第六節(jié)成分自動(dòng)檢

第六節(jié)成分自動(dòng)檢測(cè)及儀表在化工生產(chǎn)過(guò)程中，成分是最直接的控制指標(biāo)。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，我們要求產(chǎn)量多，效率高。對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程：一方面要對(duì)溫度、壓力、液位、流量等變量進(jìn)行觀察、控制，使工藝條件平穩(wěn)；

另一方面又要取樣分析、檢驗(yàn)成分，檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量，或控制好生產(chǎn)過(guò)程。例如：在氨的合成中，合成氣中一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）含量高，合成塔觸媒要中毒；氫氮比不適當(dāng)，轉(zhuǎn)化率要低。又如在電控噴射內(nèi)燃機(jī)和鍋爐中，需要在線測(cè)量燃燒產(chǎn)物中O2的含量，以實(shí)時(shí)控制燃燒過(guò)程的過(guò)量空氣系數(shù)，優(yōu)化燃燒品質(zhì)。在日常生活中，對(duì)各種有害、可然性氣體在環(huán)境的監(jiān)控。

6．1．2物性檢測(cè)的過(guò)程取樣裝置：將分析樣品引入分析儀。預(yù)處理系統(tǒng)：除去樣品中的灰塵、蒸汽、霧及有害物質(zhì)和干擾組分，調(diào)整樣品的壓力、流量和溫度等保證符合分析儀表規(guī)定的使用條件。圖6-1氣相色譜分析儀預(yù)處理流程1－取樣裝置2－減壓閥3－壓力表4－減壓器5、6、7－過(guò)濾器或干燥器8－轉(zhuǎn)子流量計(jì)9－壓力表10－發(fā)送器檢測(cè)裝置：將成分量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量。信號(hào)處理與顯示環(huán)節(jié)：將分析裝置送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算等處理后，進(jìn)行相應(yīng)的指示、記錄，顯示出成分分析的最終結(jié)果。6．2生產(chǎn)過(guò)程在線分析儀表6．2．1氧化鋯氧氣分析儀在燃燒過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制中，普遍采用O2含量來(lái)判斷過(guò)量空氣系數(shù)的大小。在普通氧化鋯中摻入其他低價(jià)氧化物，如氧化鈣（CaO）或氧化釔（Y2O3）等，則會(huì)使應(yīng)力改變而提高晶體穩(wěn)定性，同時(shí)Zr+4被Ca+2或Y+3置換而使氧離子空穴濃度增加，在溫度升高到600℃左右時(shí)，成為一種良好的氧離子導(dǎo)體。（一）測(cè)量原理氧化鋯氧量分析儀是利用氧化鋯濃差電池所形成的氧濃差電動(dòng)勢(shì)與O2含量之間的量值關(guān)系進(jìn)行氧含量測(cè)量的。

在ZrO2·CaO固體電解質(zhì)片的兩側(cè)，用燒結(jié)法制成幾微米到幾十微米厚的多孔鉑電極，并焊上鉑絲作為引線，就構(gòu)成了一個(gè)濃差電池。多孔鉑電極具有催化氧分子和氧離子之間正、逆反應(yīng)作用。電池左側(cè)通入空氣（作為參比氣），氧分壓為P0，氧含量一般為20.8%。右側(cè)通入被測(cè)的煙氣，氧分壓為P1（未知），氧含量一般為3%～6%。濃差電勢(shì)的大小可用涅恩斯特（Nernst）公式表示：式中E─濃差電池電動(dòng)勢(shì)，V；

R─理想氣體常數(shù)；

T─氣體絕對(duì)溫度，K；

n─參加反應(yīng)的電子數(shù)（對(duì)氧而言n=4）；

F─法拉第常數(shù)，96500C；

P0─空氣中氧分壓，0.2095大氣壓；

P1─待測(cè)氣體中氧分壓。當(dāng)待測(cè)氣體的總壓力與參比氣體總壓力相同，將R、F、n值代入，得式中E─濃差電池電動(dòng)勢(shì)，V；式中C0─參比氣體中氧的體積含量；

C1─被測(cè)氣體中氧的體積含量。

可見(jiàn)，當(dāng)氧化鋯的工作溫度T一定時(shí)，氧濃差電動(dòng)勢(shì)E與被測(cè)氣體中的氧濃度C1成單值關(guān)系。

利用氧化鋯濃差電池測(cè)量氧含量的條件：1.為了減少溫度變化對(duì)氧濃差電勢(shì)的影響，在恒溫的基礎(chǔ)上，儀表應(yīng)加溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)。當(dāng)工作溫度恒定在850℃左右時(shí)儀表的靈敏度最高。2.保證參比氣體和被測(cè)氣體壓力相同，以保證兩種氣體的氧分壓之比能代表氧含量比。3.氧化鋯兩側(cè)氣體（特別是空氣）要不斷流動(dòng)更新。以保證有較高的靈敏度。氧化鋯分析儀主要是由氧化鋯管組成。一般外徑為11mm，長(zhǎng)度80-90mm，內(nèi)外電極及其引線采用金屬鉑，要求鉑電極具有多孔性，并牢固地?zé)Y(jié)在氧化鋯管的內(nèi)外則，內(nèi)電極的引線是通過(guò)在氧化鋯管上打一個(gè)0.8mm小孔引出的。（二）儀表結(jié)構(gòu)帶恒溫裝置的氧化鋯分析儀（1）直插式：用于鍋爐、窯爐的煙氣含氧量的測(cè)量，溫度在600一850oC之間。氧化鋯氧分析儀的現(xiàn)場(chǎng)安裝有兩種方式

（2）抽吸式

：用于石油、化工生產(chǎn)中，可測(cè)1400oC高溫氣體。6．2．2熱導(dǎo)式氣體成分檢測(cè)熱導(dǎo)式氣體成分檢測(cè)是利用各種氣體的導(dǎo)熱系數(shù)不同來(lái)測(cè)出氣體的成分。對(duì)于彼此之間無(wú)化學(xué)反應(yīng)的多組分混合氣體，它的導(dǎo)熱系數(shù)近似為：式中λ—混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；─混合氣體中第i組分的導(dǎo)熱系數(shù)；

Ci─混合氣體中第i組分的體積百分含量。熱導(dǎo)式氣體分析儀是利用氣體體積的百分比含量與氣體導(dǎo)熱系數(shù)λ有關(guān)的物理特性進(jìn)行分析工作。它可以檢測(cè)混合氣體中某一種組分的含量，這個(gè)組分稱(chēng)為待測(cè)組分。在測(cè)量時(shí)，應(yīng)滿足下列兩個(gè)條件：第一，待測(cè)組分的導(dǎo)熱系統(tǒng)與混合氣體中其余組分的導(dǎo)熱系數(shù)相差要大，而且越大越靈敏；第二，其余各組分的導(dǎo)熱系數(shù)要相等或十分接近，

即因?yàn)樗詣t可推出：式中――待測(cè)組分的體積含量；――混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；――待測(cè)組分的導(dǎo)熱系數(shù)；――混合氣體中非待測(cè)組分的導(dǎo)熱系數(shù)平均值。這樣混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨待測(cè)組分的體積含量而變化，因此只要測(cè)出混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)便可得知待測(cè)組分的含量。

導(dǎo)熱系數(shù)

λ的測(cè)量在熱導(dǎo)池內(nèi)用恒定電流加熱鉑絲，鉑絲的平衡溫度將取決于混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，即待測(cè)組分的含量。

鉑絲周?chē)鷼怏w導(dǎo)熱系數(shù)高，鉑絲的平衡溫度將降低，即待測(cè)組分的含量變化會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殂K絲溫度變化。鉑絲溫度變化會(huì)使鉑絲電阻值變化，阻值變化可用不平衡電橋來(lái)測(cè)得。熱導(dǎo)式氣體成分檢測(cè)裝置可用于氫氣（H2）、二氧化碳（CO2）、氨（NH3）、二氧化硫（SO2）等成分分析。熱導(dǎo)池檢測(cè)原理氣體熱導(dǎo)率的檢測(cè)是通過(guò)一個(gè)電橋（封裝在傳送器內(nèi)）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它分為工作臂和參比臂

參比臂室內(nèi)充標(biāo)準(zhǔn)氣體，電橋各橋臂通恒定電流加熱到一定溫度，當(dāng)被測(cè)氣體流過(guò)工作臂時(shí)，橋臂溫度因熱量的對(duì)流和擴(kuò)散而發(fā)生變化，相應(yīng)的臂阻值也發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出一個(gè)差動(dòng)信號(hào)。

由熱導(dǎo)池產(chǎn)生的差動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大，由單片機(jī)進(jìn)行處理顯示氣體濃度值，并形成電流輸出。

檢測(cè)熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)池：金屬制成的4~7mm的細(xì)長(zhǎng)氣室氣室內(nèi)絕緣安裝電極絲（鉑、鎢）。檢測(cè)池有進(jìn)、出氣口。參比池封裝標(biāo)準(zhǔn)氣。將檢測(cè)氣的導(dǎo)熱性能轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)。測(cè)量電橋：四臂電橋?qū)⒊煞植钷D(zhuǎn)換成橋路電勢(shì)，并具有調(diào)零、調(diào)量程的功能。熱導(dǎo)儀檢測(cè)器橋體接線盒鋁罩電熱絲水銀電接點(diǎn)溫度計(jì)熱導(dǎo)分析器

色譜法的由來(lái)：1902年俄國(guó)科學(xué)家茨維特在進(jìn)行分離植物色素的實(shí)驗(yàn)時(shí)，把溶解有植物色素的石油醚倒入一根垂直物置裝有碳酸鈣的玻璃管中，結(jié)果在玻璃管中出現(xiàn)按一定順序排列的色帶，色帶上不同顏色的物質(zhì)就是各種不同的植物色素。這種植物色素的分離法，當(dāng)時(shí)就稱(chēng)色譜法，實(shí)驗(yàn)中裝有碳酸鈣的玻璃管稱(chēng)為色譜柱。幾十年來(lái)，色譜法分離對(duì)象早已不是植物色素和有色物質(zhì)，但色譜法的名稱(chēng)一直沿用至今。6．2．3氣相色譜分析儀氣相色譜儀是一種以氣體為載體的分離分析儀器，具有一次能分析多組分、速度快、樣品少并能自動(dòng)記錄的特點(diǎn)?；驹恚阂坏位旌仙囊后w，滴在紙上，向周?chē)鷶U(kuò)散時(shí)，呈現(xiàn)彩色花紋。即流動(dòng)相在固定相表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，各組分在紙上的吸附、脫附能力不同而分離。對(duì)于氣體、液體、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物都可以分析。氣相色譜分析儀是由載氣源、流量計(jì)、進(jìn)樣裝置、色譜柱、檢測(cè)器、放大器及記錄儀等環(huán)節(jié)組成。高效液相色譜儀原理系統(tǒng)圖過(guò)濾干燥測(cè)量參比注射樣氣處理定量管取樣進(jìn)樣放空（一）工作原理當(dāng)一定量的氣樣在純凈的載氣（稱(chēng)為流動(dòng)相）的攜帶下通過(guò)具有吸附性能的固體表面，或通過(guò)具有溶解性能的液體表面（這些固體和液體稱(chēng)為固定相）時(shí)，由于固定相對(duì)流動(dòng)相所攜帶氣樣的各成分的吸附能力或溶解度不同，使得氣樣中各組分得以分離。

氣樣中各成分在流動(dòng)相和固定相中的分配情況，可用分配系數(shù)K表示

——成分i在固定相中的濃度；

——成分i在流動(dòng)相中的濃度。

分配系數(shù)大的成分不易被流動(dòng)相帶走，因而在固定相中停滯的時(shí)間較長(zhǎng)。氣樣中各成分在兩相中的分配沿色譜柱長(zhǎng)度上反復(fù)進(jìn)行，使不同成分完全分離。分離后的各成分按時(shí)間上的先后次序由流動(dòng)相帶出色譜柱，進(jìn)入檢測(cè)器檢出。固定相是充填在一定長(zhǎng)度的色譜柱中，流動(dòng)相與固定相之間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于流動(dòng)相為氣體，故稱(chēng)為氣相色譜。固定相為固體（如硅膠、活性炭、分子篩、氧化鋁或高分子微球等）則稱(chēng)氣-固色譜；固定相為液體（各種烴類(lèi)、有機(jī)脂類(lèi)等）則稱(chēng)氣—液色譜。為增加接觸面，液體是涂在稱(chēng)為擔(dān)體的硅藻土上或耐火磚細(xì)粒上，或毛細(xì)管內(nèi)壁上，稱(chēng)為固體液。固定相的種類(lèi)繁多，可根據(jù)被測(cè)氣樣選取，并均勻填裝在直徑為3-6mm、長(zhǎng)度為1-4米的玻璃或不銹鋼細(xì)管中形成色譜柱，柱管可以是直管、U形管或螺旋形管。檢測(cè)器隨所需檢測(cè)的成分性質(zhì)和含量不同可取各種不同型式。常用形式有：熱導(dǎo)式檢測(cè)器和氫火焰電離檢測(cè)器從進(jìn)樣時(shí)刻到某成分在檢測(cè)器上出現(xiàn)峰值的這段時(shí)間稱(chēng)為該成分的保留時(shí)間。分離：就是使被分析各成分的保留時(shí)間不同。各成分的保留時(shí)間除了與各成分性質(zhì)有關(guān)外，還取決于色譜柱長(zhǎng)度，固定相的特性，以及色譜柱的工作溫度、壓力和載氣的性質(zhì)和流量等。

各成分的保留時(shí)間差別大、峰寬狹、則分辨率高，也就是所謂色譜柱分離效能高。載氣流量對(duì)色譜柱的分離效能影響較大，流速過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使色譜柱分離效能降低。載氣流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)監(jiān)視，并由流量控制閥將載氣流速控制在最佳流速。氣相色譜儀各種填充柱毛細(xì)管色譜柱填充柱、擔(dān)體、特性波當(dāng)色譜柱和操作條件確定后，各成分的保留時(shí)間是恒定的，因此可根據(jù)保留時(shí)間來(lái)區(qū)分各成分。為了控制色譜柱的工作溫度和恒定熱導(dǎo)式檢測(cè)器的環(huán)境溫度，儀表中帶有恒溫裝置或程序控溫裝置。對(duì)于工業(yè)色譜儀，要求能自動(dòng)定量取樣，定量要精確，否則儀表的復(fù)現(xiàn)性就差。因此，進(jìn)樣裝置中采用程序控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)樣閥的定時(shí)自動(dòng)切換。如下圖：

（二）分析流程圖6-12雙柱、單檢測(cè)器串聯(lián)系統(tǒng)

當(dāng)煙氣氣樣進(jìn)入色譜柱后，其中CO2被色譜柱1所阻滯，其他成分一起流出色譜柱1，到達(dá)橋臂室T3，這時(shí)電橋失去平衡，在記錄儀上出現(xiàn)一合成峰，這合成峰過(guò)后不久，CO2從色譜柱1中流出，通過(guò)橋臂室T3，這時(shí)在記錄儀上畫(huà)出CO2峰，同時(shí)H2、O2、CH4和CO都在色譜2中被分離，并以一定的時(shí)間間隔，順序通過(guò)橋臂室T4，這時(shí)在記錄儀上按相應(yīng)順序畫(huà)出各成分的峰。CO2被色譜柱2中分子篩所吸收，所以橋臂室T4不能發(fā)現(xiàn)它。

分離CO2的色譜柱1也可以用多孔性的芳香族高分子微球（GDX-104）充填。為了防止色譜柱2中的分子篩在長(zhǎng)時(shí)間吸收CO2后中毒、活性降低，也可考慮在CO2出橋臂室T3之后，通過(guò)一充填堿石灰的柱子去除。如果所分析的煙氣氣樣中CO和甲烷CH4的含量極微，低于熱導(dǎo)式檢測(cè)器的靈敏度限而不出峰時(shí)，可用靈敏度比熱導(dǎo)式檢測(cè)器的靈敏度高1000倍左右的氫火焰電離檢測(cè)器來(lái)檢出微量CO和CH4。

氫火焰離子檢測(cè)器集化電極加氫氣放空管進(jìn)氣管集電極收集電極點(diǎn)火線6．2．4紅外線氣體分析儀紅外線的波長(zhǎng)范圍為0.75~1000μm。氣體對(duì)紅外線有選擇性吸收,不同氣體的吸收波段（吸收帶）不同。紅外線氣體分析器它由紅外線輻射光源、氣室、紅外檢測(cè)器及電路等部分組成。

光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出3～10μm的紅外線。切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線，以便于紅外線檢測(cè)器的檢測(cè)。測(cè)量氣室7中通入被分析氣體，參與氣室6中封入不吸收紅外線的氣體（如N2等）。紅外檢測(cè)器是薄膜電容型：從參比氣室6過(guò)來(lái)的光強(qiáng)度大，測(cè)量氣室7過(guò)來(lái)的光弱。紅外檢測(cè)器左、右兩則吸收紅外輻射能量不同，導(dǎo)致兩氣室內(nèi)壓力差存在。壓力差與測(cè)量氣室7中被分析氣體成分成對(duì)應(yīng)關(guān)系。如分析CO氣體的含量>燈絲切光片濾波氣室檢測(cè)室左檢測(cè)室右記錄儀檢測(cè)氣室參比氣室在測(cè)量邊和參比邊設(shè)置了一個(gè)封有干擾氣體的濾波氣室，它能將CO2對(duì)應(yīng)的紅外線波段的能量全部吸收，因此左右兩邊吸收氣室的紅外線能量之差只與被測(cè)氣體（如CO）的濃度有關(guān)。兩束紅外線射入測(cè)量氣室7和參比氣室6，由于測(cè)量氣室中含有一定量的CO氣體，該氣體對(duì)4.65μm的紅外線有較強(qiáng)的吸收能力，而參比氣室中氣體不吸收紅外線，這樣射入紅外探測(cè)器兩個(gè)氣室的光產(chǎn)生能量差異，使兩吸收室壓力不同。測(cè)量7射入紅外線的能量小，測(cè)量邊的壓力小，薄膜偏向定片方向，改變了薄膜電容兩電極間的距離，也就改變了電容C。如被測(cè)氣體的濃度愈大，兩束光射到紅外探測(cè)器的能量差值也愈大，薄膜電容的變化也愈大。電容變化量反映了被分析氣體中被測(cè)氣體的濃度。各種光學(xué)鏡片與濾波片紅外氣體分析器紅外掃描成分分析器6．3環(huán)保監(jiān)測(cè)儀表在有泄漏隱患的生產(chǎn)、生活區(qū)內(nèi)，安裝環(huán)保監(jiān)測(cè)儀表是非常重要的，環(huán)保監(jiān)測(cè)儀表能連續(xù)不斷地測(cè)量裝置四周空氣中的可燃、有毒、有害氣體是否出現(xiàn)燃燒或爆炸的臨界狀態(tài)，預(yù)報(bào)這種潛在的危險(xiǎn)性。

一旦出現(xiàn)極限值就會(huì)立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，讓人們立即檢查泄漏處，并采取措施堵漏；另一方面采取措施驅(qū)散四周的空氣，讓空氣中的可燃?xì)怏w濃度減少，避免惡性事故的發(fā)生。最近瓦斯爆炸事件：四川瓦斯爆炸

2005年12月22日下午14點(diǎn)45分左右，都江堰至汶川高速公路董家山隧道口，瓦斯爆炸事故造成42人死亡，11人受傷。

5月9日，俄羅斯一個(gè)煤礦發(fā)生氣體爆炸，有8人死亡；事發(fā)后4小時(shí)，仍然有超過(guò)60人被困在礦井當(dāng)中?？扇?xì)怏w報(bào)警器為常見(jiàn)的環(huán)保監(jiān)測(cè)儀表之一。它由傳感器和報(bào)警器二部分組成。傳感器把空氣中可燃性氣體的體積百分含量，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。報(bào)警器根據(jù)傳感器傳來(lái)的信號(hào)，通過(guò)電子線路以指針或數(shù)字的形式顯示出此時(shí)空氣中可燃?xì)怏w的體積百分濃度，同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)與報(bào)警設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí)就能發(fā)出聲、光報(bào)警。6．3．1半導(dǎo)體氣敏傳感器氣敏傳感器：把氣體中的特定成份檢測(cè)出來(lái)，并將它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。氣敏傳感器氣敏元件的工作原理氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感元件，它是利用半導(dǎo)體材料對(duì)氣體的吸附而使自身電阻率發(fā)生變化的原理工作。制作氣敏電阻的氧化物材料主要有：SnO2、ZnO及Fe2O3等。為了提高氣敏電阻對(duì)某種氣體成分的選擇性和靈敏度，材料中還摻入催化劑，如鈀、鉑、銀等，添加物質(zhì)不同，能檢測(cè)的氣體也不同。如圖所示：N型半導(dǎo)體氣敏傳感器在檢測(cè)中其阻值變化

由于半導(dǎo)體氣敏傳感器是以被測(cè)氣體和半導(dǎo)體表面或其體間的可逆反應(yīng)為基礎(chǔ)的，所以能夠反復(fù)使用。氣敏元件工作時(shí)必須加熱，一般為溫度是200－400℃。半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6-17所示。

氣敏燒結(jié)體氣敏傳感器外形氣敏傳感器符號(hào)圖6－17氣敏傳感