自動化檢測儀表第9講

自動檢測技術及儀表控制系統(tǒng)第二編過程參數(shù)檢測技術4.溫度檢測5.壓力檢測6.流量檢測7.物位檢測8.機械量檢測9.成分分析儀表9.成分分析儀表9.1成分分析方法及分析系統(tǒng)的構(gòu)成9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.3濕度的檢測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方法有兩種：一，定期取樣，通過實驗室測定的實驗室分析方法；二，利用可以連續(xù)測定被測物質(zhì)的含量或性質(zhì)的自動化儀表；9.1成分分析方法及分析系統(tǒng)的構(gòu)成成分儀表的型式：①電化學式，如電導式、電量式、電位式、酸度計等；②熱學式，如熱導式、熱譜式、熱化學式等；③磁學式，如磁式氧分析器、核磁共振分析儀等；④射線式，γ射線分析儀、同位素分析儀等；⑤光學式，如紅外、紫外等吸收式光學分析儀，光散射等；9.1成分分析方法及分析系統(tǒng)的構(gòu)成⑥電子光學式和離子光學式，如電子探針、離子探針等；⑦色譜式，如氣相色譜儀、液相色譜儀等；⑧物性測量儀表，如水分計、黏度計、密度計、濕度計等；⑨其他，如晶體振蕩式分析儀、半導體氣敏傳感器等。9.1成分分析方法及分析系統(tǒng)的構(gòu)成9.1.2自動分析系統(tǒng)的構(gòu)成自動分析儀表通常是與試樣預處理系統(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)基本組成：9.1成分分析方法及分析系統(tǒng)的構(gòu)成自動取樣裝置的作用是從生產(chǎn)設備中自動、快速地提取待分析樣品；預處理系統(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行適當?shù)奶幚?，為分析儀器提供符合技術要求的試樣；檢測器是分析儀表的核心；整機自動控制系統(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)地進行。9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.1熱導式氣體分析器熱導式氣體分析器是使用最早的一種物理式氣體分析器件；用途：常用于分析混合氣體中等組分的百分含量原理：各種氣體都具有一定的導熱能力，但程度不同，即各有不同的導熱系數(shù)9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.1熱導式氣體分析器混合氣體的熱導率可以近似認為是各組分熱導率的均值：如果被測組分的熱導率為，其余組分為背景組分，其熱導率近似等于，由于可得被測組分的含量：9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表實際測量時，要求混合其中背景組分的熱導率近似相等，否則，需要預處理。熱導式氣體分析器的核心是測量室，稱為熱導池1——熱敏電阻2——熱導池腔體3——絕緣物9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表熱導池常用結(jié)構(gòu)：對流擴撒式結(jié)構(gòu)熱導式分析儀表常用橋式測量電路9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.2紅外線氣體分析器紅外線氣體分析器屬于光學分析儀表中的一種，其特點是：測量范圍寬、靈敏度高、反應速度快、選擇性好。常用于連續(xù)分析混合氣體中氣體的濃度。9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表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進行分析。紅外線氣體分析器主要利用2~25um之間的一段紅外光譜。9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表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，紅外線強度將減弱為I：測量紅外線的透過強度就可以確定被測組分濃度的大小。9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表工業(yè)用紅外線氣體分析器有非色散型和色散型兩種。一種時間雙光路紅外線氣體分析器的組成框圖：9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.3氧化鋯分析器氧化鋯分析器屬于電化學分析方法，優(yōu)點是靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應快、測量范圍寬，且不需要復雜的采樣和預處理系統(tǒng)，其探頭可以直接插入煙道中連續(xù)地分析煙氣中的氧含量。

氧化鋯分析器的基本工作原理基于氧濃差電池。當氧濃差電池兩側(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，稱為濃差電勢。9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.3氧化鋯分析器氧濃差電池原理：左側(cè)為被測氣體，右側(cè)是參考氣體。9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.3氧化鋯分析器氧化鋯分析器的安裝方式：9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.3氧化鋯分析器氧化鋯分析器的安裝方式：9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.3氧化鋯分析器氧化鋯分析器正常工作的必要條件：①工作溫度恒定②必須要有參比氣體③參比氣體與被測氣體壓力應該相等9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.4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。包括分離和分析兩個技術環(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，再由檢測器對分離后的各組分進行檢測，以確定各組分的成分和含量?？梢砸淮瓮瓿蓪旌显嚇又袔资N組分的定性或定量的分析9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.4氣相色譜儀基本原理是：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)而進行分離。色譜柱有兩大類，一類是填充色譜柱，是將固體吸附劑或帶有固定液的固體柱體，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管色譜柱，都是將固定液附著在管壁上形成。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吸附或溶解能力的不同，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。9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.4氣相色譜儀混合物在色譜柱中的分離過程9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.4氣相色譜儀兩個組分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，并先后進入檢測器，檢測器輸出測量結(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。各組分從色譜柱流出的順序與色譜柱固定相成分有關。從進樣到某組分流出的時間與色譜柱長度、溫度、載氣流速等有關。在保持相同條件的情況下，對各組分流出時間標定以后，可以根據(jù)色譜峰出現(xiàn)的不同時間進行定性分析。色譜峰的高度或面積可以代表相應組分在樣品中的含量，用已知濃度試樣進行標定后，可以做定量分析。9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表色譜儀的基本流程9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表一種工業(yè)用氣相色譜儀系統(tǒng)框圖：9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表一種微型氣相色譜儀的結(jié)構(gòu)圖9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.5半導體氣敏傳感器采用半導體材料為敏感材料制成的一種氣敏傳感器類型，可以通過在半導體材料中添加各種催化劑來改變其主要敏感對象，卻很難消除對其他共存氣體的響應，且它信號響應的線性范圍窄，故一般只用于定性及半定量范圍的氣體檢測。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。半導體氣敏傳感器按照半導體的物性變化特點，可分為電阻型和非電阻型兩類。9.2.5半導體氣敏傳感器9.2.5.1電阻型半導體氣敏傳感器利用氣體在半導體表面的氧化或還原反應，將引起半導體載流子數(shù)量的增加或減少，從而使敏感元件電阻值變化的原理。當氧化型氣體吸附到n型半導體，還原型氣體吸附到p型半導體時，會使半導體載流子減少，敏感元件電阻值將增大。當還原型氣體吸附到n型半導體，氧化型氣體吸附到p型半導體時，使載流子增多，敏感元件電阻值則減小。9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表

9.2.5.1電阻型半導體氣敏傳感器N型半導體氣敏元件阻值變化圖9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.5.1電阻型半導體氣敏傳感器幾種半導體氣敏元件的典型結(jié)構(gòu)9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表

9.2.5.1電阻型半導體氣敏傳感器在氣敏材料中添加鉑或鈀等作為催化劑，可以提高氣敏元件的靈敏度以及對氣體的選擇性。添加催化劑前靈敏度特性9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表

9.2.5.1電阻型半導體氣敏傳感器添加催化劑后靈敏度特性9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表

9.2.5.2非電阻型半導體氣敏傳感器利用MOS二極管的電容-電壓特性變化和MOS場效應管的閾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些氣體敏感。9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表

9.2.5.2非電阻型半導體氣敏傳感器圖示結(jié)構(gòu)的MOS場效應對氫氣敏感9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表MOS場效應管的靈敏度曲線9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2.6工業(yè)酸度計工業(yè)酸度計屬于電化學分析方法，用來在線測量溶液的酸堿度。溶液的酸堿性可以用氫離子濃度［H＋］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pH=-lg[H+]，與之相應有：pH＝７為中性溶液，pH＞７為堿性溶液，pH＜７為酸性溶液9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表pH值的檢測采用電位測量法。根據(jù)電化學原理，任何一種金屬插入導電溶液中，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。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狆犎測量電池。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（6）工業(yè)酸度計工業(yè)用酸度計結(jié)構(gòu)：

甘汞電極結(jié)構(gòu)銀-氯化銀結(jié)構(gòu)玻璃結(jié)構(gòu)9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表溶液pH值與總電勢的關系：

9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表總電勢隨溫度變化的特性：

9.2幾種工業(yè)用成分分析儀表（1）濕度的表示方法及檢查特點濕度的表示方法濕度可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)；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，用百分數(shù)表示。9.3濕度的檢測9.3.1濕度的表示方法及檢查特點濕度檢測的特點工業(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－３０～１００℃的環(huán)境溫度下使用，受溫度影響?。换Q性好、制造簡單、價格便宜。9.3濕度的檢測9.3.2干濕球濕度計干濕球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，稱為干球溫度計，另一只溫度計在感溫部位包有被水浸濕的棉紗吸水套，并經(jīng)常保持濕潤，稱為濕球溫度計。當棉套上的水分蒸發(fā)時，會吸收濕球溫度計感溫部位的熱量，使?jié)袂驕囟扔嫷臏囟认陆?。水的蒸發(fā)速度與空氣的濕度有關，相對濕度越高，蒸發(fā)越慢；反之，相對濕度越低，蒸發(fā)越快。所以，在一定的環(huán)境溫度下，干球溫度計和濕球溫度計之間的溫度差與空氣濕度有關。當空氣為靜止的或具有一定流速時，這種關系是單值的。測得干球溫度td和濕球溫度tw后，就可計算求出相對濕度φ。9.3濕度的檢測自動檢測的干濕球濕度計原理示意圖9.3濕度的檢測9.3.3電