第六節(jié)成分自動檢

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

另一方面又要取樣分析、檢驗成分，檢驗產(chǎn)品質(zhì)量，或控制好生產(chǎn)過程。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，轉(zhuǎn)化率要低。又如在電控噴射內(nèi)燃機和鍋爐中，需要在線測量燃燒產(chǎn)物中O2的含量，以實時控制燃燒過程的過量空氣系數(shù)，優(yōu)化燃燒品質(zhì)。在日常生活中，對各種有害、可然性氣體在環(huán)境的監(jiān)控。

6．1．2物性檢測的過程取樣裝置：將分析樣品引入分析儀。預處理系統(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－過濾器或干燥器8－轉(zhuǎn)子流量計9－壓力表10－發(fā)送器檢測裝置：將成分量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量。信號處理與顯示環(huán)節(jié)：將分析裝置送來的信號進行放大、運算等處理后，進行相應(yīng)的指示、記錄，顯示出成分分析的最終結(jié)果。6．2生產(chǎn)過程在線分析儀表6．2．1氧化鋯氧氣分析儀在燃燒過程監(jiān)測與控制中，普遍采用O2含量來判斷過量空氣系數(shù)的大小。在普通氧化鋯中摻入其他低價氧化物，如氧化鈣（CaO）或氧化釔（Y2O3）等，則會使應(yīng)力改變而提高晶體穩(wěn)定性，同時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，成為一種良好的氧離子導體。（一）測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勢與O2含量之間的量值關(guān)系進行氧含量測量的。

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)通入被測的煙氣，氧分壓為P1（未知），氧含量一般為3%～6%。濃差電勢的大小可用涅恩斯特（Nernst）公式表示：式中E─濃差電池電動勢，V；

R─理想氣體常數(shù)；

T─氣體絕對溫度，K；

n─參加反應(yīng)的電子數(shù)（對氧而言n=4）；

F─法拉第常數(shù)，96500C；

P0─空氣中氧分壓，0.2095大氣壓；

P1─待測氣體中氧分壓。當待測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─濃差電池電動勢，V；式中C0─參比氣體中氧的體積含量；

C1─被測氣體中氧的體積含量。

可見，當氧化鋯的工作溫度T一定時，氧濃差電動勢E與被測氣體中的氧濃度C1成單值關(guān)系。

利用氧化鋯濃差電池測量氧含量的條件：1.為了減少溫度變化對氧濃差電勢的影響，在恒溫的基礎(chǔ)上，儀表應(yīng)加溫度補償環(huán)節(jié)。當工作溫度恒定在850℃左右時儀表的靈敏度最高。2.保證參比氣體和被測氣體壓力相同，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，并牢固地燒結(jié)在氧化鋯管的內(nèi)外則，內(nèi)電極的引線是通過在氧化鋯管上打一個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量，溫度在600一850oC之間。氧化鋯氧分析儀的現(xiàn)場安裝有兩種方式

（2）抽吸式

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

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

即因為所以則可推出：式中――待測組分的體積含量；――混合氣體的導熱系數(shù)；――待測組分的導熱系數(shù)；――混合氣體中非待測組分的導熱系數(shù)平均值。這樣混合氣體的導熱系數(shù)隨待測組分的體積含量而變化，因此只要測出混合氣體的導熱系數(shù)便可得知待測組分的含量。

導熱系數(shù)

λ的測量在熱導池內(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熱系數(shù)，即待測組分的含量。

鉑絲周圍氣體導熱系數(shù)高，鉑絲的平衡溫度將降低，即待測組分的含量變化會轉(zhuǎn)變?yōu)殂K絲溫度變化。鉑絲溫度變化會使鉑絲電阻值變化，阻值變化可用不平衡電橋來測得。熱導式氣體成分檢測裝置可用于氫氣（H2）、二氧化碳（CO2）、氨（NH3）、二氧化硫（SO2）等成分分析。熱導池檢測原理氣體熱導率的檢測是通過一個電橋（封裝在傳送器內(nèi)）來實現(xiàn)的，它分為工作臂和參比臂

參比臂室內(nèi)充標準氣體，電橋各橋臂通恒定電流加熱到一定溫度，當被測氣體流過工作臂時，橋臂溫度因熱量的對流和擴散而發(fā)生變化，相應(yīng)的臂阻值也發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出一個差動信號。

由熱導池產(chǎn)生的差動信號，經(jīng)過放大，由單片機進行處理顯示氣體濃度值，并形成電流輸出。

檢測熱導池的結(jié)構(gòu)熱導池：金屬制成的4~7mm的細長氣室氣室內(nèi)絕緣安裝電極絲（鉑、鎢）。檢測池有進、出氣口。參比池封裝標準氣。將檢測氣的導熱性能轉(zhuǎn)換成電阻信號。測量電橋：四臂電橋?qū)⒊煞植钷D(zhuǎn)換成橋路電勢，并具有調(diào)零、調(diào)量程的功能。熱導儀檢測器橋體接線盒鋁罩電熱絲水銀電接點溫度計熱導分析器

色譜法的由來：1902年俄國科學家茨維特在進行分離植物色素的實驗時，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，當時就稱色譜法，實驗中裝有碳酸鈣的玻璃管稱為色譜柱。幾十年來，色譜法分離對象早已不是植物色素和有色物質(zhì)，但色譜法的名稱一直沿用至今。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、樣品少并能自動記錄的特點?；驹恚阂坏位旌仙囊后w，滴在紙上，向周圍擴散時，呈現(xiàn)彩色花紋。即流動相在固定相表面運動時，各組分在紙上的吸附、脫附能力不同而分離。對于氣體、液體、有機物和無機物都可以分析。氣相色譜分析儀是由載氣源、流量計、進樣裝置、色譜柱、檢測器、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)圖過濾干燥測量參比注射樣氣處理定量管取樣進樣放空（一）工作原理當一定量的氣樣在純凈的載氣（稱為流動相）的攜帶下通過具有吸附性能的固體表面，或通過具有溶解性能的液體表面（這些固體和液體稱為固定相）時，由于固定相對流動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在流動相中的濃度。

分配系數(shù)大的成分不易被流動相帶走，因而在固定相中停滯的時間較長。氣樣中各成分在兩相中的分配沿色譜柱長度上反復進行，使不同成分完全分離。分離后的各成分按時間上的先后次序由流動相帶出色譜柱，進入檢測器檢出。固定相是充填在一定長度的色譜柱中，流動相與固定相之間作相對運動。由于流動相為氣體，故稱為氣相色譜。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）則稱氣-固色譜；固定相為液體（各種烴類、有機脂類等）則稱氣—液色譜。為增加接觸面，液體是涂在稱為擔體的硅藻土上或耐火磚細粒上，或毛細管內(nèi)壁上，稱為固體液。固定相的種類繁多，可根據(jù)被測氣樣選取，并均勻填裝在直徑為3-6mm、長度為1-4米的玻璃或不銹鋼細管中形成色譜柱，柱管可以是直管、U形管或螺旋形管。檢測器隨所需檢測的成分性質(zhì)和含量不同可取各種不同型式。常用形式有：熱導式檢測器和氫火焰電離檢測器從進樣時刻到某成分在檢測器上出現(xiàn)峰值的這段時間稱為該成分的保留時間。分離：就是使被分析各成分的保留時間不同。各成分的保留時間除了與各成分性質(zhì)有關(guān)外，還取決于色譜柱長度，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。載氣流量對色譜柱的分離效能影響較大，流速過高或過低都會使色譜柱分離效能降低。載氣流量由轉(zhuǎn)子流量計監(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管色譜柱填充柱、擔體、特性波當色譜柱和操作條件確定后，各成分的保留時間是恒定的，因此可根據(jù)保留時間來區(qū)分各成分。為了控制色譜柱的工作溫度和恒定熱導式檢測器的環(huán)境溫度，儀表中帶有恒溫裝置或程序控溫裝置。對于工業(yè)色譜儀，要求能自動定量取樣，定量要精確，否則儀表的復現(xiàn)性就差。因此，進樣裝置中采用程序控制器，實現(xiàn)對進樣閥的定時自動切換。如下圖：

（二）分析流程圖6-12雙柱、單檢測器串聯(lián)系統(tǒng)

當煙氣氣樣進入色譜柱后，其中CO2被色譜柱1所阻滯，其他成分一起流出色譜柱1，到達橋臂室T3，這時電橋失去平衡，在記錄儀上出現(xiàn)一合成峰，這合成峰過后不久，CO2從色譜柱1中流出，通過橋臂室T3，這時在記錄儀上畫出CO2峰，同時H2、O2、CH4和CO都在色譜2中被分離，并以一定的時間間隔，順序通過橋臂室T4，這時在記錄儀上按相應(yīng)順序畫出各成分的峰。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中的分子篩在長時間吸收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，低于熱導式檢測器的靈敏度限而不出峰時，可用靈敏度比熱導式檢測器的靈敏度高1000倍左右的氫火焰電離檢測器來檢出微量CO和CH4。

氫火焰離子檢測器集化電極加氫氣放空管進氣管集電極收集電極點火線6．2．4紅外線氣體分析儀紅外線的波長范圍為0.75~1000μm。氣體對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，以便于紅外線檢測器的檢測。測量氣室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）。紅外檢測器是薄膜電容型：從參比氣室6過來的光強度大，測量氣室7過來的光弱。紅外檢測器左、右兩則吸收紅外輻射能量不同，導致兩氣室內(nèi)壓力差存在。壓力差與測量氣室7中被分析氣體成分成對應(yīng)關(guān)系。如分析CO氣體的含量>燈絲切光片濾波氣室檢測室左檢測室右記錄儀檢測氣室參比氣室在測量邊和參比邊設(shè)置了一個封有干擾氣體的濾波氣室，它能將CO2對應(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氣體（如CO）的濃度有關(guān)。兩束紅外線射入測量氣室7和參比氣室6，由于測量氣室中含有一定量的CO氣體，該氣體對4.65μm的紅外線有較強的吸收能力，而參比氣室中氣體不吸收紅外線，這樣射入紅外探測器兩個氣室的光產(chǎn)生能量差異，使兩吸收室壓力不同。測量7射入紅外線的能量小，測量邊的壓力小，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。如被測氣體的濃度愈大，兩束光射到紅外探測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氣體的濃度。各種光學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)測儀表是非常重要的，環(huán)保監(jiān)測儀表能連續(xù)不斷地測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)，預報這種潛在的危險性。

一旦出現(xiàn)極限值就會立即發(fā)出報警信號，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，讓空氣中的可燃氣體濃度減少，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，俄羅斯一個煤礦發(fā)生氣體爆炸，有8人死亡；事發(fā)后4小時，仍然有超過60人被困在礦井當中。可燃氣體報警器為常見的環(huán)保監(jiān)測儀表之一。它由傳感器和報警器二部分組成。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。報警器根據(jù)傳感器傳來的信號，通過電子線路以指針或數(shù)字的形式顯示出此時空氣中可燃氣體的體積百分濃度，同時對輸入信號與報警設(shè)定值進行比較，當達到報警設(shè)定值時就能發(fā)出聲、光報警。6．3．1半導體氣敏傳感器氣敏傳感器：把氣體中的特定成份檢測出來，并將它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。氣敏傳感器氣敏元件的工作原理氣敏電阻是一種半導體敏感元件，它是利用半導體材料對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，能檢測的氣體也不同。如圖所示：N型半導體氣敏傳感器在檢測中其阻值變化

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