成分分析技術(shù)及儀表

關(guān)于成分分析技術(shù)及儀表第1頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三內(nèi)容安排：6.1概述6.2熱導式氣體分析儀6.3紅外線氣體分析儀6.4色譜分析儀6.5氧分析儀6.6工業(yè)電導儀6.7濃度計6.8PH計6.9硅酸根表6.10鈉表6.11溶解氧表6.12成分分析儀表的選用第2頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.1概述

成分檢測方法很多，可以按工作原理、測試對象、使用目的及使用場合來進行分類。

成分分析儀表一般包括自動取樣裝置、預處理系統(tǒng)、分離檢測器、信號處理系統(tǒng)及顯示儀表等。成分分析主要是用來檢定、測量物質(zhì)的組成和特性，研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。用于成分檢測的儀表稱為成分分析儀表。第3頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.2熱導式氣體分析儀

熱導式氣體分析儀是一種熱學式氣體分析儀，它是利用不同氣體導熱特性不同的原理進行分析的。常用于分析混合氣體中H2、CO2、NH3、SO2、Ar等組分的百分含量。6.2.1工作原理各種氣體都具有一定的導熱能力，但是導熱系數(shù)有一定差異。幾種氣體在0℃時的導熱系數(shù)

第4頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三

混合氣體是由多組分氣體組成，彼此之間無相互作用，其導熱系數(shù)可以近似地認為是各組分導熱系數(shù)的算術(shù)平均值

如果被測組分的導熱系數(shù)為，其余組分為背景組分，并假定它們的導熱系數(shù)近似等于，則混合氣體的總導熱系數(shù)為被測組分的體積百分含量為

在實際測量中，要求混合氣體中背景組分的導熱系數(shù)必須近似相等，并與被測組分的熱導系數(shù)有明顯差別。第5頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.2.2熱導檢測器

熱導式氣體分析儀的檢測器又稱熱導池，它將由于混合氣體中待測組分含量變化所引起總的導熱系數(shù)的改變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。熱導池的結(jié)構(gòu)（一）(a)(b)

熱導池結(jié)構(gòu)示意圖（二）第6頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.2.3測量電路

熱導式氣體分析儀的測量橋路：

在實際使用時，為了降低外界的干擾，提高儀表的測量精度，還可采用雙臂單電橋測量系統(tǒng)或采用雙電橋測量系統(tǒng)。第7頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.3紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀屬于光學分析儀表。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行分析的。儀常用于連續(xù)分析混合氣體中CO、CO2、CH4、NH3等氣體的濃度。6.3.1紅外線氣體分析儀的理論基礎(chǔ)各種氣體對紅外光譜范圍內(nèi)波長具有選擇吸收能力，吸收光譜如下圖。第8頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三紅外線通過吸收物質(zhì)前后其光強度與被測組分濃度的關(guān)系服從朗伯—貝爾定律

當光強度為I

0的光通過均勻介質(zhì)后，剩余光強度的大小I將隨著介質(zhì)濃度C和光程L的增大而按指數(shù)規(guī)律衰減。6.3.2結(jié)構(gòu)及原理1-光源；2-拋物體反射鏡；3-同步電動機；4-切光片；5-濾波室；6-參比室；7-測量室；8-紅外探測器；9-放大器

測量時(如分析CO氣體的含量)，兩束紅外線經(jīng)反射、切光后射入測量氣室和參比氣室，測量氣室中的CO氣體對4.65μm的紅外線有較強的吸收能力，而參比氣室中氣體不吸收紅外線，這樣探測器兩個吸收氣室的紅外線光造成能量差異，使兩吸收室壓力不同，測量室一側(cè)的壓力減小，于是薄膜偏向定片方向，改變了電容C。電容的變化量就反映了被測氣體的濃度。第9頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.4色譜分析儀

基于色譜法原理構(gòu)成的分析儀器稱為色譜儀，它既能鑒定混合物是由哪些組分組成，又能測出各組分的含量。6.4.1檢測原理茨維特實驗:

當石油醚攜帶菠菜葉色素混合物流經(jīng)碳酸鈣粉末時，由于各種葉色素分子在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的差異，它們在石油醚中的溶解能力的大小各不相同。第10頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三

色譜分析方法是利用色譜柱將混合物各組分分離開來，然后按各組分從色譜柱出現(xiàn)的先后順序分別測量，根據(jù)各組分出現(xiàn)的時間以及測量值的大小可確定混合物的組成以及各組分的濃度。

混合物在色譜柱中的分離過程第11頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三

色譜分析法根據(jù)流動相的不同可分為氣相色譜法和液相色譜法兩種。氣相色譜儀液相色譜儀第12頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.4.2氣相色譜儀氣相色譜儀基本結(jié)構(gòu)框圖

作為流動相的氣體叫載氣，它是對樣品和固定相呈惰性，專門用來載送樣品的氣體。通常用H2、N2、Ar、He等氣體作載氣。第13頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三氣相色譜分析流程*氣相色譜檢測器（Detector）

檢測器是將色譜柱分離開來的各個組分信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，是色譜儀的關(guān)鍵部件之一。其種類較多，原理和結(jié)構(gòu)各異。下面介紹熱導池檢測器和氫焰離子化檢測器。第14頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三⑴熱導池檢測器（TCD）池體一般用不銹鋼制成，孔道是氣路的一部分，孔道內(nèi)裝有熱敏元件。第15頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三

進樣后，參比臂流過的仍然是純載氣，R參不變；但載氣攜帶試樣組分流過測量臂，使測量臂的溫度改變，引起R測的變化，使測量臂和參比臂的電阻值不等，這時電橋失去平衡，有信號電壓輸出，信號大小與組分性質(zhì)及濃度相關(guān)，記錄儀記錄下組分濃度隨時間變化的峰狀圖形。

將雙臂熱導池中的兩根熱絲與具有相同電阻值的固定電阻R1、R2連接成惠斯登電橋。當儀器工作、且未進樣時，熱絲通電，其環(huán)境是穩(wěn)定流動的載氣，加熱與散熱達到平衡后，電橋平衡，無信號電壓輸出，記錄儀走基線。

第16頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三⑵氫火焰電離檢測器（FID）

點火后，產(chǎn)生約2100℃的火焰，待測組分在火焰中首先進行熱裂解，然后，其中約百萬分之一發(fā)生化學電離，成正離子和電子。

生成的成正離子和電子在100～350V的極化電壓的作用下，分別向兩極定向運動，從而產(chǎn)生約10－6～10－14A的微電流。在一定范圍內(nèi)，微電流的大小與進入離子室的待測組分的質(zhì)量成正比，所以氫焰檢測器是質(zhì)量型檢測器。

該微電流經(jīng)過高值負載電阻R（108～1011Ω）后，產(chǎn)生較大的電壓降，然后由放大器放大，記錄儀記錄，得到峰面積與組分質(zhì)量成正比的色譜圖。第17頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.5氧分析儀

氧含量分析方法有兩種：一種為物理分析法，如磁性氧分析儀；另一種為電化學法，如氧化鋯氧分析儀。6.5.1熱磁式氧分析儀

熱磁式氧分析儀是利用被測氣體混合物中待測組分比其他氣體有高得多的磁化率以及磁化率隨溫度的升高而降低等熱磁效應來檢測待測氣體組分含量的。主要用來檢測混合氣體中的氧含量。6.5.1.1檢測原理物質(zhì)的磁化強度與外磁場強度H成正比，即式中，k稱為物質(zhì)的磁化率，是一個反映物質(zhì)磁性的系數(shù)。第18頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三某些氣體在0℃時的體積磁化率氣體的磁化率數(shù)值都比較小，但氧氣的磁化率比其它氣體的磁化率高很多。

對互不發(fā)生化學反應的多組分混合氣體，常溫常壓下其磁化率k為各組分磁化率的算術(shù)平均值

若在混合氣體中，待測組分為氧氣，其磁化率為k1，濃度為C1；假設(shè)混合氣體中非氧組分的磁化率近似相等，而且比較小，則由此可根據(jù)混合氣體磁化率的大小判定氧含量的多少。第19頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三氣體的磁化率的另一個特點是它隨溫度和壓力而變化。

由以上分析可以得到如下的結(jié)論：①待測組分(氧氣)較混合氣體中其他組分的磁化率大得多，并且在后者的磁化率近似相等的情況下，混合氣體的磁化率近似為待測組分的磁化率與該組分所占濃度的乘積；②氣體壓力升高時，磁化率增大，而溫度升高時，其磁化率劇烈下降。6.5.1.2熱磁式氧分析儀的檢測器⑴內(nèi)對流式檢測器1-環(huán)形管；2-中間通道；3-顯示儀表；4-被測氣體入口；5-被測氣體出口第20頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三⑵外對流式檢測器1-工作檢測元件

2-參比檢測元件6.5.2氧化鋯氧分析儀

氧化鋯氧分析儀是利用氧化鋯固體電解質(zhì)做成的氧分析儀，用來測量混合氣體中氧氣的含量。6.5.2.1氧化鋯固體電解質(zhì)導電機理

氧化鋯ZrO2是一種固體電解質(zhì)。純氧化鋯基本上是不導電的，但摻雜一些氧化鈣或氧化釔等稀土氧化物后，它的導電性大大增加。固體電解質(zhì)的導電性與溫度有關(guān)，溫度愈高，其導電性愈強。

第21頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.5.2.2氧化鋯氧分析儀的檢測器

氧化鋯氧分析儀的檢測器是由氧化鋯管組成的一個氧濃差電池。

當氧化鋯兩面的混合氣體的氧分壓不同時，在兩個電極之間就產(chǎn)生電動勢，該電動勢是由于氧化鋯固體電解質(zhì)兩側(cè)的氧濃差所形成，所以叫濃差電勢。

氧濃差電勢的大小與兩側(cè)氧濃度有關(guān)，通過理論分析和實驗驗證，它們的關(guān)系可用能斯特公式表示為假定參比側(cè)與被測氣體的總壓力相等，則上式可改寫為第22頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三

利用氧化鋯氧濃差電勢測氧含量必需滿足的條件有：①工作溫度要恒定。一般工作溫度保持在T=750℃。②必須有參比氣體，且參比氣體的氧含量要穩(wěn)定不變。③參比氣體與檢測氣體總壓力應該相等，儀表可以直接以氧濃度刻度。利用氧濃差電池原理制成的氧化鋯傳感器結(jié)構(gòu)1—氧化鋯管；2—陶瓷過濾管；3—鉑電極；4—熱電偶；5—AI2O3陶瓷管；6—信號線第23頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.5.2.3氧化鋯氧分析儀的安裝與使用⑴安裝

一般應遵循以下幾項原則：①測量點位置應具有代表性，應能正確反映所測爐內(nèi)氣體，切忌選在氣流死角和漏風點附近；②測量點不能太靠近燃燒點等部位，這會造成氧量計示值劇烈波動，也不能太靠近風機等機械設(shè)備，以免電機的震動損壞氧化鋯探頭；③遠離移動物體，以免碰撞損壞探頭；④應便于安裝、調(diào)試及維護。氧化鋯氧分析儀的安裝方式有直插式和抽吸式兩種結(jié)構(gòu)。(a)直插式結(jié)構(gòu)(b)抽吸式結(jié)構(gòu)氧化鋯探頭第24頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三⑵使用①使用前的檢查②儀器標定③使用條件對測量精度的影響④氧化鋯探頭的化學反應問題⑤定期對采樣管中的積塵進行吹掃處理6.6工業(yè)電導儀目前，工業(yè)電導儀可分為兩類，一類是電極式；另一類是電磁感應式。6.6.1溶液電導（電阻）的測量方法測量電解質(zhì)溶液的電導要比測量金屬導體的電導復雜得多。第25頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三①分壓法測量電路ＲＸ為待測溶液電阻，ＲK為外電阻在交流電源電壓Ｕ的作用下，ＲK上的分壓為

由上式可知，在保持電源電壓Ｕ恒定不變的情況下，只要測得分壓電阻ＲＸ上的電壓，即可求出待測溶液電阻RＸ的大小，對RＸ取倒數(shù)即為溶液電導。第26頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三②電橋測量電路平衡電橋法測量電路原理圖不平衡電橋法測量電路原理圖第27頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三③電磁感應測量法基于法拉第電磁感應原理工作的。

兩個變壓器T1和T2由待測溶液構(gòu)成的短路環(huán)C1耦合起來，T1為勵磁變壓器，T2為檢測變壓器。Io的數(shù)值與待測溶液的電導率有關(guān)（單值關(guān)系）。該電導率越大，Io也就越大，反之亦然。6.6.2電導池的結(jié)構(gòu)

電導池是指由兩個電極等部件組成的用來測量溶液電導的設(shè)備，有時也稱電導發(fā)送器。電導池的電極有多種，從形狀上來分，有筒狀電極和環(huán)狀電極。第28頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三

筒狀電極的電極常數(shù)Ｋ與外筒電極的內(nèi)半徑Ｒ、內(nèi)筒電極的外半徑ｒ及電極的有效長度Ｌ的定量關(guān)系為；

環(huán)狀電極的電極常數(shù)Ｋ與電導池外套筒內(nèi)半徑Ｒ、電極環(huán)的最大外半徑ｒ及電極間的距離Ｌ的定量關(guān)系為；第29頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三采用筒狀電極的電導池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)6.6.3測量系統(tǒng)組成

溶液電導率測量系統(tǒng)一般由電導池（即傳感器）、變送器和顯示儀表三部分組成。6.6.4應用問題⑴電極極化問題⑵分布電容問題⑶溫度問題第30頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.7濃度計

濃度計實際上就是工業(yè)電導儀，它利用溶液濃度與其電導率之間具有一定的定量關(guān)系，通過測量溶液的電導從而間接地求出待測溶液的濃度。均勻?qū)w的電阻計算公式

電解質(zhì)溶液與均勻?qū)w類似，但溶液呈現(xiàn)的電阻作用一般不用電阻率表示，而是用其倒數(shù)（1/ρ）即電導率S表示，液體回路中的電阻Ｒ也用其倒數(shù)（１/Ｒ）即電導m表示A———導體橫截面積，cm２；Ｌ

———導體長度，cm。

溶液的電導率與溶劑、溶質(zhì)、溶質(zhì)含量（濃度）及溫度等多種因素有關(guān)，所以電導率還不能完全表征各種溶液的特點。為此，我們將濃度關(guān)系引入到電導率的概念中，提出“當量電導率”的概念，其定義為“濃度為１摩爾的水溶液所具有的電導率”，用λ表示。第31頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三

在某些場合這個單位太大，此時可用毫摩爾電導來表示，它是指１毫摩爾的水溶液的電導。當溶液的濃度為η時，此溶液的電導為：Ｓ＝ηλ

溶液的摩爾濃度與溶液濃度C

之間的關(guān)系為將式上式合并可得或

上式表明：當電極的尺寸和距離（即電解質(zhì)溶液導體的長度和橫截面積）一定時，由于特定溶液中溶質(zhì)的毫摩爾和溶液的當量電導率也是一定的，所以，二電極間的電導m（或電阻R）就與溶液的濃度C成單值函數(shù)。選擇安裝場所時，要注意防腐問題。第32頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.8pH計pH值與溶液中氫離子濃度的關(guān)系為：pH=－lg[H+]第33頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.8.1pH值測量原理溶液的pH值是通過將其轉(zhuǎn)化成原電池的輸出電動勢來間接測量的。原電池電動勢的大小為

式中，E——原電池電動勢；R——氣體常數(shù)；T——溶液絕對溫度；F——法拉第常數(shù)；pH——pH值。原電池輸出電動勢與待測溶液的pH值成正比。通常稱測量pH值的儀器為pH計。第34頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.8.2pH計的電極

工業(yè)在線測量pH計一般不用氫電極，最常用的測量電極有玻璃電極和銻電極，參考電極有甘汞電極和銀—氯化銀電極。6.8.3pH計測量系統(tǒng)二線制PH計測量系統(tǒng)如圖6.8.4pH計的使用與維護⑴電極的選擇。⑵沖擊導管問題。⑶信號抗干擾問題。玻璃電極第35頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三⑷甘汞電極內(nèi)的KCL溶液應保持在2/3左右，且KCL溶液應為飽和狀態(tài)（標志為有晶體析出）。⑸新表投運前必須對電極進行活化處理。⑹為提高儀器穩(wěn)定性，短時間測量時，預熱時間一般不少于5分鐘；長時間測量時，預熱時間應在20分鐘以上。⑺使用時必須注意待測溶液的溫度變化，如變化較大，則應采取相應措施（如穩(wěn)定溫度或通過在測量電路中增設(shè)溫度補償電路進行溫度補償）。多電極測量池（傳感器）中溫度補償電極（元件）必須安裝在水樣出口部，以盡量減小溫度補償?shù)臏蟆＂虄x表在正式投運前必須經(jīng)過標定，標定一般采用兩點法，且兩種緩沖液的

PH值之差不能大于3個PH。⑼為保證測量準確度，要定期對電極進行標定和更新。⑽如pH計停運，測量（玻璃）電極短期不用時可浸泡在除鹽水內(nèi)，長期不用時應清洗干凈后采取干式保存；參比（固體）電極短期不用時可浸泡在

KC1溶液中，長期不用時應在頭部套上內(nèi)放KCL溶液的電極塑料套后存放。第36頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.8.5光纖pH計

光纖pH計的敏感部件是將pH指示劑滲入多孔聚合物制作而成，將敏感部件插入待測溶液后，敏感部件的光譜特性將會發(fā)生變化，而且這一變化與待測溶液的pH值有定量的對應關(guān)系。光纖pH值測量系統(tǒng)原理如圖第37頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.9硅酸根表硅酸根分析儀簡稱硅酸根表，用于測量溶液中的硅酸根含量。6.9.1硅酸根含量測量原理⑴化學吸光分析法基本原理：在含有硅酸根的溶液中加人鉬酸銨和抗壞血酸等化學藥劑，這些物質(zhì)相互發(fā)生化學反應后會生成硅鉬藍，硅鉬藍具有吸收一定波長（790～815nm）光波的特性，且硅鉬藍的量越大吸收光就越多，而硅鉬藍的量又隨著待測溶液中硅酸根濃度的增加而增加。這樣，如果用特定波長的光照射已發(fā)生化學反應的待測液體，則通過待測液體的透光強度即可間接反映待測液體中硅酸根的濃度。第38頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三化學吸光分析法硅酸根濃度檢測系統(tǒng)的原理圖⑵化學發(fā)光分析法

化學發(fā)光分析法是在待測液體中加入多種化學藥劑，這些藥劑相互發(fā)生化學反應時會發(fā)出一定波長的光，且發(fā)光強度與待測溶液硅酸根濃度成正比，利用光電倍增管將發(fā)出的光轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后再經(jīng)信號處理系統(tǒng)的進一步處理，即可顯示待測溶液硅酸根濃度大小。第39頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三6.9.2應用問題實際應用中應注意以下問題：⑴儀表初次投運時，應就地觀察3～4個運行周期（四通道運行時觀察12～16個周期），以確定控制程序是否正常。若程序正常，則將儀表運行4～8小時，然后進行標定，標定結(jié)束后即可進行在線測量。⑵在進行多通道測量時，各通道樣品硅酸根濃度相差不宜太大，以免通道樣品之間互相影響，降低測量的準確度。⑶蠕動泵管的使用壽命一般為3～6個月，應定期更換。⑷各試劑桶應定期（一般為30天）同時更換試劑，更換時必須將殘留試劑全部倒盡，且更換后粘貼更換日期標簽。⑸儀表長期停運時，須倒盡桶內(nèi)試劑，并用除鹽水洗凈后再注入除鹽水，然后進行無試劑（沖洗）運行4～8小時，最后松開蠕動泵管卡，取出蠕動泵管，使其處于放松狀態(tài)，并切斷電源。