1、南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院第十一章、气体组分测量与分析第十一章、气体组分测量与分析热工测试技术热工测试技术本章学习要求：本章学习要求：1.1.气体组分测量仪器的工作原理气体组分测量仪器的工作原理2.2.仪器适用情况仪器适用情况南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.1 11.1 概述概述 第十一章、气体组分测量与分析第十一章、气体组分测量与分析 v气体组分分析是燃烧过程中常涉及到的一种测试技气体组分分析是燃烧过程中常涉及到的一种测试技术。尤其是在线气体分析，由于其测量时间短，使术。尤其是在线气体分析，由于其测量时间短，使用方便等优点而得到了大量的应用。用方便等优点而得到了大
2、量的应用。典型气体分析仪器工作原理分类典型气体分析仪器工作原理分类v化学法化学法用配制成的化学溶液吸收特定气体成份的方法用配制成的化学溶液吸收特定气体成份的方法；色谱分析仪色谱分析仪；v电化学法电化学法 电化学传感器。不同的传感器与特定成份发电化学传感器。不同的传感器与特定成份发生反应，产生毫伏信号，信号的大小与该种成份的浓度成生反应，产生毫伏信号，信号的大小与该种成份的浓度成对应的关系。通过测量毫伏信号来确定气体的浓度；对应的关系。通过测量毫伏信号来确定气体的浓度；氧化氧化锆氧量分析仪；锆氧量分析仪；v物理方法物理方法 应用物理学原理（如物质的光学特性，磁化应用物理学原理（如物质的光学特性，
3、磁化性能等）进行气体浓度测定的方法；性能等）进行气体浓度测定的方法；红外、荧光、顺磁等红外、荧光、顺磁等类型的气体分析仪类型的气体分析仪。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.2 11.2 色谱分析仪（色谱分析仪（ChromatographyChromatography） 色谱分析色谱分析是一种混合物组份的分离技术。是一种混合物组份的分离技术。 基本原理基本原理是：被分析的混合物样品在流动气体或液是：被分析的混合物样品在流动气体或液体体(流动相流动相)的推动下，流经一根装有填充物的推动下，流经一根装有填充物(固定相固定相)的管子的管子(称称色谱柱色谱柱)时，受固定相的吸附或溶解作用，时
4、，受固定相的吸附或溶解作用，样品中的各组份在流动相和固定相中产生浓度分配。样品中的各组份在流动相和固定相中产生浓度分配。由于固定相对不同组份的吸附或溶解能力不同，因由于固定相对不同组份的吸附或溶解能力不同，因此各种组份在流动相和固定相中的浓度分配情况不此各种组份在流动相和固定相中的浓度分配情况不同，最终导致各自从色谱柱流出的时间不同，从而同，最终导致各自从色谱柱流出的时间不同，从而达到分离混合物组份的日的。达到分离混合物组份的日的。 第十一章、气体组分测量与分析第十一章、气体组分测量与分析 色谱分离过程动画气相色谱动画南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.2 色谱分析仪色谱分析仪 色谱
5、分析仪分类色谱分析仪分类： 按流动相：液相色谱分析仪和气相色谱分析仪按流动相：液相色谱分析仪和气相色谱分析仪 （载气载气） 按固定相：固态和液态；按固定相：固态和液态； 气固色谱；气液色谱气固色谱；气液色谱 色谱分析仪技术组成色谱分析仪技术组成： 色谱分离技术检测技术色谱分离技术检测技术 （色谱柱色谱柱）（）（检测器检测器） 气相气相色谱分析仪系统组成色谱分析仪系统组成： 载气源色谱柱检测器载气源色谱柱检测器南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.2 色谱分析仪色谱分析仪 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.2 色谱分析仪色谱分析仪 载气源：载气源：惰性大，不被固定相吸附或溶解
6、，不同于惰性大，不被固定相吸附或溶解，不同于 被测组分，与被检测组分的灵敏度相差较大。被测组分，与被检测组分的灵敏度相差较大。 H2、He、Ar色谱柱色谱柱：玻璃管、不锈钢管；填充固定相：玻璃管、不锈钢管；填充固定相 固态固定相：氧化铝、硅胶、活性碳、分子筛固态固定相：氧化铝、硅胶、活性碳、分子筛 液态固定相：硅油、液体石蜡、甘油液态固定相：硅油、液体石蜡、甘油检测器检测器：热导检测器（：热导检测器（TCD）：）：CO、CO2无机组分无机组分 氢火焰电离检测器（氢火焰电离检测器（FID）：）：HC有机组分有机组分南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.2 色谱分析仪色谱分析仪 热导检测器
7、热导检测器原理：气体组分不同，热传导率原理：气体组分不同，热传导率不同。不同。流速低，忽略对流与辐射流速低，忽略对流与辐射南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.2 色谱分析仪色谱分析仪 氢火焰电离检测器氢火焰电离检测器 载气被测气体载气被测气体H2，点燃后，火焰中，点燃后，火焰中HC产生产生离子和电子，数目随离子和电子，数目随C原子增加而增加，在电极原子增加而增加，在电极电场作用下形成电流。电场作用下形成电流。常用于内燃机常用于内燃机HC排放测量排放测量南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.2 色谱分析仪色谱分析仪 色谱分离过程的定量分析：记录A、B经过色谱柱分离过程的图谱称色
8、谱图。其中A、B组分在色谱柱中被洗脱用的时间称保留时间，分别用tRA、tRB表示。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.2 色谱分析仪色谱分析仪 组分分析方法：组分分析方法：1. 保留时间分析：保留时间分析： 不同组分的保留时间长短不同；不同组分的保留时间长短不同； 与已经建立的与已经建立的组分保留时间数据库组分保留时间数据库进行比进行比较，可较，可定性分析定性分析组分；组分； 数据库是利用纯物质在相同流程条件下进行数据库是利用纯物质在相同流程条件下进行色谱分析得到。色谱分析得到。 要实现要实现定量分析定量分析 通过测量各组分的峰面积通过测量各组分的峰面积 占总峰面积的比例。占总峰面积
9、的比例。2. 加入纯物质比对分析加入纯物质比对分析 比较两幅色谱峰图，比较两幅色谱峰图， 看原图中的某一峰值是否在新图中有增高。看原图中的某一峰值是否在新图中有增高。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.3 11.3 红外气体分析仪红外气体分析仪第十一章、气体组分测量与分析第十一章、气体组分测量与分析 工作原理：工作原理：有些分子有些分子为不同原子构成的多为不同原子构成的多原子气体对入射的红原子气体对入射的红外线有按波长选择性外线有按波长选择性吸收能量的特性。吸收能量的特性。 在红外区有特定在红外区有特定的吸收带（波段），的吸收带（波段），这对于某一种分子是这对于某一种分子是确定和标准
10、的。确定和标准的。 “物质指纹”2345678波长mCOSO2CO2COSO2SO2吸收率(%)100常用仪器：不分光红外气体分析仪（NDIR）南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.3 红外气体分析仪红外气体分析仪 v设有一束红外线入射强度为设有一束红外线入射强度为I I0 0, ,经过浓度经过浓度为为C C的气体后，透射的红外线的强度为的气体后，透射的红外线的强度为I, I, 根据比尔（根据比尔（BeerBeer）定律：）定律：式中式中k k - -被测气体对波长被测气体对波长的的 红外辐射的吸收系数红外辐射的吸收系数 C -C -被测气体的浓度被测气体的浓度 l - - 通过气样的
11、光程长度通过气样的光程长度射入某种气体的外来辐射能，只有其频射入某种气体的外来辐射能，只有其频率符合该气体分子的特征频率时，气体率符合该气体分子的特征频率时，气体才能吸收此辐射能。才能吸收此辐射能。v两束等能量的红外光分别进入并行的两两束等能量的红外光分别进入并行的两个光学器件。一个通入参考气体，另一个光学器件。一个通入参考气体，另一个通入采样气体。检测器可连续测量两个通入采样气体。检测器可连续测量两个气室中所吸收的红外光能量的差别，个气室中所吸收的红外光能量的差别，这个差别就是采样气体中待测气体成分这个差别就是采样气体中待测气体成分的浓度。的浓度。Clke0II南昌大学机电工程学院南昌大学机
12、电工程学院11.4 11.4 氧含量测量氧含量测量 v在现代内燃机和锅炉运行过程中，往往根据燃烧排在现代内燃机和锅炉运行过程中，往往根据燃烧排放物中的放物中的O2含量或含量或CO2含量来判断过量空气系数的含量来判断过量空气系数的大小，以控制燃料与空气的比例，维持良好的燃烧大小，以控制燃料与空气的比例，维持良好的燃烧条件。条件。v由于由于O2含量与过量空气系数之间的函数关系含量与过量空气系数之间的函数关系呈呈单值性单值性，并很少受到燃料品种的影响，加，并很少受到燃料品种的影响，加上上O2含量的动态测量相对容易，所以在燃烧含量的动态测量相对容易，所以在燃烧过程监测与控制中，普遍采用过程监测与控制中
13、，普遍采用O2含量来判断含量来判断过量空气系数的大小。过量空气系数的大小。v常用：常用：氧化锆氧量分析仪、磁性氧量分析仪氧化锆氧量分析仪、磁性氧量分析仪第十一章、气体组分测量与分析第十一章、气体组分测量与分析 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.4 氧含量测量氧含量测量 v氧化锆氧量测量原理：氧化锆氧量测量原理：氧化锆浓差电池原理氧化锆浓差电池原理ZrO2固体电解质固体电解质CaO或或Y2O3后，后，增加氧离子增加氧离子空穴含量，在空穴含量，在8001200，成为氧离子导体成为氧离子导体南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.4 氧含量测量氧含量测量 南昌大学机电工程学院南昌大
14、学机电工程学院11.4 氧含量测量氧含量测量 使用时，测量系统要采取使用时，测量系统要采取保温措施保温措施或进行或进行温度补偿温度补偿常用常用热电偶热电偶进行温度补偿。进行温度补偿。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.4 氧含量测量氧含量测量 汽车氧传感器及陶瓷发热芯南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.5 11.5 氮氧化合物含量测量氮氧化合物含量测量NDIRNDIR法缺点法缺点: :稳定除湿，保持高温，防止稳定除湿，保持高温，防止NONO溶入水或吸附于壁面。溶入水或吸附于壁面。测量测量NOxNOx一般采用一般采用化学发光法化学发光法。 化学发光检测器（化学发光检测器（CL
15、DCLD） 也叫也叫NOxNOx分析仪。分析仪。 第十一章、气体组分测量与分析第十一章、气体组分测量与分析 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.5 氮氧化合物含量测量氮氧化合物含量测量 1.1.基本原理：基本原理：利用化学发光法测量利用化学发光法测量NONO，是依据，是依据NONOO O3 3反应生成反应生成NONO2 2和和O O2 2, ,其中的一些二氧化氮被提升到电子激发状态，然后其中的一些二氧化氮被提升到电子激发状态，然后随着光子的挥发又迅速恢复到原态。随着光子的挥发又迅速恢复到原态。NO+ONO+O3 3NONO2 2* *+O+O2 2NONO2 2* *NONO2 2+
16、h+h 式中：式中：h - h - 普朗克常数普朗克常数 - - 频率，频率， HzHz当当NONO与与O O3 3在反应室中混合时，化学发光反应产生的发射光强在反应室中混合时，化学发光反应产生的发射光强与与NONO的浓度成正比，用光电倍增管可以测到这个光强信号，的浓度成正比，用光电倍增管可以测到这个光强信号，并将其转换为电信号。并将其转换为电信号。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.5 氮氧化合物含量测量氮氧化合物含量测量 2. NOx的确定的确定采样气体先进入一个转换器，在这里采样气体先进入一个转换器，在这里NO2被转换成被转换成NO2NO2 2NO+O2仪表的输出与总的仪表的输
17、出与总的NO成正比，包括采样气体中原有的成正比，包括采样气体中原有的NO加加上从上从NO2转换来的转换来的NO, 这个总和也称为这个总和也称为NOx。NOx=NO+NO23. NO2=NOxNO南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.6 11.6 烟度测量烟度测量 v黑烟中所含的成分十分复杂，如内燃机排放气体中黑烟中所含的成分十分复杂，如内燃机排放气体中的黑烟，除碳质成分的黑烟，除碳质成分(碳烟碳烟)外，还含有外，还含有硫酸雾硫酸雾等液等液体成分、各种体成分、各种金属盐类金属盐类微粒、微粒、多环芳香烃多环芳香烃等高沸点等高沸点有机成分等。有机成分等。国家排放标准GBl7961-2005
18、,对颗粒(PM)与烟的定义: v发动机的颗粒物PM指在温度不超过325K(52)的稀释排气中，由规定的过滤介质上收集到的所有物质。PM的测量主要是对排气稀释-过滤-称重。v烟指悬浮在柴油机排气流中，能吸收、反射或折射光线的颗粒。第十一章、气体组分测量与分析第十一章、气体组分测量与分析 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.6 烟度测量烟度测量 有关黑烟测量技术的发展主要有两个方面：有关黑烟测量技术的发展主要有两个方面： 1. 1. 以其中的烟气浓度以其中的烟气浓度( (烟度烟度) )为测量对象；为测量对象； 2. 2. 以其中的粒状物质成分及其含量以其中的粒状物质成分及其含量( (颗粒
19、排放颗粒排放) )为测量对象。为测量对象。烟度的测量方法主要有两类：烟度的测量方法主要有两类： 1. 1. 利用烟气对光的吸收作用，即通过测量光从利用烟气对光的吸收作用，即通过测量光从烟气中的透过度来确定烟度的，这种方法叫烟气中的透过度来确定烟度的，这种方法叫透光度透光度法法； 2.2.利用滤纸收集一定量的烟气，再通过比较滤利用滤纸收集一定量的烟气，再通过比较滤纸表面对光的反射率的变化来测量烟度的，这种方纸表面对光的反射率的变化来测量烟度的，这种方法叫法叫滤纸法滤纸法，也称，也称反射法反射法。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.6 烟度测量烟度测量 1. 哈特里奇烟度计哈特里奇烟度计
20、部分流透光式部分流透光式0（无烟）（无烟）100（全黑）（全黑）特点：特点：a.能测量排放气体中水气和能测量排放气体中水气和油雾等成分形成的烟气油雾等成分形成的烟气烟度，如内燃机冷车起烟度，如内燃机冷车起动时产生的白烟或此烟动时产生的白烟或此烟的烟度等，的烟度等，b.响应快、能够实现连续响应快、能够实现连续测量，测量，c.光学系统容易受到污染，光学系统容易受到污染，使用时必须注意清洗使用时必须注意清洗d.受气体流速变化影响，受气体流速变化影响，需对取样压力加以控制。需对取样压力加以控制。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.6 烟度测量烟度测量 2. PHS烟度计烟度计全流透光式全流透
21、光式特点：特点：a. 测量值直接受排气管道测量值直接受排气管道直径及其排放流量的影响。直径及其排放流量的影响。b.按照规定来选用排气导入按照规定来选用排气导入管的尺寸管的尺寸南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.6 烟度测量烟度测量 3. Bosch烟度计烟度计滤纸式滤纸式; 010特点：特点：a.结构简单，使用调整方便，滤纸试样能够结构简单，使用调整方便，滤纸试样能够保存，并能用于碳烟的重量测量。保存，并能用于碳烟的重量测量。b.不能用于变工况下碳烟的连续测量，也不不能用于变工况下碳烟的连续测量，也不能测量蓝姻和白烟能测量蓝姻和白烟.南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.6
22、烟度测量烟度测量 4. 冯布兰德烟度计冯布兰德烟度计滤纸式滤纸式; 0100特点：特点：a. 滤纸为传送带式，可用于变工况下碳烟的滤纸为传送带式，可用于变工况下碳烟的连续测量连续测量b.也不能测量蓝姻和白烟也不能测量蓝姻和白烟.南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.7 其它问题其它问题 气体中水份的处理气体中水份的处理 v分析气体中的水蒸汽常对分析结果有明显的影分析气体中的水蒸汽常对分析结果有明显的影响，尤其是对于那些含量很少，容易结露的气响，尤其是对于那些含量很少，容易结露的气体（如二氧化硫，氮氧化物）。在高温下水以体（如二氧化硫，氮氧化物）。在高温下水以气体的形式存在，当把气体降到
23、适于分析的温气体的形式存在，当把气体降到适于分析的温度时，水蒸汽凝结成水滴会吸收一部分气体，度时，水蒸汽凝结成水滴会吸收一部分气体，形成酸既会影响测量结果，也会腐蚀分析仪器。形成酸既会影响测量结果，也会腐蚀分析仪器。所以在气体进入分析仪器之前都要使水凝结下所以在气体进入分析仪器之前都要使水凝结下来。脱除气体中水份的方法有几种，一是快速来。脱除气体中水份的方法有几种，一是快速冷凝（冷凝（GD10GD10，Gas DryerGas Dryer），二是加入干燥装），二是加入干燥装置除湿。置除湿。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.7 其它问题其它问题 气体中微量及痕量气体成份的处理气体中
24、微量及痕量气体成份的处理 v有些要分析的气体成份的含量非常少，要以有些要分析的气体成份的含量非常少，要以ppmppm（Part per millionPart per million），），ppb(Part per ppb(Part per billion)billion)为测量单位来量度，且非常容易受外为测量单位来量度，且非常容易受外界的干扰。因此在测量时减少这些干扰对测量界的干扰。因此在测量时减少这些干扰对测量结果的影响就显得很重要。这些气体常受到的结果的影响就显得很重要。这些气体常受到的干扰有几个方面：环境气体的渗入；管路的吸干扰有几个方面：环境气体的渗入；管路的吸附；与其它气体进行反应
25、；仪器测量的精度等。附；与其它气体进行反应；仪器测量的精度等。v解决方法：系统的连接要严密，采用正压取样；解决方法：系统的连接要严密，采用正压取样；分析用管路用不吸附管（如不锈钢管，四氟管分析用管路用不吸附管（如不锈钢管，四氟管等）；对彼此反应的气体要进行修正；选择适等）；对彼此反应的气体要进行修正；选择适合的分析仪器。合的分析仪器。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院11.7 其它问题其它问题 气体成份超出仪器量程上限时的气体成份超出仪器量程上限时的处理方法处理方法 v有时被分析气体的浓度变化很大，常常有时被分析气体的浓度变化很大，常常超出了仪器的测量范围，通常是超出了超出了仪器的测量范围，通常是超出了分析的上限（因为一般在购置仪器设备分析的上限（因为一般在购置仪器设备时都有针对性，所以精度一般都够），时都有针对性，所以精度一般都够），这时就要有气体配比系统。这时就要有气体配比系统。
