1、12021/2/21成分检测及仪表22021/2/212.6 成分检测及仪表成分检测及仪表 所谓成分，是指在多种物质的混合物中某一所谓成分，是指在多种物质的混合物中某一种物质所占的比例。种物质所占的比例。在生产中经常需要在线实时检测物料的成分。在生产中经常需要在线实时检测物料的成分。32021/2/212.6.1氧化锆氧量计氧化锆氧量计 氧化锆氧量计广泛用于锅炉和窑炉的烟气含氧氧化锆氧量计广泛用于锅炉和窑炉的烟气含氧量测量，以控制燃烧效率。量测量，以控制燃烧效率。2 P2 空空 气气 1 P1 烟烟 气气铂电极铂电极 ZrO2O2-O2-O2-O2-O2-EE根据电化学中的浓差电池原根据电化学
2、中的浓差电池原理工作。理工作。浓差电池的构成：浓差电池的构成：PO2 Pt/ZrO2.CaO/Pt PO2（参比）（参比）阴极阴极 阳极阳极 （被测）（被测）浓侧浓侧 稀侧稀侧 PO2，PO2分别为氧化锆固体电解分别为氧化锆固体电解质两侧的氧浓度质两侧的氧浓度一、工作原理一、工作原理42021/2/21 阴极阴极（参比气体侧）（参比气体侧）气体中的氧分子通过高氧侧气体中的氧分子通过高氧侧半电池的铂电极时，从铂电极上吸收半电池的铂电极时，从铂电极上吸收4个电子，变成个电子，变成氧离子。高氧侧铂电极就带正电。氧离子。高氧侧铂电极就带正电。O2+4e2O2-还原反应还原反应 生成的氧离子通过氧化锆中
3、的氧离子空穴移动生成的氧离子通过氧化锆中的氧离子空穴移动到低氧侧半电池的铂电极。到低氧侧半电池的铂电极。阳极（被测气体侧）：阳极（被测气体侧）：氧离子将电子还给铂电氧离子将电子还给铂电极变成氧分子进入烟气，低氧侧铂极变成氧分子进入烟气，低氧侧铂电极因得到电子而带负电。电极因得到电子而带负电。2O2-O2+4e 氧化反应氧化反应 2 P2 空空 气气 1 P1 烟烟 气气O2-O2-O2-O2-O2-E当外电路接通后，在阴极和阳极之间就当外电路接通后，在阴极和阳极之间就产生一个电动势产生一个电动势-氧浓差电势氧浓差电势52021/2/21式中：式中：R 气体常数；气体常数；F 法拉弟常数；法拉弟
4、常数；n 一个氧分子携带电子数（一个氧分子携带电子数（n4）；）；T 气体绝对温度；气体绝对温度；P1、P2 被测气体与参比气体的氧分压。被测气体与参比气体的氧分压。根据根据Nernst方程，氧浓差电势方程，氧浓差电势E可以表示为：可以表示为：21PRTE=lnnFP 2 P2 空空 气气 1 P1 烟烟 气气O2-O2-O2-O2-O2-E 由于在混合气体中，某气体组的分压力和总压由于在混合气体中，某气体组的分压力和总压力之比与容积成分（即浓度）成正比，有：力之比与容积成分（即浓度）成正比，有：111PVPV222PVPV62021/2/21 代入代入Nernst方程，氧浓差电势方程，氧浓差
5、电势E为为 2 P2 空空 气气 1 P1 烟烟 气气O2-O2-O2-O2-O2-E2211PRTRTE=lnlnnFPnF 可见，氧浓差电势是烟气可见，氧浓差电势是烟气含氧量含氧量1的单值函数。的单值函数。72021/2/21 1、温度温度T恒定恒定在在600以上。为此，可在氧化锆探以上。为此，可在氧化锆探头内安装恒温控制系统或采用热电偶来检测探头感头内安装恒温控制系统或采用热电偶来检测探头感受的实际工作温度，并进行温度补偿运算。受的实际工作温度，并进行温度补偿运算。2、空气的氧含量恒定。为此，探头空气口可安装、空气的氧含量恒定。为此，探头空气口可安装 空气泵，以保证探头内空气新鲜，含量等
6、于空气泵，以保证探头内空气新鲜，含量等于20.8 3、参比气体与被测气体压力相等，才能用浓度来、参比气体与被测气体压力相等，才能用浓度来代替氧分压。代替氧分压。此外，此外，E与与1呈非线性关系，必须经线性化电呈非线性关系，必须经线性化电路处理。路处理。21R TE=lnnF关系稳定的必要条件是：关系稳定的必要条件是：82021/2/21二、组成和应用二、组成和应用氧化锆氧量分析仪主要由氧化锆探头和氧量变送氧化锆氧量分析仪主要由氧化锆探头和氧量变送器两部分组成器两部分组成1、氧化锆探头、氧化锆探头 氧化锆探头是氧量分析器的检测部件，其核氧化锆探头是氧量分析器的检测部件，其核心就是氧化锆固体电解质
7、氧浓差电池。它的作用心就是氧化锆固体电解质氧浓差电池。它的作用是将被测气体的氧含量转换为氧浓差电势。是将被测气体的氧含量转换为氧浓差电势。氧化锆探头结构主要有直插式、直插加热式和抽氧化锆探头结构主要有直插式、直插加热式和抽吸定温式吸定温式 92021/2/21 a、抽吸定温式、抽吸定温式 氧化锆探头带有加热装置氧化锆探头带有加热装置和测温元件。将被测气体加热和测温元件。将被测气体加热到定值温度，以便准确测量。到定值温度，以便准确测量。烟气烟气102021/2/21b、直插补偿式、直插补偿式 如果被测气体温度达如果被测气体温度达 560以上，则氧化锆探以上，则氧化锆探头不设加热装置，直接安装在烟
8、道内。但要装测温头不设加热装置，直接安装在烟道内。但要装测温元件，测被测气体温度，以便在后级电路中对温度元件，测被测气体温度，以便在后级电路中对温度变化进行补偿。变化进行补偿。112021/2/212、氧量变送器、氧量变送器高阻抗变换器：高阻抗变换器：氧量变送器的输入回路采用高输入阻抗的氧量变送器的输入回路采用高输入阻抗的阻抗变换级，以保证流过浓差电池的电流近似为零阻抗变换级，以保证流过浓差电池的电流近似为零温度变换级：温度变换级：为后面的除法器电路进行探头温度补偿而设。为后面的除法器电路进行探头温度补偿而设。一是将热电偶的冷端温度自动补偿到一是将热电偶的冷端温度自动补偿到0 0度，使热端电势
9、信号仅度，使热端电势信号仅与探头工作温度成单值函数关系；二是进行必要的表达式变与探头工作温度成单值函数关系；二是进行必要的表达式变换，以满足后面除法器的需要。换，以满足后面除法器的需要。倒相及线性化：倒相及线性化：将除法器输出的与被测氧浓度成非线性关将除法器输出的与被测氧浓度成非线性关系的毫伏信号转换成与被测氧浓度成正比的直流毫伏信号系的毫伏信号转换成与被测氧浓度成正比的直流毫伏信号122021/2/212.6.2 2.6.2 气相色谱分析仪气相色谱分析仪色谱分析法是近年来获得迅速发展的一种分色谱分析法是近年来获得迅速发展的一种分离分析技术，其特点是分离能力强，分析灵敏度离分析技术，其特点是分
10、离能力强，分析灵敏度高、速度快和样品用量少。高、速度快和样品用量少。例如分析石油产品时，一次可分离分析一百例如分析石油产品时，一次可分离分析一百多种组分；在分析超纯气体时，可鉴定出多种组分；在分析超纯气体时，可鉴定出1ppm（ppm为浓度单位，表示百万分之为浓度单位，表示百万分之），甚至），甚至01ppb（ppb表示十亿分之一）的组分；因此，表示十亿分之一）的组分；因此，目前被广泛应用于石油、化工、电力、医药、食目前被广泛应用于石油、化工、电力、医药、食品等生产及科研中。品等生产及科研中。132021/2/21植物色素植物色素+石油醚石油醚石油醚石油醚色谱分析法得名于色谱分析法得名于1906年
11、年把溶有植物色素的石油醚把溶有植物色素的石油醚倒入装倒入装有碳酸钙吸附剂竖直玻璃管中有碳酸钙吸附剂竖直玻璃管中再倒入纯的石油醚帮助它自由流下再倒入纯的石油醚帮助它自由流下 看到分离开的一层层不同颜色的谱带看到分离开的一层层不同颜色的谱带碳酸钙对不同的植物碳酸钙对不同的植物色素吸附能力不同色素吸附能力不同固定相固定相移动相移动相碳碳酸酸钙钙吸吸附附剂剂2.6.2.12.6.2.1色谱分析原理色谱分析原理142021/2/21色谱柱色谱柱 一般的一般的色谱柱色谱柱，是在直径约是在直径约36mm、长约、长约14m的玻璃或金属细管中，填装固体吸附剂颗粒构的玻璃或金属细管中，填装固体吸附剂颗粒构成。称为
12、固定相。成。称为固定相。常用的固体吸附剂有氧化铝、硅常用的固体吸附剂有氧化铝、硅胶、活性炭、分子筛等。胶、活性炭、分子筛等。用氢、氮、空气等用氢、氮、空气等作作“载气载气”，运载被分，运载被分析样气通过固定相。析样气通过固定相。载载气和被分析样气称为移气和被分析样气称为移动相。动相。实用的气相色谱仪由实用的气相色谱仪由色谱柱、检测器色谱柱、检测器及及载气、载气、采样等辅助装置采样等辅助装置组成。组成。152021/2/21分离过程分离过程 设样气中有设样气中有A、B、C三种不同的成分。三种不同的成分。从色谱柱分离从色谱柱分离原理可知，被分析的原理可知，被分析的样气应当是脉冲式输样气应当是脉冲式
13、输入，在载气的推动下入，在载气的推动下通过色谱柱。在流动通过色谱柱。在流动的过程中，吸附性小的过程中，吸附性小的成分前进速度快，的成分前进速度快，C、B、A各组分依各组分依次从色谱柱流出。次从色谱柱流出。162021/2/21 样气中样气中A、B、C三种不同的成分，经色谱柱分离三种不同的成分，经色谱柱分离后，依次进入检测器。检测器输出随时间变化的曲后，依次进入检测器。检测器输出随时间变化的曲线称为色谱流出曲线或色谱图，线称为色谱流出曲线或色谱图，色谱图上色谱图上三个峰的面积三个峰的面积（或高度）分（或高度）分别代表相应组别代表相应组分在样品中的分在样品中的浓度大小。浓度大小。172021/2/
14、21检测器检测器 检测器的作用是将由色谱柱分离开的各组分进检测器的作用是将由色谱柱分离开的各组分进行定量的测定。行定量的测定。从理论上说，各组分与载气的任何从理论上说，各组分与载气的任何物理或化学性质的差别都可作为检测的依据。但使物理或化学性质的差别都可作为检测的依据。但使用最多的是热导式检测器和氢火焰电离检测器。用最多的是热导式检测器和氢火焰电离检测器。热导式检测器热导式检测器氢火焰电离检测器氢火焰电离检测器182021/2/21如下表列出在如下表列出在0时，以空气导热系数为基准时，以空气导热系数为基准的一些气体的相对导热系数值。的一些气体的相对导热系数值。q例：热导式检测器的工作原理例：热
15、导式检测器的工作原理热导式检测器就是一台气体分析仪。根据不同热导式检测器就是一台气体分析仪。根据不同种类的气体具有不同的热传导能力的特性，通过导种类的气体具有不同的热传导能力的特性，通过导热能力的差异来分析气体的组分和含量。热能力的差异来分析气体的组分和含量。192021/2/21纯载气纯载气样气样气 热导式检测器主要由热导池和检测电桥构成。热导式检测器主要由热导池和检测电桥构成。202021/2/21载气及进样装置载气及进样装置 从色谱柱的分离原理可知，被分析的样气应该从色谱柱的分离原理可知，被分析的样气应该是脉冲式的定量输入。进一次样气，分析一次。进是脉冲式的定量输入。进一次样气，分析一次
16、。进样时间周期应足够长，以保证各组分从色谱柱流出样时间周期应足够长，以保证各组分从色谱柱流出时不重叠。时不重叠。212021/2/21222021/2/21232021/2/21 2.6.3 红外线气体分析仪红外线气体分析仪根据不同的组分对不同波长的红外线具有选择性根据不同的组分对不同波长的红外线具有选择性吸收的特征制成。可测量吸收的特征制成。可测量CO、CO2、NH3、甲烷、乙、甲烷、乙炔、乙醇、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷等的含量。炔、乙醇、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷等的含量。使用范围宽，不仅可以分析气体，也可分析溶液，使用范围宽，不仅可以分析气体，也可分析溶液，且灵敏度较高，反应迅速，有着广泛的应
17、用。且灵敏度较高，反应迅速，有着广泛的应用。2.6.3.1 工作原理工作原理红外线是指波长为红外线是指波长为0.84 400m之间之间的不可见电的不可见电磁波，在工业红外线分析仪中，使用的红外线波长一磁波，在工业红外线分析仪中，使用的红外线波长一般在般在125m之间。之间。可见光可见光紫外线紫外线红外线红外线242021/2/21 实验证明，除氦、氖、实验证明，除氦、氖、氩等单原子惰性氩等单原子惰性气体及氢、气体及氢、氧、氮、氯等具有对称结氧、氮、氯等具有对称结构的双原子气体外，大部构的双原子气体外，大部分多原子气体如分多原子气体如CO、CO2、CH4（甲烷）等，对（甲烷）等，对125m波长范
18、围的红外线都波长范围的红外线都有强烈的选择性吸收的特有强烈的选择性吸收的特性。如图，性。如图，CO对波长为对波长为4.55m的红外线具有强烈的红外线具有强烈的吸收作用。的吸收作用。CH4252021/2/21根据朗伯根据朗伯-贝尔定律，当光通过吸收介质时，其贝尔定律，当光通过吸收介质时，其强度随介质的浓度和厚度按指数规律衰减。强度随介质的浓度和厚度按指数规律衰减。cleII 0 式中：式中：I0 射入时的光强；射入时的光强；I 透出时的光强；透出时的光强；l 介质厚度；介质厚度；c 吸收介质的浓度；吸收介质的浓度；吸收系数吸收系数 红外线气体分析仪就是根据这一定律，测某波红外线气体分析仪就是根
19、据这一定律，测某波长红外线的透射强度。从波长光强被吸收的程度，长红外线的透射强度。从波长光强被吸收的程度，推知该组分在混合气中的浓度。推知该组分在混合气中的浓度。262021/2/21当I0，及L一定时，I 是C的单值函数。当 0(1)IICL故在一般的红外气体分析仪中，为保证故在一般的红外气体分析仪中，为保证I与与C之之间成线性关系，间成线性关系，当当C较大时，应选较短的分析管（测量气室）较大时，应选较短的分析管（测量气室）当当C较小时，应选较长的分析管（测量气室）较小时，应选较长的分析管（测量气室）1CL272021/2/212.6.3.2 2.6.3.2 仪表结构仪表结构用强度恒定的红外线照射厚度确定的混合用强度恒定的红外线照射厚度确定的混合气体气体薄层，测量透射出来的某波长红外线的强度。薄层，测量透射出来的某波长红外线的强度。282021/2/21292021/2/21小结小结氧化锆氧量计氧化锆氧量计气相色谱分析仪气相色谱分析仪红外线气体分析仪红外线气体分析仪成分检测成分检测作业：作业：2-2527，2-29,2-30302021/2/21本章总结本章总结 温度温度检测仪表检测仪表液位液位检测仪表检测仪表成分成分分析仪表分析仪表检测仪表检测仪表压力压力检测仪表检测仪表流量流量检测仪表检测仪表312021/2/21谢谢！322021/2/21
