第2章第六節(jié)成分

第六節(jié)過程成分檢測(cè)

概述目的是分析各種混合物中各組分的含量或其中某一組分的含量成分的檢測(cè)特點(diǎn)：和溫度、壓力不一樣，一般有一個(gè)取樣系統(tǒng)，取出被測(cè)樣品，由過濾器，分離裝置，冷卻器和抽吸設(shè)備等組成成分分析儀表的組成框圖采樣裝置預(yù)處理系統(tǒng)成分分析儀表的組成框圖采樣系統(tǒng)傳感器信號(hào)放大和處理單元顯示單元控制單元過程成分檢測(cè)過程成分檢測(cè)按測(cè)量原理分類:電化學(xué)式:工業(yè)酸度計(jì)、工業(yè)電導(dǎo)率熱學(xué)式：熱導(dǎo)式氣體分析儀磁學(xué)式：磁性氧分析儀光學(xué)式：吸收式光學(xué)分析儀、發(fā)射式光學(xué)分析儀射線式：x射線分析儀、γ射線分析儀在線分析儀表

熱導(dǎo)式氣體分析儀熱導(dǎo)式氣體分析儀的檢測(cè)原理熱導(dǎo)式氣體分析儀是通過測(cè)量混合氣體熱導(dǎo)率的變化量來實(shí)現(xiàn)被測(cè)組分濃度測(cè)量的。什么是熱導(dǎo)率？表示物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。熱導(dǎo)式氣體分析儀的檢測(cè)原理相對(duì)熱導(dǎo)率：氣體熱導(dǎo)率的絕對(duì)值很小，而且基本在同一數(shù)量級(jí)內(nèi)，彼此相差并不懸殊，因此工程上通常用相對(duì)熱導(dǎo)率來表示。即：各種氣體的熱導(dǎo)率與相同條件下空氣熱導(dǎo)率的比值。各種氣體在0℃時(shí)的熱導(dǎo)率和相對(duì)熱導(dǎo)率（見下圖）熱導(dǎo)式氣體分析儀的檢測(cè)原理氣體名稱 熱導(dǎo)率λ0 相對(duì)熱導(dǎo)率λ0/λA0空氣

5.83

1.000氫H2

41.60

7.150氮N2

5.81

0.996氧O2

5.89

1.013氖Ne

11.10

1.900氬Ar

3.98

0.684氪Kr

2.12

0.363氯Cl2

1.88

0.328氨NH335.20

0.890一氧化碳CO 5.63

0.960二氧化碳CO2 3.50

0.605二氧化硫SO2 2.40

0.350硫化氫H2S 3.14

0.538二硫化碳C2S 3.70

0.285甲烷CH4 7.12

1.250乙烷C2H6 4.36

0.750乙烯C2H6 4.19

0.720乙炔C2H2 4.53

0.777熱導(dǎo)式氣體分析儀的檢測(cè)原理待測(cè)混合氣體必須滿足哪些條件，才能用熱導(dǎo)式分析儀進(jìn)行分析？設(shè)各組分的體積分?jǐn)?shù)分別為C1、C2、C3、…、Cn，熱導(dǎo)率分別為λ1、λ2、λ3、…、λn，待測(cè)組分的含量和熱導(dǎo)率為C1、λ1。則必須滿足以下兩個(gè)條件，才能用熱導(dǎo)式分析儀進(jìn)行測(cè)量。（1）背景氣各組分的熱導(dǎo)率必須近視相等或十分接近。即λ1≈λ2≈λ3≈…≈λn（2）待測(cè)組分的熱導(dǎo)率與背景氣組分的熱導(dǎo)率有明顯差異，且越大越好.熱導(dǎo)式氣體分析儀的檢測(cè)原理滿足上述兩個(gè)條件時(shí)：λ=（λiCi）=λ1C1+λ2C2+λ3C3+…+λnCn

≈λ1C1+λ2(1-C1)可得C1=（λ-λ2）/（λ1-λ2）上式說明，測(cè)得混合氣體的熱導(dǎo)率λ，就可以求得待測(cè)組分的含量C1。注意：1）混合氣體中除待測(cè)組分外，其余各組分的λ應(yīng)相同或相近，否則要進(jìn)行預(yù)處理；2）待測(cè)組分的λ與其余各組分的λ的差別越大，靈敏度越高；3）同一種氣體在不同溫度下，其λ是變化的，隨溫度的升高而增大。所以需要保持恒定的溫度。熱導(dǎo)式氣體分析儀由于氣體的熱導(dǎo)率很小，變化量更小，所以很難用直接方法準(zhǔn)確測(cè)量出來。工業(yè)上多采用間接的方法，即通過熱導(dǎo)檢測(cè)器（又稱熱導(dǎo)池），把混合氣體熱導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為熱敏元件電阻的變化，電阻值的變化是比較容易精確測(cè)量出來的。熱導(dǎo)池工作原理示意圖把一根電阻率較大的而且溫度系數(shù)也較大的電阻絲，張緊懸吊在一個(gè)導(dǎo)熱性能良好的圓筒形金屬殼體的中心，在殼體的兩端有氣體的進(jìn)出口，圓筒內(nèi)充滿待測(cè)氣體，電阻絲上通以恒定的電流加熱。0℃時(shí)的電阻值為R0，通過電流I后，電阻絲產(chǎn)生熱量并向四周散射，由于氣體流量很小，氣體帶走的熱量可忽略。熱量主要是通過氣體傳向氣室壁。設(shè)氣室壁溫度tc恒定（一般都設(shè)置有恒溫裝置），電阻絲達(dá)到熱平衡時(shí)的溫度為tn，電阻絲通以恒定電流I0，則電阻絲的散熱為

rn為電阻絲的半徑，rc為氣室的內(nèi)半徑電阻絲產(chǎn)生的熱量為：電阻絲阻值與溫度的關(guān)系為：

熱導(dǎo)式氣體分析儀熱導(dǎo)式氣體分析儀特性方程：熱平衡時(shí)，電流I0通過電阻絲所產(chǎn)生的熱量和電阻絲通過氣體傳導(dǎo)散失的熱量相等，即Q＝Q′。如果混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)λ愈大，其散熱條件愈好，熱平衡時(shí)的溫度tn也愈小，反之，λ愈小，Rn愈大，從而通過電阻的變化測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)Rn=f(1/λ)電阻Rn的測(cè)量可通過電橋?qū)崿F(xiàn)熱導(dǎo)式氣體分析儀熱導(dǎo)檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)

池體：一般用不銹鋼制成。

熱敏元件：電阻率高、電阻溫度系數(shù)大、且價(jià)廉易加工的鎢絲制成。

參考臂：僅允許純載氣通過，通常連接在進(jìn)樣裝置之前。

測(cè)量臂：需要攜帶被分離組分的載氣流過，則連接在緊靠近分離柱出口處。

鎢絲通電，加熱與散熱達(dá)到平衡后，兩臂電阻值：

R參=R測(cè)

;R1=R2

則：R參·R2=R測(cè)·R1

無電壓信號(hào)輸出；記錄儀走直線（基線）。

進(jìn)樣后，載氣攜帶試樣組分流過測(cè)量臂而這時(shí)參考臂流過的仍是純載氣，使測(cè)量臂的溫度改變，引起電阻的變化，測(cè)量臂和參考臂的電阻值不等，產(chǎn)生電阻差，R參≠R測(cè)

則：R參·R2≠R測(cè)·R1這時(shí)電橋失去平衡，a、b兩端存在著電位差，有電壓信號(hào)輸出。信號(hào)與組分濃度相關(guān)。檢測(cè)原理平衡電橋，右圖。熱導(dǎo)式氣體分析儀氧化鋯氧量計(jì)氧化鋯氧量計(jì)主要用于鍋爐的氧量分析，對(duì)煙氣的含氧量做出準(zhǔn)確的判斷儀器由檢測(cè)器(又稱氧化鋯探頭)，變送器(又稱氧量表)兩部份組成。

按檢測(cè)方式的不同，氧化鋯氧探頭分為兩大類：直插式氧探頭及采樣檢測(cè)式氧探頭

氧化鋯氧量計(jì)一、直插檢測(cè)式氧探頭直插式檢測(cè)是將氧化鋯直接插入高溫被測(cè)氣體，直接檢測(cè)氣體中的氧含量，這種檢測(cè)方式適宜被檢測(cè)氣體溫度在700℃～1150℃時(shí)（特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫），它利用被測(cè)氣體的高溫使氧化鋯達(dá)到工作溫度。氧化鋯氧量計(jì)二、采樣檢測(cè)式氧探頭采樣檢測(cè)方式是通過導(dǎo)引管，將被測(cè)氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測(cè)室，再通過加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度（750℃以上）。氧化鋯一般采用管狀，電極采用多孔鉑電極。優(yōu)點(diǎn)是不受檢測(cè)氣體溫度的影響，通過采用不同的導(dǎo)流管可以檢測(cè)各種溫度氣體中的氧含量，這種靈活性被運(yùn)用在許多工業(yè)在線檢測(cè)上。缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間慢；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易影響檢測(cè)精度；在被檢測(cè)氣體雜質(zhì)較多時(shí)，采樣管容易堵塞；多孔鉑電極容易受到氣體中的硫，砷等的腐蝕以及細(xì)小粉塵的堵塞而失效；加熱器一般用電爐絲加熱，壽命不長。氧化鋯氧量計(jì)工作原理利用氧化鋯固態(tài)電解質(zhì)作傳感器，測(cè)量混合物氣體中氧氣的含量氧化鋯（ZrO2）是一種陶瓷固體電解質(zhì)，在高溫下有良好的離子導(dǎo)電特性。作為氧含量檢測(cè)用的氧化鋯一般都摻入一定量（通常15%）的化學(xué)CaO（也可以Y2O2）作為穩(wěn)定劑，經(jīng)高溫焙燒后則形成穩(wěn)定的晶體。氧化鋯氧量計(jì)如果在一塊氧化鋯（ZrO2）電解質(zhì)的兩側(cè)分別附上一個(gè)多孔鉑電極，若兩側(cè)氣體的含氧量不同，則在兩電極間就會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)，該電勢(shì)稱為濃差電勢(shì)在一定溫度下，當(dāng)電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時(shí)，高濃度側(cè)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結(jié)合形成氧離子O2-，使該電極帶正電，O2-離子通過電解質(zhì)中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(cè)的Pt電極上放出電子，轉(zhuǎn)化成氧分子，使該電極帶負(fù)電。氧化鋯氧量計(jì)在電池的正極：在電池的負(fù)極：電池反應(yīng)：濃差電勢(shì)的大小可由能斯特公式?jīng)Q定：pR為參比氣體氧分壓，一般用空氣作參比氣體，則pR＝21000Pa（視地區(qū)環(huán)境不同）px為被測(cè)氣體氧分壓；R-理想氣體常數(shù)、T-電池溫度；n-遷移一個(gè)氧分子的電子數(shù)；F-法拉第常數(shù)氧化鋯氧量計(jì)氧化鋯探頭和變送器在氧化鋯檢測(cè)器中，最重要的是控制氧化鋯的工作溫度：一般檢測(cè)器中均有恒溫控制裝置，以保證氧化鋯工作在恒定的溫度；另一方面，還要選取合適的溫度值。氧化鋯探頭氧化鋯探頭結(jié)構(gòu)1-氧化鋯管、2-內(nèi)外鉑電極、3-電極引線、4-氧化鋁管、5-熱電偶、6-加熱電絲、7-陶瓷過濾器直插定溫抽氣式氧化鋯氧量計(jì)

熱磁檢測(cè)技術(shù)1.檢測(cè)原理任何介質(zhì)處于外磁場(chǎng)中要受到力或力矩的作用而顯示出磁性。J:磁化強(qiáng)度矢量

χ介質(zhì)磁化率H外磁場(chǎng)強(qiáng)度1、被測(cè)氣體混合物中待測(cè)組分比其他氣體有高得多的磁化率2、磁化率隨溫度升高而降低等熱磁效應(yīng)檢測(cè)氣體組分的含量。已知互不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的多組分混合氣體的磁化率等于各氣體磁化率與濃度乘積之和，氧氣的磁化率遠(yuǎn)大于其它氣體，所以混合氣體的磁化率可近似為χ1氧氣磁化率c1氧氣濃度熱磁式氣體分析儀的工作原理待測(cè)組分（氧氣）較混合氣體中其它組分的磁化率大得多；隨溫度的升高，氣體的磁化率將迅速下降；在滿足第一個(gè)條件的情況下，混合氣體的磁化率近似為待測(cè)組分的磁化率與該組分所占濃度的乘積紅外式氣體分析儀氣體對(duì)紅外線的吸收紅外線氣體成分檢測(cè)主要是利用紅外線的吸收性質(zhì)。歸納起來具有以下特點(diǎn)：同種氣體對(duì)紅外線的吸收能力因紅外線的波長不同而不同單原子分子氣體和無極性的雙原子分子氣體不吸收紅外線，而具有異核分子的大多數(shù)氣體在某些特定的波長下對(duì)紅外線有強(qiáng)烈的吸收氣體吸收了紅外線輻射以后，溫度升高使壓力（體積）增加氣體對(duì)紅外線的吸收遵循朗伯—比爾定律，即單原子分子氣體和無極性的雙原子分子氣體不吸收紅外線，而具有異核分子的大多數(shù)氣體在某些特定的波長下對(duì)紅外線有強(qiáng)烈的吸收氣體吸收了紅外線輻射以后，溫度升高使壓力（體積）增加氣體對(duì)紅外線的吸收遵循朗伯—比爾定律，即

檢測(cè)原理下面我們以CO2紅外線氣體成分檢測(cè)器的工作原理。它是雙光束測(cè)量系統(tǒng)，燈絲通電后發(fā)出兩束強(qiáng)度幾乎相等的紅外線，波長一般在3～10μm，燈絲一般采用鎳鉻合金絲。光路中裝有切光片，可連續(xù)遮段光源簡便起見，首先討論切光片不動(dòng)，并且沒有遮斷光路的情況。一束紅外線經(jīng)過參比室，到達(dá)檢測(cè)器的左氣室；另一束經(jīng)過工作氣室，到達(dá)檢測(cè)器的右氣室，檢測(cè)器中間用一張鋁箔和它旁邊的鋁合金柱體構(gòu)成一個(gè)電容器，其中鋁箔為動(dòng)極，柱體作定極由于樣氣中氣體濃度的變化而引起的檢測(cè)器氣室內(nèi)溫度或壓力的變化極小，鋁箔的位移為10－2μm，相應(yīng)的C變化也極小的，因此要直接正確地測(cè)量C改變量極為困難。為此在紅外線氣體分析器上在光源后面加了一個(gè)切光片。使進(jìn)入?yún)⒈葰馐液凸ぷ鳉馐业募t外線成為兩束同步的斷續(xù)紅外輻射,這種作用稱為調(diào)制假設(shè)被測(cè)氣體中只有待測(cè)組分吸收特定波長的紅外線。如果其他組分也對(duì)紅外線有吸收，則情況就不一樣了背景氣體吸收的紅外光波長與待測(cè)氣體的不一樣背景氣體吸收的紅外線波長與待測(cè)氣體有部分重疊色譜儀前面的成分分析方法只能自動(dòng)連續(xù)地分析混合氣體中某一組分的含量色譜儀是一種能對(duì)混合物進(jìn)行全面分析，能鑒定混合物是由哪些組分組成，并能測(cè)出各組分的含量。因此這種儀器得到廣泛的應(yīng)用。檢測(cè)原理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(cè)量，根據(jù)各組分出現(xiàn)的時(shí)間及測(cè)量值的大小可確定混合物的組成以及各組分的濃度。固定相對(duì)某一組分的吸收能力越強(qiáng)，則流出柱口的時(shí)間越慢，如果在柱的出口處安裝一個(gè)檢測(cè)器，測(cè)出各組分的濃度，就可以得到一個(gè)色譜圖。模型演示色譜法根據(jù)固定相和流動(dòng)相的不同，可分為：氣液色譜氣固色譜液液色譜液固色譜氣相色譜（流動(dòng)相為氣體）液相色譜（流動(dòng)相為液體）氣相色譜柱液相色譜柱色譜圖色譜圖是色譜定性定量分析的基礎(chǔ)色譜圖的術(shù)語基