成分分析传感器

第17章成分分析传感器目录17.1概述17.2热导式气体分析仪17.3红外线气体分析仪17.4色谱分析仪17.5氧分析仪17.6工业电导仪传感器原理及应用第17章成分分析传感器目录17.7浓度计17.8PH计17.9硅酸根表17.10钠表17.11溶解氧表17.12成分分析仪表的选用传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.1概述成分分析主要是用来检定、测量物质的组成和特性，研究物质的结构按工作原理、测试对象、使用目的及使用场合来进行分类按测量原理不同可分为电化学式、热学式、磁学式、射线式、光学式、电子光学式、离子光学式和色谱式等；按测量对象不同可分为气体成分分析、液体成分分析、金属成分分析和酸碱度分析仪表等传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.1概述按使用目的不同可分为定性成分分析仪表和定量成分分析仪表；按使用场合不同可分为实验室成分分析仪表、过程成分分析仪表以及便携式成分分析仪表等传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.2热导式气体分析仪热学式气体分析仪利用不同气体导热特性不同的原理进行分析的常用于分析混合气体中H2、CO2、NH3、SO2、Ar等组分的百分含量传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.2.1工作原理各种气体都具有一定的导热能力，但是程度有一定差异，各有不同的导热系数。对于多组分气体，由于组分含量的不同，混合气体导热能力将会发生变化。根据混合气体导热能力的差异，就可实现气体组分的含量分析。热导式气体分析仪是通过对混合气体的导热系数的测量来分析待测组分的含量传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.2.2热导检测器直接测量气体的导热系数比较困难，热导式分析仪大多是把导热系数的测量转变成电阻的测量，将由于混合气体中待测组分含量变化所引起总的导热系数的改变转换为电阻的变化热导池结构直通式结构传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.2.2热导检测器被测气体由小室下部引入，从小室上部排出，热丝的热量通过混合气体向室壁传递。热丝的热平衡温度将随被测气体的热导系数变化而改变。热丝温度的变化使其电阻值亦发生变化，通过电阻的变化可得知气体组分的变化传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.2.2热导检测器根据待分析的气体流过检测器的方式不同，热导检测器的结构分为直通式、扩散式和对流扩散式热敏元件热敏元件节流孔支气管扩散式结构对流扩散式结构型式扩散式：反应缓慢，滞后较大，受气体流量波动影响较小对流扩散式：气样是由主气路扩散到气室中，然后由支气路排出，气流有一定速度，气体不产生倒流。传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.2.3测量电路将待测组分含量的变化通过热导检测器转换成电阻值变化，电阻的测量大多可采用电桥法。当待测组分含量发生变化，即待分析气体的导热系数变化，测量气室中的电阻丝的电阻值Rm也发生变化，电桥失去平衡，桥路输出变化反映待测组分含量的多少。还可以采用双臂单电桥测量系统或采用双电桥测量传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.3红外线气体分析仪利用不同气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性来进行分析的17.3.1红外线气体分析仪的理论基础利用气体对红外线的吸收特性来进行气体成分分析各种气体对红外光谱范围内所有波长具有选择吸收能力CO对波长为4.65μm的红外线具有最大的吸收；CO2对波长2.717μm和4.26μm红外线具有最大的吸收；CH4的特征吸收波长则为3.3μm和7.65μm传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.3.1红外线气体分析仪的理论基础几种气体的吸收光谱气体吸收红外辐射后温度会升高，压力增大。气体吸收红外辐射越多，则温度升高也越多红外线通过吸收物质前后其光强度将会发生变化，光强度与被测组分浓度的关系服从朗伯—贝尔定律传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.3.1红外线气体分析仪的理论基础KCLeII0I0和I分别为红外线通过被测气体前后的光强度；K为被测组分吸收系数；C为被测组分浓度；L为光线通过被测组分的吸收层厚度当光强度为I0的光通过均匀介质后，剩余光强度的大小I将随着介质浓度C和光程L的增大而按指数规律衰减传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.3.2红外线气体分析仪的结构及原理9231486557由红外线辐射光源、测量气样室、红外检测器及电路等部分组成1-光源；2-抛物体反射镜3-同步电动机；4-切光片5-滤波室；6-参比室7-测量室；17-红外探测器；9-放大器传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.3.2红外线气体分析仪的结构及原理测量时(如分析CO气体的含量)，两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室，由于测量气室中含有一定量的CO气体，该气体对4.65μm的红外线有较强的吸收能力，而参比气室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器两个吸收气室的红外线光造成能量差异，改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容C。被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，则电容的变化也愈大，电容的变化量就反映了被分析气体中被测气体的浓度。滤波气室：为了消除干扰气体对测量结果的影响传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.4色谱分析仪基于色谱法原理构成的分析仪器称为色谱仪色谱仪能对被测样品进行全面的分析，它能鉴定混合物是由哪些组分组成，又能测出各组分的含量17.4.1检测原理利用色谱柱将混合物各组分分离开来，然后按各组分从色谱柱出现的先后顺序分别测量，根据各组分出现的时间以及测量值的大小可确定混合物的组成以及各组分的浓度。色谱分析法根据流动相的不同可分为气相色谱法和液相色谱法两种传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.4.2气相色谱仪包括载气预处理及控制系统、进样装置、色谱柱、检测器和显示记录仪等色谱柱：是将被测样品的各组分进行分离检测器：用来检测并定量测定经色谱柱分离的物质组分样品组分与载气在性质上的任何差别，检测器将差别转变成电信号输出显示记录仪：用来对信号数值进行指示、记录，并产生色谱图传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.5氧分析仪在很多生产过程，特别是燃烧过程和氧化反应过程中，测量和控制混合气体中的氧含量是非常重要的氧含量分析方法有两种：一种为物理分析法，如磁性氧分析仪另一种为电化学法，如氧化锆氧分析仪。传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.5氧分析仪17.5.1热磁式氧分析仪利用被测气体混合物中待测组分比其他气体有高得多的磁化率以及磁化率随温度的升高而降低等热磁效应来检测待测气体组分含量的主要用来检测混合气体中的氧含量，测量范围为0～100%，并具有反应快和稳定性好等特点传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.5.1.1检测原理①待测组分(氧气)较混合气体中其他组分的磁化率大得多，并且在后者的磁化率近似相等的情况下，混合气体的磁化率近似为待测组分的磁化率与该组分所占浓度的乘积；②气体压力升高时，磁化率增大，而温度升高时，其磁化率剧烈下降。7.5.1.2热磁式氧分析仪的检测器检测器是热磁式气体氧分析仪的关键部件，其作用是将混合气体中氧含量的变化转换为电信号的变化。传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.5.1.2热磁式氧分析仪的检测器N51234ES1R2R3R4RwR⑴内对流式检测器1-环形管；2-中间通道3-显示仪表；4-被测气体入口5-被测气体出口当环形气室中流动的温度为T0的气体流经强磁场附近时在中间通道中自左向右形成一连续的气流，这种现象称热磁对流现象，该气流称作磁风若控制气样的流量、温度、压力和磁场强度等不变，则磁风大小仅随气样中氧含量的变化而变。传感器原理及应用第17章成分分析传感器⑴内对流式检测器热磁对流的结果将带走电阻丝R1和R2上的部分热量，由于冷气体先经R1处，R1上被气体带走的热量要比R2上带走的热量多，于是R1处的温度低于R2处的温度，电阻值R1R2，电桥就有一个不平衡电压输出。输出信号的大小取决于R1和R2之间的差值，也即磁风的大小，反映了混合气体中氧含量的多少。传感器原理及应用第17章成分分析传感器⑵外对流式检测器1-工作检测元件；2-参比检测元件被测气体直接与检测元件相接触，热磁对流在检测元件外部形成测量室中的气体不断地与主气道中的气体进行热交换，形成了热磁对流。被测气体中氧含量不同，就会有不同程度的热磁对流，测量室中的测温元件有不同程度的散热传感器原理及应用第17章成分分析传感器⑵外对流式检测器而参比室中的散热与被测气体中的氧含量无关测量室和参比室中的测温元件由于散热程度不一样，就产生温度上的差别，因而其电阻值也就不相等把测量室和参比室的检测元件分别作为测量电桥的二个桥臂电阻，则电桥的输出信号大小就可反映被测气体中氧含量的大小为了提高测试精度，减小电源电压波动对测量影响，采用双电桥测量系统传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.5.2氧化锆氧分析仪利用氧化锆固体电解质做成的氧分析仪，用来测量混合气体中氧气的含量。17.5.2.1氧化锆固体电解质导电机理广泛地应用于连续分析锅炉或窑炉内的燃烧状况，由于它分析滞后小，可以与调节器等组成自动调节系统，控制进风量和燃料比值，达到节约能源及减小环境污染的双重效果纯氧化锆基本上是不导电的，但掺杂一些氧化钙或氧化钇等稀土氧化物后，它的导电性大大增加固体电解质的导电性与温度有关，温度愈高，其导电性愈强。氧化锆一般工作在650℃～1750℃范围内传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.5.2.2氧化锆氧分析仪的检测器氧化锆管组成的一个氧浓差电池当氧化锆两面的混合气体的氧分压不同时，在两个电极之间就产生电动势，该电动势是由于氧化锆固体电解质两侧的氧浓差所形成，所以叫浓差电势。氧离子从高浓度侧向低浓度侧转移而产生电势传感器原理及应用第17章成分分析传感器在正极上氧分子得到电子成为氧离子，在负极上氧离子失去电子成为氧分子17.5.2.2氧化锆氧分析仪的检测器在两个电极间就产生氧浓差电势，氧浓差电势的大小与两侧氧浓度有关10lnppnFRTEE为氧浓差电势；R为理想气体常数F为法拉第常数T为绝对温度假定参比侧与被测气体的总压力相等，则上式可改写为：10lnCCnFRTEC0，C1分别为参比气体与被测气体中氧的含量通过测量氧浓差电势即可求得待测气体中的氧含量传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.5.2.2氧化锆氧分析仪的检测器利用氧化锆氧浓差电势测氧含量必需满足的条件有：①工作温度要恒定②必须有参比气体，参比气体的氧含量要稳定不变。二者氧含量差别越大，仪表灵敏度越高。③参比气体与检测气体总压力应该相等，仪表可以直接以氧浓度刻度传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.5.2.2氧化锆氧分析仪的检测器温度调节器温度显示仪空气烟气～1烟气234561—氧化锆管；2—陶瓷过滤管3—铂电极；4—热电偶5—AI2O3陶瓷管；6—信号线被测烟气经过陶瓷过滤器后从氧化锆管外表面流过，完成氧含量测量为保证氧化锆电解质处于良好的氧导体状态，其外表面装有加热电阻丝，设有温度自动控制系统传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.5.2.3氧化锆氧分析仪的安装与使用⑴安装直插式和抽吸式两种(a)(b)直插式结构，多用于锅炉、窑炉烟气的含氧量测量，它的使用温度在600～1750℃之间传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.5.2.3氧化锆氧分析仪的安装与使用⑴安装抽吸式结构，多用于石油化工生产中，最高可测1400℃气体的含氧量仪表中多用微处理器来完成温度补偿和非线性变换等运算⑵使用①使用前的检查②仪器标定③使用条件对测量精度的影响④氧化锆探头的化学反应问题传感器原理及应用第17章成分分析传感器⑵使用⑤定期对采样管中的积尘进行吹扫处理17.6工业电导仪两类，一类是电极式另一类是电磁感应式17.6.1溶液电导（电阻）的测量方法①分压法测量电路～URKRXUK电极ＲＸ为待测溶液电阻，ＲK外电阻传感器原理及应用第17章成分分析传感器17.6.1溶液电导（电阻）的测量方法①分压法测量电路ＲK上的分压为kxkkRRURU在保持电源电压Ｕ恒定不变