第2章第六節(jié)成分

第六節(jié)過程成分檢測

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特點：和溫度、壓力不一樣，一般有一個取樣系統(tǒng)，取出被測樣品，由過濾器，分離裝置，冷卻器和抽吸設備等組成成分分析儀表的組成框圖采樣裝置預處理系統(tǒng)成分分析儀表的組成框圖采樣系統(tǒng)傳感器信號放大和處理單元顯示單元控制單元過程成分檢測過程成分檢測按測量原理分類:電化學式:工業(yè)酸度計、工業(yè)電導率熱學式：熱導式氣體分析儀磁學式：磁性氧分析儀光學式：吸收式光學分析儀、發(fā)射式光學分析儀射線式：x射線分析儀、γ射線分析儀在線分析儀表

熱導式氣體分析儀熱導式氣體分析儀的檢測原理熱導式氣體分析儀是通過測量混合氣體熱導率的變化量來實現(xiàn)被測組分濃度測量的。什么是熱導率？表示物質(zhì)的導熱能力。熱導式氣體分析儀的檢測原理相對熱導率：氣體熱導率的絕對值很小，而且基本在同一數(shù)量級內(nèi)，彼此相差并不懸殊，因此工程上通常用相對熱導率來表示。即：各種氣體的熱導率與相同條件下空氣熱導率的比值。各種氣體在0℃時的熱導率和相對熱導率（見下圖）熱導式氣體分析儀的檢測原理氣體名稱 熱導率λ0 相對熱導率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熱導式氣體分析儀的檢測原理待測混合氣體必須滿足哪些條件，才能用熱導式分析儀進行分析？設各組分的體積分數(shù)分別為C1、C2、C3、…、Cn，熱導率分別為λ1、λ2、λ3、…、λn，待測組分的含量和熱導率為C1、λ1。則必須滿足以下兩個條件，才能用熱導式分析儀進行測量。（1）背景氣各組分的熱導率必須近視相等或十分接近。即λ1≈λ2≈λ3≈…≈λn（2）待測組分的熱導率與背景氣組分的熱導率有明顯差異，且越大越好.熱導式氣體分析儀的檢測原理滿足上述兩個條件時：λ=（λiCi）=λ1C1+λ2C2+λ3C3+…+λnCn

≈λ1C1+λ2(1-C1)可得C1=（λ-λ2）/（λ1-λ2）上式說明，測得混合氣體的熱導率λ，就可以求得待測組分的含量C1。注意：1）混合氣體中除待測組分外，其余各組分的λ應相同或相近，否則要進行預處理；2）待測組分的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。熱導式氣體分析儀由于氣體的熱導率很小，變化量更小，所以很難用直接方法準確測量出來。工業(yè)上多采用間接的方法，即通過熱導檢測器（又稱熱導池），把混合氣體熱導率的變化轉(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量出來的。熱導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，張緊懸吊在一個導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出口，圓筒內(nèi)充滿待測氣體，電阻絲上通以恒定的電流加熱。0℃時的電阻值為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。設氣室壁溫度tc恒定（一般都設置有恒溫裝置），電阻絲達到熱平衡時的溫度為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系為：

熱導式氣體分析儀熱導式氣體分析儀特性方程：熱平衡時，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散失的熱量相等，即Q＝Q′。如果混合氣體的導熱系數(shù)λ愈大，其散熱條件愈好，熱平衡時的溫度tn也愈小，反之，λ愈小，Rn愈大，從而通過電阻的變化測量導熱系數(shù)Rn=f(1/λ)電阻Rn的測量可通過電橋?qū)崿F(xiàn)熱導式氣體分析儀熱導檢測器的結(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，通常連接在進樣裝置之前。

測量臂：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，加熱與散熱達到平衡后，兩臂電阻值：

R參=R測

;R1=R2

則：R參·R2=R測·R1

無電壓信號輸出；記錄儀走直線（基線）。

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

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

按檢測方式的不同，氧化鋯氧探頭分為兩大類：直插式氧探頭及采樣檢測式氧探頭

氧化鋯氧量計一、直插檢測式氧探頭直插式檢測是將氧化鋯直接插入高溫被測氣體，直接檢測氣體中的氧含量，這種檢測方式適宜被檢測氣體溫度在700℃～1150℃時（特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫），它利用被測氣體的高溫使氧化鋯達到工作溫度。氧化鋯氧量計二、采樣檢測式氧探頭采樣檢測方式是通過導引管，將被測氣體導入氧化鋯檢測室，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)點是不受檢測氣體溫度的影響，通過采用不同的導流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量，這種靈活性被運用在許多工業(yè)在線檢測上。缺點是反應時間慢；結(jié)構(gòu)復雜，容易影響檢測精度；在被檢測氣體雜質(zhì)較多時，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。氧化鋯氧量計工作原理利用氧化鋯固態(tài)電解質(zhì)作傳感器，測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電特性。作為氧含量檢測用的氧化鋯一般都摻入一定量（通常15%）的化學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。氧化鋯氧量計如果在一塊氧化鋯（ZrO2）電解質(zhì)的兩側(cè)分別附上一個多孔鉑電極，若兩側(cè)氣體的含氧量不同，則在兩電極間就會出現(xiàn)電勢，該電勢稱為濃差電勢在一定溫度下，當電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時，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，使該電極帶負電。氧化鋯氧量計在電池的正極：在電池的負極：電池反應：濃差電勢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為被測氣體氧分壓；R-理想氣體常數(shù)、T-電池溫度；n-遷移一個氧分子的電子數(shù)；F-法拉第常數(shù)氧化鋯氧量計氧化鋯探頭和變送器在氧化鋯檢測器中，最重要的是控制氧化鋯的工作溫度：一般檢測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

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

χ介質(zhì)磁化率H外磁場強度1、被測氣體混合物中待測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檢測氣體組分的含量。已知互不發(fā)生化學反應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；在滿足第一個條件的情況下，混合氣體的磁化率近似為待測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紅外線的吸收紅外線氣體成分檢測主要是利用紅外線的吸收性質(zhì)。歸納起來具有以下特點：同種氣體對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紅外線有強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紅外線有強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）增加氣體對紅外線的吸收遵循朗伯—比爾定律，即

檢測原理下面我們以CO2紅外線氣體成分檢測器的工作原理。它是雙光束測量系統(tǒng)，燈絲通電后發(fā)出兩束強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，并且沒有遮斷光路的情況。一束紅外線經(jīng)過參比室，到達檢測器的左氣室；另一束經(jīng)過工作氣室，到達檢測器的右氣室，檢測器中間用一張鋁箔和它旁邊的鋁合金柱體構(gòu)成一個電容器，其中鋁箔為動極，柱體作定極由于樣氣中氣體濃度的變化而引起的檢測器氣室內(nèi)溫度或壓力的變化極小，鋁箔的位移為10－2μm，相應的C變化也極小的，因此要直接正確地測量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切光片。使進入?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)制假設被測氣體中只有待測組分吸收特定波長的紅外線。如果其他組分也對紅外線有吸收，則情況就不一樣了背景氣體吸收的紅外光波長與待測氣體的不一樣背景氣體吸收的紅外線波長與待測氣體有部分重疊色譜儀前面的成分分析方法只能自動連續(xù)地分析混合氣體中某一組分的含量色譜儀是一種能對混合物進行全面分析，能鑒定混合物是由哪些組分組成，并能測出各組分的含量。因此這種儀器得到廣泛的應用。檢測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)的先后順序分別測量，根據(jù)各組分出現(xiàn)的時間及測量值的大小可確定混合物的組成以及各組分的濃度。固定相對某一組分的吸收能力越強，則流出柱口的時間越慢，如果在柱的出口處安裝一個檢測器，測出各組分的濃度，就可以得到一個色譜圖。模型演示色譜法根據(jù)固定相和流動相的不同，可分為：氣液色譜氣固色譜液液色譜液固色譜氣相色譜（流動相為氣體）液相色譜（流動相為液體）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色譜圖的術語基