸出測量結(jié)果，由記錄儀繪出色譜圖，在色譜圖中兩組分各對應(yīng)一個色譜峰。圖中隨時間變化的曲線表示各個組分及其濃度，稱為色譜流出曲線。第五十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

各組分從色譜柱流出的順序與色譜柱固定相成分有關(guān)。從進(jìn)樣到某組分流出的時間與色譜柱長度、溫度、在氣流速等有關(guān)。在保持相同條件的情況下，對各組分流出時間標(biāo)定以后，可以根據(jù)色譜峰的高度或面積代表相應(yīng)組分在樣品中的含量，用已知濃度式樣進(jìn)行標(biāo)定后，可以做定量分析色譜的基本流程如圖9-11所示，樣氣和載氣分別經(jīng)過預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)入取樣裝置，再流入色譜柱，分離后的組分經(jīng)檢測器檢測，相關(guān)信號經(jīng)處理后輸出。

第五十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第五十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

色相色譜儀常用的監(jiān)測器有熱導(dǎo)式檢測器、氫焰電離檢測器等。熱導(dǎo)式檢測器的監(jiān)測極限約為幾個的樣品濃度，使用廣泛。

氫焰電離檢測器是基于物質(zhì)的電離特性，只能檢測有機(jī)碳?xì)浠衔锏仍诨鹧嬷锌呻婋x的組分，其監(jiān)測極限對碳原子可達(dá)的量級，

熱導(dǎo)式檢測器屬于濃度型監(jiān)測器，其響應(yīng)值正比于組分濃度。氫焰電離檢測器屬于質(zhì)量型監(jiān)測器，其響應(yīng)值正比于單位時間內(nèi)進(jìn)入監(jiān)測器的組分的質(zhì)量。第五十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

圖9-12為一種工業(yè)氣相色譜儀系統(tǒng)框圖。分析器部分由取樣閥、色譜柱、檢測器、加熱器和溫度控制器等組成，均裝在隔爆、通風(fēng)充氣型的箱體中。程序控制器部分的作用是控制分析器部件的自動進(jìn)樣、流路切換、組分識別等時序動作；接受從分析起來的各組分色譜信號加以處理，并輸出標(biāo)準(zhǔn)信號；通過記錄儀或打印機(jī)給出色譜信號及有關(guān)數(shù)據(jù)?？刂破骱投蝺x表采用密封防塵型嵌裝式結(jié)構(gòu)。第五十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第五十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二圖9-13所示是一種由微機(jī)械及微電子技術(shù)制成的集成氣相色譜儀。采用光刻技術(shù)和硅腐蝕技術(shù)將毛細(xì)管、氣體輸入控制法和檢測器等集成制造在直徑為50.8mm的硅片上。毛細(xì)管由200μm寬，40μm深，1.5m長的環(huán)形槽構(gòu)成，作為色譜儀的氣體分離器。毛細(xì)管的入口端與硅片上的氣體輸入控制閥相連，出口端與檢測元件相連，檢測元件是由刻蝕形成的金屬薄膜電阻。第五十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第五十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

這種色譜儀的工作過程是：用惰性氣體清洗整個系統(tǒng)；以高于清洗氣體的壓力將待測氣體注入毛細(xì)管；清洗氣體將攜帶待測氣體流過毛細(xì)管；在毛細(xì)管中經(jīng)過分離的不同氣體經(jīng)檢測器后流出色譜儀。檢測器測量氣體的熱導(dǎo)率，一個高熱導(dǎo)率的氣體脈沖將比低熱導(dǎo)率的惰性氣體帶走更多的熱量，從而會產(chǎn)生一個小的電壓脈沖信號。第五十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

半導(dǎo)體氣敏傳感器

半導(dǎo)體氣敏傳感器是采用半導(dǎo)體材料為敏感材料制成的一種氣敏傳感器類型。這類傳感器可以通過在半導(dǎo)體材料中添加各種催化劑來改變其主要敏感對象，但是卻很難消除對其他共存氣體的響應(yīng)，并且它的信號相應(yīng)的線性范圍窄，故一般只用于定性及半定量范圍的氣體檢測。但是，由于這類傳感器的制造成本低廉，測量手段簡單，工作穩(wěn)定性尚好，檢測靈敏度也較高，因此，它已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)和民用等場所的氣體檢測，并且是目前使用最普遍、最有使用價值的一類氣敏傳感器。第五十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

半導(dǎo)體氣敏傳感器按照半導(dǎo)體的物性變化特點，可分為電阻性和非電阻型兩類。電阻型氣敏傳感器是利用氣敏元件在接觸被測氣體后電阻值的變化，來檢測氣體的成分或濃度；非電阻型氣敏傳感器則是根據(jù)氣敏元件對氣體的吸附和反映，使其某些相關(guān)特性發(fā)生變化，對氣體進(jìn)行直接或間接的檢測。按照半導(dǎo)體與氣體的相互作用是在其表面或內(nèi)部，半導(dǎo)體氣敏傳感器又可分為表面控制型和體控制型兩類。第六十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面氧化或還原反應(yīng)，將引起半導(dǎo)體載流子數(shù)量的增加或減少，從而使敏感元件電阻值變化的原理。第六十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體成為氧化型氣體，H2、CO、碳?xì)浠衔锖痛碱惖染哂姓x子吸附傾向的氣體成為還原型氣體。當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體時，會使半導(dǎo)體載流子減少，敏感元件電阻值將增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體時，使載流子增多，敏感元件電阻值則減小。

N型半導(dǎo)體有SnO、ZnO、TiO等,P型半導(dǎo)體有MoO、CrO等，其中以SnO材料應(yīng)用最多。第六十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

圖9-14給出被測氣體接觸N型半導(dǎo)體時，敏感元件阻值變化的情況。測量時，敏感元件要預(yù)先加熱達(dá)到初始穩(wěn)定狀態(tài)，在大氣中由于吸附氧氣量固定不變，其電阻值保持一定。在移入被測氣體后，元件表面吸附被測氣體，而發(fā)生相應(yīng)的電阻值變化，可輸出與氣體濃度相對應(yīng)的電信號。測試完畢后，元件再至于普通的大氣環(huán)境中，其阻值將會復(fù)原。氣敏傳感器一般由氣敏元件、加熱器和封裝體等部分組成。加熱器的作用是將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附，提高其靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器溫度一般控制在200~400左右。

第六十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第六十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二氣敏元件從結(jié)構(gòu)形式來分有燒結(jié)性、薄膜型和厚膜型三類。圖9-15給出幾類半導(dǎo)體氣敏元件的典型結(jié)構(gòu)。圖9-15（a）為燒結(jié)型氣敏元件，這類器件以SnO2半導(dǎo)體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入SnO2

材料中，加壓、加溫?zé)Y(jié)成形。圖9-15（b）為薄膜型器件。采用蒸發(fā)或濺射工藝，在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜，其厚度1μm在以下。實驗證明SnO2

半導(dǎo)體薄膜的氣敏特性為物理性附著，器件間的性能差異較大。

圖9-15（c）為厚膜器件。這種器件是將SnO2或ZnO等材料與3%~5%（重量）的硅凝膠混合制成厚膜膠，將其與裝有鉑電極的氧化物基片組合燒結(jié)制成。這種器件離散性小，機(jī)械強(qiáng)度高，適合大批量生產(chǎn)，是一種有前途的器件。

第六十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第六十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二在氣敏材料中添加鉑（Pt）或鈀（Pd）等作為催化劑，可以提高氣敏元件的靈敏度以及對氣體的選擇性。添加劑的成分和含量，元件制作時的燒結(jié)溫度，以及測量時的工作溫度都將影響元件的選擇性。圖9-16所示為氣敏元件對各種氣體的靈敏度氣敏元件添加不同催特性。圖9-17給出

化劑后，對各種氣體的靈敏度特性。

第六十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第六十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第六十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器

非電阻型氣敏傳感器是利用MOS二極管的電容-電壓特性變化和MOS場效應(yīng)管(MOSFET)的閥值電壓的變化等性質(zhì)制成。采用特定的材料可以使器件對某氣體敏感。如圖9-18所示的MOS場效應(yīng)管，其柵極材料采用對氫有很強(qiáng)吸附性的金屬鈀（Pd），就構(gòu)成了對氫敏感的Pd-MOS場效應(yīng)管。第七十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第七十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二MOSFET的漏極電流ID由柵壓控制，若將柵極與漏極短路，在源極與漏極之間加電壓VDS，則ID可由下式表示：

（9-8）式中β為常數(shù)，只與MOSFET的結(jié)構(gòu)有關(guān)VT為閾值電壓。第七十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二當(dāng)氫吸附在Pd柵極上時，將引起閾值電壓的變化，閾值電壓變化與氫氣分壓的關(guān)系為：

（9-9）式中為吸附氫飽和時變化的最大值；K是氫離解吸附的平衡常數(shù)。這樣，通過閾值電壓的變化就可檢測氫氣的濃度，圖9-19所示為MOS場效應(yīng)管在低濃度氫的靈敏度曲線。第七十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第七十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二這種傳感器必須在下工作才能快速反應(yīng)氣體，但是在加熱條件下，其穩(wěn)定性易被破壞。這一類器件的特性尚不夠穩(wěn)定，目前只能用作氣體泄露的檢測。

第七十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二9．2．6工業(yè)酸度計

工業(yè)酸度計屬于電化學(xué)分析方法，用來在線測量溶液的酸堿度。在石化、輕紡、食品、制藥工業(yè)以及水產(chǎn)養(yǎng)殖、水質(zhì)監(jiān)測等方面有廣泛的應(yīng)用。溶液的酸堿性可以用氫離子濃度

的大小來表示。由于溶液中氫離子濃度的絕對值很小，一般采用pH值來表示溶液的酸堿度，定義為

（9-10）第七十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二與之相應(yīng)有：pH=7為中性溶液，pH>7為堿性溶液，pH<7為酸性溶液。pH值的檢測采用電位測量法。根據(jù)電化學(xué)原理，任何一種金屬插入導(dǎo)電溶液中，在金屬與溶液之間將產(chǎn)生電極電勢，此電極電勢與金屬和溶液的性質(zhì)，以及溶液的濃度和溫度有關(guān)。采用鍍有多孔鉑黑的鉑片，用其吸附氫氣，可以起到與金屬電極類似的作用。電極電位是一個相對值，一般規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位為零，作為比較標(biāo)準(zhǔn)。第七十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二測量pH值一般使用參比電極和測量電極以及被測溶液共同組成的測量電池。參比電極的電極電位是一個固定的常數(shù)，測量電極的電極電位則隨溶液氫離子濃度而變化。電池的電動勢為參比電極與測量電極間電極電位的差值，其大小代表溶液中的氫離子濃度。將參比電極和工作電極插入被測溶液中，根據(jù)能斯特公式，可推導(dǎo)出原電池的電勢E與被測溶液的pH值之間的關(guān)系為：第七十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

(9-11)式中為E電極電勢，V；R為氣體常數(shù)，R=8.314J/（mol·K）；T為熱力學(xué)溫度，K；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=9.6487×10C/mol;pHx為被測溶液的pH值。

第七十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

工業(yè)用參比電極一般為甘汞電極或銀-氯化銀電極。甘汞電極的結(jié)構(gòu)如圖9-20所示。甘汞電極分為內(nèi)管和外管兩部分，內(nèi)管中分層裝有貢即水銀，糊狀的甘汞即氯化亞貢，內(nèi)管下端的棉花起支撐作用。這樣就使金屬貢插入到具有相同離子的糊狀電解質(zhì)溶液中，于是存在電極電位E。

在外管中充以飽和KCL溶液，外管下端為多孔陶瓷。將內(nèi)管插入KCL溶液中，內(nèi)外管形成一個整體。當(dāng)整個甘汞電極插入被測溶液時，電極外管中的KCL溶液將通過多孔陶瓷滲透到被測溶液中，起到離子連通的作用。

第八十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二一般KCL溶液處于飽和狀態(tài)，在溫度為時，甘汞電極的電極電位為在甘汞電極工作時，由于KCL溶液不斷滲漏，必須由注入口定時加入飽和KCL溶液。甘汞電極的電位比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，被大量應(yīng)用。但是其電極電位受溫度影響。第八十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二銀-氯化銀（Ag/AgCl）電極結(jié)構(gòu)如圖9-21所示。在鉑絲上鍍銀，然后放在稀鹽酸中通電，形成氯化銀薄膜沉積在銀電極上。將電極插入飽和KCL或HCL溶液中，就成為銀-氯化銀電極。當(dāng)使用飽和KCL溶液，溫度為25℃時，氯化銀電極電位E0＝0.197V

。這種電極結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性均好于甘汞電極，其工作溫度可達(dá)250℃

，但是價格較貴。第八十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

玻璃電極是使用最為廣泛的測量電極。它在pH=2～10的溶液中有良好的線性，并能夠在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿溶液中穩(wěn)定地工作。玻璃電極的結(jié)構(gòu)如圖9-22所示。玻璃電極的下端為一個球泡，是由pH敏感玻璃膜制成，膜后約0.2mm，且可以導(dǎo)電。球內(nèi)充以pH值恒定的緩沖溶液，作為內(nèi)參比溶液。還裝有銀-氯化銀電極或甘汞電極作為內(nèi)參比電極。內(nèi)參比溶液使玻璃膜與內(nèi)參比電極間有穩(wěn)定的接觸，從而把膜電位引出。玻璃電極插入被測溶液后，pH敏感玻璃膜的兩側(cè)與不同氫離子濃度的溶液接觸，通過玻璃膜可以進(jìn)行氫離子交換反應(yīng)，從而產(chǎn)生膜電位，此膜電位與被測溶液的氫離子濃度有待定的關(guān)系。第八十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二pH值測量中，以玻璃電極作為測量電極，以甘汞電極作為參比電極的測量系統(tǒng)應(yīng)用最多。此類測量系統(tǒng)的總電勢E為

(9-12)上式可成

(9-13)

值為pH計的靈敏度。式中

第八十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二圖9-23所示為總電勢E與溶液pH值的關(guān)系。曲線表明在pH=1～10范圍內(nèi)，二者為線性關(guān)系，值可由曲線的斜率求出，可由縱軸上的截距求得。在pH=2處，電勢為零的點稱為玻璃電極的零點，在零點兩側(cè)，總電勢的極性相反。pH測量電池的總電勢還受溫度的影響，和

溫度的函數(shù)，圖9-24給出E隨溫度變化的特性曲線相交于A點，A點稱為等電位點，對應(yīng)為值測量值距A越遠(yuǎn)，電勢值隨溫度的變化越大。值均是。一般地說第八十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二第八十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二直接電位法也可用于其他離子濃度的測量，離子選擇電極有玻璃電極、液膜電極等形式，前者利用玻璃膜對特定離子響應(yīng)。它們的電極電位均與相應(yīng)的溶液離子濃度有特定的函數(shù)關(guān)系。目前已有用于堿金屬離子、氟離子、硝酸根離子等的選擇電極。離子選擇電極、甘汞電極和被測溶液組成測量電池，其電動勢即可以代表離子濃度。第八十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二溫度的檢測

溫度是表示空氣（或氣體）中水汽含量的物理量。一般情況下，在大氣中總喊有水蒸氣，當(dāng)空氣或其他氣體與水汽混合時，可認(rèn)為他們是潮濕的，水汽含量越高，氣體越潮濕，即其濕度越大。溫度與科研生產(chǎn)生活生態(tài)環(huán)境都有著密切的關(guān)系，近年來，濕度檢測已成為電子器件精密儀表食品工業(yè)等工程檢測和控制及各種環(huán)境檢測中廣泛使用的重要手段之一。第八十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

溫度的表示方法及濕度檢測的特點

溫度的表示方法第八十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二

溫度可以用絕對濕度和相對濕度兩種方法來表示：絕對濕度是指單位體積濕氣體中所含的水汽質(zhì)量數(shù)，以單位g/m

；相對濕度是單位體積濕氣體中所含的水汽質(zhì)量與在相同條件下飽和水汽質(zhì)量之比，用百分?jǐn)?shù)表示。相對濕度還可以用濕氣體中水汽分壓與同溫度下飽和水汽壓之比來表示。在一定的壓力下氣體中水汽達(dá)到飽和結(jié)露時的溫度稱為露點或露點溫度，露點溫度與空氣中的飽和水汽量有固定關(guān)系，所以亦可以用露點來表示絕對濕度。第九十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二濕度檢測的特點

濕度的檢測方法很多，傳統(tǒng)的方法是露點法毛發(fā)膨脹法和干濕球溫度測量法。工業(yè)過程的監(jiān)測和控制對濕敏傳感器提出如下要求：工作可靠，使用壽命長；滿足要求的濕度測量范圍，有較快的響應(yīng)速度；在各種氣體環(huán)境中特性穩(wěn)定，不受塵埃油污附著的影響；能在-30℃的環(huán)境溫度下使用，受溫度影響??；互換性好、制造簡單、價格便宜。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用潮解性鹽類、高分子材料、多孔陶瓷等材料的吸溫特性可以制成濕敏元件，構(gòu)成各種類型的濕敏傳感器，第九十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二目前已有多種濕敏傳感器得到開發(fā)和應(yīng)用。傳統(tǒng)的干濕球顯度計和露點計采用了新技術(shù)，也可以實現(xiàn)自動檢測。本節(jié)介紹幾種典型濕度計。第九十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期二干濕球濕度計

干濕球濕度計的使用十分廣泛，常用于測量空氣的相對濕度。這種濕度計由兩支溫度計組成。一只溫度計用來直接測量空氣的溫度，稱為干球濕度計。另一只溫