1、伍科伍科2019.5.202019.5.20北京北大先锋科技有限公司技术北京北大先锋科技有限公司技术部部报告内容报告内容1 在线分析仪的基本概念在线分析仪的基本概念2 在线氧分仪的在线氧分仪的种类种类3 各种各种在线氧在线氧分仪的检测原理分仪的检测原理4 各种各种在线氧分在线氧分仪的应用情况仪的应用情况5 各种在线分析仪的相关技术标准各种在线分析仪的相关技术标准6 参考参考文献文献1 在线分析仪的在线分析仪的基本概念基本概念1.1 仪器分析的概念仪器分析的概念 仪器分析是通过测量表征物质的某些物理或者化学性质的参数来确定其化学组成、含量或结构的分析方法。仪器分析方法仪器分析方法包括以下几种：(
2、1)光学分析法 (2)化学分析法 (3)色谱分析法 (4)其他分析法：包含质谱、流动注射分析法、热分析法等。1.2 在线在线气体分析仪概念及发展近况气体分析仪概念及发展近况 在线分析仪器又称过程分析仪器，指直接安装在工业生产流程或者其他源流体现场的仪器，对被测物质的组成成分或者物性进行自动连续测量的一类仪器。近20年来，在线分析仪器两大突破性的进展是半导体激光分析仪和近红外光谱仪。前者最大的突破就是取消了采样系统，提高了分析速度；而后者实现了与化学计量软件和分析模型的一体化。2 在线氧分析仪的在线氧分析仪的种类种类氧化锆氧分析仪固体、液体电解质的燃料电池氧分析仪电解式氧分析器热磁对流式氧分析仪
3、磁力机械式氧分析仪磁压力式氧分析仪(2)电化学式氧分析仪(4)顺磁式氧分析仪(1)半导体激光气体分析仪(3)过程气相色谱仪3 测试原理测试原理 半导体激光气体分析仪是一种光谱技术吸收技术，通过分析激光被气体选择性吸收来获得气体的浓度，分析仪的组成和工作原理，如图1所示。图图1 1 半导体激光分析仪组成和工作原理半导体激光分析仪组成和工作原理3.1 半导体半导体激光气体分析仪测试原理激光气体分析仪测试原理3.2 电化学电化学式氧分析仪测试原理式氧分析仪测试原理3.2.1 氧化锆氧分析仪测试原理氧化锆氧分析仪测试原理 纯氧化锆（ZrO2）是不导电的，掺杂一定比例的低价金属氧化物氧化钙(CaO)、氧
4、化镁、氧化钇后就具有高温导电性，成为了氧化锆固体电解质。在一片高致密的氧化锆固体电解质的两侧，用烧结的方法制成几微米到几十微米厚的多孔铂层作为电极，再在电极上焊上铂丝作为引线，就构成氧浓差电池。设 P0P1，在高温下(650 850)，氧从分压高的一侧向分压低的一侧扩散，这种扩散不是氧分子透过氧化锆的扩散，是氧分子离解成氧离子后通过氧化锆的过程。正极：O2(p0)+4e 2O2-负极：2O2-O2+4e(P1)在两个铂电极上，由于正负电荷的堆积而形成电势差，成为氧浓度差电池。图图2 氧化锆分析仪氧浓差电池原理氧化锆分析仪氧浓差电池原理图图3 氧化锆探头组成示意氧化锆探头组成示意图图3.2.2
5、燃料电池氧分析仪燃料电池氧分析仪 燃料电池是原电池的一种，氧分器中的电化学反应可以自发地进行，不需要外部电源，其综合反应是气样中的氧和阳极发生氧化反应，阳极变成阳极材料的氧化物。阳极在反应中不段的消耗，因此需要定期的更换电极。燃料电池的电解质有固体电解质和液体电解质之分，其中液体电解质的液体燃料电池根据液体的酸碱性，又可以分为碱性液体氧分仪和酸性液体氧分仪。图图4 4 固体燃料电池氧传感器固体燃料电池氧传感器图图5 碱性液体燃料电池氧传感器的原理结构碱性液体燃料电池氧传感器的原理结构图图6 FEP氧氧扩散膜酸性燃料电池氧传感器原理结构扩散膜酸性燃料电池氧传感器原理结构1FEP氧扩散膜；氧扩散膜
6、；2电解液电解液；3用于温度补偿的热用于温度补偿的热 敏电阻和负载电阻；敏电阻和负载电阻；4外电路信号输出；外电路信号输出；5石墨阳极；石墨阳极；6金阴极金阴极图图7 PTFE氧扩散膜酸性燃料电池氧传感器原理结构氧扩散膜酸性燃料电池氧传感器原理结构(a)(a)结构组成结构组成 (b)(b)测量原理测量原理 电解池式氧分析器中的电化学反应是不能自发进行，需外接电源供给电能，其阳极是非消耗型的，一般不需要更换。图图8 微量氧传感器结构微量氧传感器结构3.2.3 电解式氧分析器测试原理电解式氧分析器测试原理3.3 过程色谱仪测试原理过程色谱仪测试原理 利用色谱柱对气体混合物先分离后检测，定性或者定量
7、分析方法称为色谱分析。图图9 色谱分离检测原理示意图色谱分离检测原理示意图3.4 顺顺磁式磁式氧分析仪测试原理氧分析仪测试原理 任何物质在外界磁场的作用下都会被磁化，呈现出一定的磁特性。研究表明，物质在外磁场中被磁化，其自身会产生一个外磁场，当附加磁场与外磁场方向相同时，物质被磁场吸引；当方向相反时，物质被磁场排斥。被外磁场吸引的物质称为顺磁性物质或者说该物质具有顺磁性，而被外磁场排斥的物质称为逆磁性物质或者说具有逆磁性。常见气体中，O2、NO、NO2等是顺磁性气体，H2，N2，CO2，CH4，等是逆磁性气体。3.4.1 3.4.1 热磁对流式氧分析仪热磁对流式氧分析仪 热磁对流式氧分析仪中，
8、检测器内热磁对流的形式有内对流式和外对流式两种，检测器的结构不相同，内对流式检测器热磁对流在热敏元件内部进行，而外对流式检测器热磁对流在热敏元件外部进行。图图8 热磁对流式氧分析器原理示意图热磁对流式氧分析器原理示意图1T型薄壁石英管；2加热丝；3磁极图图9 内热磁对流式氧分析仪工作原理内热磁对流式氧分析仪工作原理图10 外对流式检测器工作原理1工作热敏元件；2参比热敏元件；双臂单电桥测量原理3.4.2 磁力机械式氧分析器磁力机械式氧分析器图图11 磁力机械式氧分析器原理图磁力机械式氧分析器原理图1密闭气室；2，3磁极；4空心球体；5弹性金属带；6反射镜3.4.3 磁压力式氧分析器磁压力式氧分
9、析器 根据被测气体在磁场作用下压力的变化量来测量氧含量的仪器叫作磁压力式氧分析器。被测气体进入磁场后，在磁场作用下气体的压力将会发生变化，致使气体在磁场内和无磁场空间存在着压力差。图图12 磁压力式氧分析仪工作原理流程磁压力式氧分析仪工作原理流程4 在线氧分析仪应用情况在线氧分析仪应用情况分析仪名称分析仪名称O2O2浓度检测下限浓度检测下限半导体激光分析仪100ppm过程色谱分析仪10ppm氧化锆分析仪10ppm，常量氧检测，特别不能用于还原性、可燃性气体中微量氧的检测。燃料电池式分析仪0，常用于微量氧的检测。顺磁氧分仪1000ppm常量氧检测表表1 1 氧分析器检测下限氧分析器检测下限仪仪厂
10、家或者品牌厂家或者品牌产品分析仪类型产品分析仪类型聚光科技LGA系列、西门子LDS6、西克麦哈克GM700、美国LGR的ICOS、挪威纳斯克公司的Laser Gas 系列等半导体激光分析仪ABB、日本横河、美国罗斯蒙特（艾默生）、美国流体数据公司、南京分析仪器厂、北分等过程色谱分析仪横河、西克麦哈克、阿美特克、氧化锆分析仪美国特利丹公司、美国泛美公司燃料电池式分析仪德国M&C、西克麦哈克、ABB、川义九厂、西门子、聚光科技顺磁氧分仪表表2 氧分析仪厂家氧分析仪厂家5 在线氧分析仪器的相关标准在线氧分析仪器的相关标准(1)JB/T 8280-2019热磁式氧分析器技术条件(2)JB/T 8281-2019氧化锆氧分析器技术条件(3)JB/T 5225-1991气相色谱仪测试用标准色谱柱(4)JB/T 5227.1.6-1991气相色谱仪用管路附件(5)JB/T 9360-2019气相色谱仪用热导检测器试验方法(6)IEC61207-2:2019气体分析器性能表示顺磁式氧分 析器6 6 参考参考文献文献1 王森.在线分析仪器手册M.北京：化学工业出版 社，2019.92 叶宪曾等.仪器分析教程M.北京：北京大学出版 社，2019.13 分析化学
