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1、刘玉长刘玉长第七章 成分分析仪表 成分分析仪表是用来对物料的成分组成以及各种物理、化学特性进行测量分析的仪表。第一节 红外线气体分析仪第二节 氧量分析仪第三节 其它气体分析仪第四节 溶液浓度计第五节 工业酸度计第六节 湿度检测仪表刘玉长刘玉长第一节 红外线气体分析仪 红外线（infrared）是波长在0.751000m范围内的电磁波，红外气体分析仪主要利用其中125m之间的一小段。红外线气体分析仪是一种吸收式光学分析仪器，是利用不同气体对红外辐射能选择性吸收原理来工作的。它常用来检测CO、CO2、SO2、CH4 和H2O等气体的浓度，能连续测量，测量范围宽，精度高，灵敏度高，并且有良好的选择性
2、。在石油、化工、冶金、环保等领域得到了广泛的应用，已成为成分分析仪表的一个重要分支。刘玉长刘玉长一、工作原理凡是不对称结构的双原子和多原子气体（CO、CO2、SO2、CH4等）对红外线都有一定吸收能力，但不是在红外波段的整个频谱范围内都吸收，而只是吸收其中的某些波段的红外线，即所谓的选择性吸收，被吸收的波段称为特征吸收波段。气体吸收红外辐射后，气体的温度上升或压力升高，这种温度和压力的变化与被测气体组分的浓度有关，通过测量温度或压力的变化就可以准确地获得被分析气体的浓度。刘玉长刘玉长 CO、CO2气体的红外线吸收特性气体的红外线吸收特性波长（波长（m）CO2两个特征吸收波段2.62.9m及4.
3、14.5 m；CO吸收波长为2.37 m和4.65m。刘玉长刘玉长朗伯贝尔定律红外线通过介质层时，介质吸收了相应特征波段的红外线能量，透过介质的红外线能量减弱，其减弱程度遵循朗伯-贝尔定律：I=I0e-cl式中I0为红外线入射强度,I为红外线出射强度，c为待测组分浓度，为待测组分对波长为的红外线的吸收系数。当I0、l一定时，辐射强度的变化只与待测组分c有关。0Ilc刘玉长刘玉长二、基本组成 光源、同步电机与切光片：作用是产生两束能量相等而又稳定的平行红外光束；滤波室：吸收或滤去干扰气体所对吸收峰的红外辐射能，去除干扰气体对测量的影响；参比室与测量室：参比室内封入不吸收红外辐射的惰性气体，能量没
4、衰减。测量室则通入流动的被测气体，红外线能量被吸收而减弱；检测室(薄膜,定片)：检测室的作用是用来接收从参比室与测量室射出的红外线，并转化成电信号；检测系统：将红外探测器的输出信号进行放大转成统一的直流电信号，并对信号进行分析处理，将分析结果显示出来，还可根据需要输出浓度极值和故障状态报警信号。刘玉长刘玉长1-光源；光源；2-同步电机；同步电机；3-切光片；切光片；4-滤波室；滤波室；5-参比室；参比室；6-测量室；测量室；7-检测室；检测室；8-薄膜；薄膜；9-定片；定片；10-电气单元；电气单元；11-微机系统微机系统红外线气体分析仪原理图红外线气体分析仪原理图刘玉长刘玉长三、应用举例 窑
5、炉尾气CO和CO2的含量检测：带有自动反吹系统的取样装置1-过滤器；2-陶瓷取样管；3-不锈钢管；4-冷却系统；5-过滤器；6-样气出口及清扫过滤器气体入口；7反吹气体入口；8-排尘口因为烟气温度很高,设置冷却系统。因尾气含尘，故设置反吹、清扫系统。刘玉长刘玉长第二节 氧量分析仪 氧含量分析仪是目前工业生产自动控制中应用较多的在线分析仪表，主要用来分析混合气体(多为窑炉废气)中氧的含量。常用的氧量分析仪有热磁式和氧化锆式两种，其中氧化锆式分析仪因其具有结构简单，反应快捷、灵敏和适于分析高温气体等特点，成为发展最为迅速的氧量分析仪表。刘玉长刘玉长一、热磁式氧量分析仪 当气体处于外磁场中间时，如果
6、能被磁场所吸引，则该种气体为顺磁性气体；如果能被磁场所排斥，则该种气体为逆磁性气体。在具有温度梯度和磁场梯度的环境中，由于气体局部温度升高，会出现顺磁性气体的磁化率下降，这种利用磁化率与温度间的关系测定气体中某种成分含量的方法称为热磁法。热磁式氧分析仪就利用在不均匀磁场中，含氧混合气体受热后的体积磁化率变化而产生的热磁对流进行间接测量。刘玉长刘玉长原理互不发生化学反应的多组分混合气体的体积磁化率等于各独立组分体积磁化率的加权和：kmix=qk+(1-q)k式中 k为氧体积磁化率；q氧含量的体积百分比；k混合气体中非氧组分的等效体积磁化率。氧的体积磁化率k很大(除氮氧化物外，氧的比磁化率是其它气
7、体的100倍以上)，因此含氧气体的体积磁化率kmix主要由含氧量决定，即可根据混合气体体积磁化率的大小来间接确定气体中的含氧量。刘玉长刘玉长二、氧化锆氧量分析仪 氧化锆氧量分析仪根据浓差电池原理设计而成。包括两个“半电池”：一个“半电池”是已知氧气分压的铂参比电极，另一个“半电池”是含氧量未知的测量电极。两个“半电池”电极之间用固体电介质氧化锆连接。在600800温度时，氧化锆是良好的氧离子导体，两个“半电池”之间的氧离子通过氧化锆(ZrO2)固体电解质中存在的氧离子空穴进行交换。当ZrO2两侧氧的浓度(分压)不同时，则在两电极之间出现电势，称为氧浓差电势。刘玉长刘玉长Pt,O2(P1)|Zr
8、O2.CaO|O2(P2),Pt参比电极参比电极(+)电解质电解质 参比电极参比电极(-)高温下，参比电极侧发生如下反应 O2(P1)+4e2O2-参比电极(Pt)给出四个电子，自身带正电。生成的氧离子“O2-”氧化锆氧浓差电池工作原理：通过固体电介质中的氧离子空穴到达测量电极(P2)，并发生如下反应2O2-O2(P2)+4e放出的四个电子交给测量电极的铂电极，使其带负电。因此在氧化锆两侧的铂电极之间产生了电动势E，其数值可由恩斯特公式计算。刘玉长刘玉长式中，R气体常数，为8.314J/K；T被侧气体进入电极中的热力学温度，K；F法拉第常数，为96487C/mol；n 反应时一个氧分子输送的电
9、子数，为4；P1、P2分别参比气体(即参比电极侧)与被分析气体(即测量电极侧)的氧分压，通常采用空气作参比气体。12lnPRTEnFP刘玉长刘玉长若被测气体与参比气体的总压均为P，则P1/P=V1/V=1，P2/P=V2/V=2，恩斯特公式可表示为 式中1、2分别为参比气体与分析气体中氧的容积含量。【结论】由上式可知若1、R、n、F均为常数，保持T不变，通过测出E,即可知道待测气体含氧量。12lnRTEnF刘玉长刘玉长氧化锆氧量计正常使用条件(1)应使氧化锆传感器的温度恒定，850时灵敏度最高；(2)必须要有含量稳定不变的参比气体；(3)被测气体和参比气体应具有相同的压力；(4)一般不用于可燃
10、性气体组分的氧分析。由于电极工作在高温下(800附近)，被测气体中如果含有H2、CO等可燃气体时，气样中将发生燃烧反应而耗氧，不仅会造成测量误差，而且还有爆炸的危险。刘玉长刘玉长(1)两个半电池：一个“半电池”是已知氧气分压的参比电极，另一个“半电池”是含氧量未知的测量电极。(2)当两侧气体中的O2浓度1、2不同时，则在两电极之间出现电势，称为氧浓差电势。(3)氧浓差电势在一定温度下，只与两侧气体中的氧含量（浓度）有关。(4)如果一侧氧浓度不变，另一侧氧浓度变化，即可通过测量输出电势来测量另一侧含氧量。小结:刘玉长刘玉长第三节 其它气体分析仪 一、气相色谱仪 色谱仪基本分析过程可分为两步：第一
11、步将混合在待测物质中的各种组分进行分离；第二步将已经分离的各单一组分依次进行检测，输出按时间分布的幅值不同的一组峰状信号曲线，即色谱图，据此进行定性和定量分析。色谱图中信号峰值对应的时间称为保留时间，由保留时间就可定性确定相应信号所代表的物质；根据各信号包围的面积在全部信号曲线包围的面积的比例可以定量分析各组分浓度。刘玉长刘玉长气相色谱仪测量原理当载有样品的流动相流过固定相表面时，气样中的各组分沿色谱柱长度反复在流固两相中进行分配，吸附力不同：A组分不易被固定相吸附，因而A组分就走得快一些，最先离开色谱柱到达检测器，被检测后记录仪上便记下A组分的峰状曲线，同样道理，B及C组分相继达到，最后在记
12、录纸上形成A、B、C的峰状曲线构成的色谱图。刘玉长刘玉长二、激光在线气体分析仪 半导体激光吸收光谱技术(DLAS)是利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度的一种技术。半导体激光器发射出的特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收导致激光强度产生衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比，因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。可测的气体有：O2、CO、CO2、H2O、H2S、HCl、NH3、CH4、C2H2、HF和NOx等。刘玉长刘玉长第四节 溶液浓度计一、电导式浓度仪溶液电导率与溶液摩尔浓度c的关系如下：=mc (m:摩尔电导率)电
13、导率随着温度的升高而增加；另外，同一类的电解质，当浓度不同时，它的温度系数也不一样。下图为几种常见水溶液在20时电导率与浓度的关系曲线。刘玉长刘玉长测量原理电导率与浓度本质上为非线性关系，仅在低浓度区域或高浓度区域的某一小段内，电导率与浓度c可近似看成线性关系，即摩尔电导率为一常数。因此，若能在上述范围内，通过测量溶液的电导G，可获得被测溶液的浓度，这就是电导式浓度仪的测量原理。刘玉长刘玉长电导率的测量电导率的测量是通过两个电极组成的双电极探头来实现的，如图所示。采用环形磁芯绕制的传感器，放置于被测溶液，如硫酸溶液中，当励磁线圈T1的绕组输入一交流电压U1时，副回路中(由被测介质构成)会产生感
14、应电流Ie。溶液回路感应电流Ie的大小，由溶液等效电阻Re(Re=K/Xe，K为传感器常数)，也就是溶液导电率Xe决定。由于Ie的作用，在T2绕组就有感应电动势U2产生。这样在检测线圈上可得到随电导率而变化的感应电动势U2，通过温度补偿及计算能测量出瞬时浓度值。刘玉长刘玉长二、电磁式浓度计 电磁式浓度计是基于法拉第电磁感应原理制成的导电式浓度计，如图所示。被测液体与两个电磁线圈的磁场耦合，在第一个线圈K1中通以电流，由于液体耦合在第二个线圈K2种感应出电压，感应的电压与液体的电导G成正比，因而也与电导率成正比。电磁感应式浓度计消除了电极式导电仪存电磁感应式浓度计消除了电极式导电仪存在的极化效应
15、，也不受液体中沉积物的影响在的极化效应，也不受液体中沉积物的影响。刘玉长刘玉长三、密度式浓度计 密度式浓度计是基于阿基米德定律工作的。即浸在液体中的物体受到向上的浮力F，浮力的大小等于该物体所排开液体的重量G：F=G=Vg式中V物体所排开液体的体积；溶液密度。在某一温度下，大多数溶液的浓度与密度存在一一对应关系，因此可通过密度检测得到溶液的浓度。刘玉长刘玉长工业用密度式硫酸浓度测量仪工作示意图浮子(或沉筒)浸入(或浸没于)溶液中，变送器(密度传感器)将浮子(或沉筒)所受浮力连同溶液的温度信号一同传送到二次仪表中，得到被测溶液浓度(密度值)，或者输出与溶液浓度(密度)成比例的420mADC远传信
16、号。刘玉长刘玉长第五节工业酸度计 酸度计也称pH计，是检测溶液中的H+浓度(酸碱度)的仪器。工业pH计把pH值的测量转化电势的检测。仪器由发送器和测量仪器两大部分组成。1-内电极;2-参比电极;3-玻璃电极刘玉长刘玉长pH发送器pH发送器由参比电极和测量电极组成，这两个电极复合制成一体，形成一个原电池，如图所示。pH发送器示意图1-内电极；2-参比电极；3-玻璃电极E外E内132参比电极的电位固定，常用的参比电极有甘汞电极和银氯化银电极。测量电极电位随着被测溶液的pH值而变化，有玻璃电极、氢醌电极和锑电极等。刘玉长刘玉长15678234甘汞电极的优点是结构简单，电极电位稳定，但是温度系数大，不宜用于温度波动大的环境中。甘汞电极结构图1引出导线；2汞；3甘汞；4纤维丝；5KCl溶液加入口；6KCl饱和溶液；7KCl晶体；8多孔陶瓷芯刘玉长刘玉长原电池及其电势玻璃电极测量系统的原电池表达式为：Hg|Hg2Cl2(固),KCl(饱和)|缓冲溶液|玻璃膜|待测溶液|KCl(饱和),Hg2Cl2(固)|Hg E1 E内 E外 E2 上述表达式中，单竖线表示界面上产生电极电位，双竖线则表示该处不存
