Lesson07-物位和成分检测仪表

控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—过程控制系统及仪表物位测量仪表检测仪表概述温度检测仪表压力检测仪表流量检测仪表物位检测仪表成分分析仪表检测仪表主要内容液位：容器中液体介质的高低料位：容器中固体物质的堆积高度界面：两种密度不同液体介质的分界面的高度物位测量在工业生产中具有重要的地位。例如蒸汽锅炉运行时，如果汽包水位过低，就会危及锅炉的安全，造成严重事故。物位的含义包括：2.5物位检测仪表物位测量仪表类型A1.静压式物位测量利用液体或物料对某定点产生的压力随液位高度而变化的原理而工作。2．浮力式物位测量利用浮子所受的浮力随液位高度而变化的原理工作。3.电气式物位测量利用敏感元件将物位的变化转换为电量参数的变化，而得知物位。4.核辐射式物位测量利用核辐射线穿透物料时，核辐射线的透射强度随物质层的厚度而变化的原理进行测量。5.声学式物位测量测量超声波在物质中传播时间的长短，据此可测出物位。6.光学式物位测量利用光波在传播中可被不同的物质界面遮断和反射的原理测量物位。物位测量仪表类型B静压式液位变送器浮球液位变送器浮球液位变送器静压式液位变送器电容式物位变送器超声波物位变送器2.5.1浮力式液位变送器恒定浮力变浮力0%100%mgFF=mg恒定浮力式可通过电位器或数码盘将位移转换为电信号变浮力式液位变送器F=mg+F'mgFV1V2F'p1=Hg+p2Δp=p1-p2=Hg式中：H—液位高度；—介质密度；g—重力加速度。p2p12.5.2差压式液位变送器利用测量容器底部和顶部的压差测液位。2.5.2.1测量原理设容器上部空间为干燥气体，其压力为p2，下部取压点压力为p1，则：双法兰若被测容器是敞口的，则气相压力为大气压，只需将差压变送器的负压室通大气，或用压力变送器、或用压力表即可测量。因为压力变送器和压力表都是测量与大气压之差。注意：当仪表安装与容器底部不在同一水平，则需进行零点迁移。单法兰2.5.2.2用法兰式差压变送器测量液位在测量含有结晶颗粒、有腐蚀性、粘度大、易凝固等液体液位时，引压管线可能被腐蚀、被堵塞。可使用加隔离膜盒的法兰式差压变送器。插入式法兰平法兰非导电液体2.5.3电容式物位变送器利用电容器的极板之间介质变化时，电容量也相应变化的原理测物位。可测量液位、料位和两种不同液体的分界面。圆柱形电容器的电容量为dDLπεCln=2ε为介电系数非导电液体：金属棒为内电极，金属圆筒为外电极导电液体：金属棒套绝缘层为内电极，容器外壳为外电极εε0H=0时：H＞0时：C=dD2πHεlndD2π(L-H)ε0ln＋设空气的介电系数为ε0，被测物料的介电系数为εdD2πLε0C0ln=dD2πH(ε-ε0)∆C=C－C0ln==kH电容的变化量与液位成正比。非导电液体LDdε0Hε导电液体内电极外电极绝缘层ε0εD0dDL设空气的介电系数为ε0，绝缘层的介电系数为εH=0时：H＞0时：∆C=C－C0==kHdD02πLε0C0ln=D0D-d2C=dD2πHεlndD02π(L-H)ε0ln＋HdDdD)lnln(2002.5.4超声波液位计利用超声波在液体中传播有较好的方向性，且传播过程中能量损失较少，遇到分界面时能反射的特性，可用回声测距的原理，测定超声波发射后遇液面反射回来的时间，以确定液面的高度。tTvH)(21若速度v为常数，可测时间t算出液面高度H。因速度对温度敏感，所以使用时需要补偿由T造成的v变化。v—超声波在液体中的传播速度若测料位，则超声波物位计安装在容器顶部.超声波物位计控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—过程控制系统及仪表成分检测仪表检测仪表概述温度检测仪表压力检测仪表流量检测仪表液位检测仪表成分分析仪表检测仪表主要内容所谓成分，是指在多种物质的混合物中某一种物质所占的比例。例如，组分，黏度、浓度、密度和pH值等。目的：提高生产效率，保证生产安全分析仪表：实验分析仪表：定期采样，由实验室离线测定过程分析仪表：利用仪表，连续在线测定2.6成分分析仪表按测量原理：电化学式热学式光学式按使用场合：实验室分析仪过程分析仪自动分析仪在线分析仪2.6成分分析仪表过程分析仪安装在现场自动采样、预处理(冷却、加热、气化、减压等)自动分析、信号处理及远传适合生产过程的监控2.6成分分析仪表2.6.1热导式气体分析仪：测量混合气体组分工作原理根据不同种类的气体具有不同的热传导能力的特性，通过导热能力的差异分析气体的组分和含量。几种彼此间无相互作用的气体混合在一起时，混合气体的导热系数近似等于各成分导热系数的数学平均值niiic1混合气体导热系数第i种气体含量第i种气体导热系数2.6.1热导式气体分析仪：测量混合气体组分使用场合工业生产中最早使用的自动气体分析仪。常用于混合气体中H2、CO2、NH3、SO2、锅炉烟气等组分的百分含量测定；也常用于色谱分析仪的检测器。若混合气体中仅有两种导热系数已知的气体构成，则121212112211)()1(ccccc则λ与c1成单值函数关系，可由λ求得c1。可测多种气体混合中某一气体含量，只要除被测气体外，其它气体导热系数近似相等被测气体导热系数应与其余气体导热系数相差明显，且越明显，灵敏度越大当混合气体中有多种导热系数相差较大的气体，只要用一定预处理装置去除“干扰”即可热导式检测器热导式气体分析仪组成热导池+测量电桥导热系数变化电阻变化导热系数大时，散热好，电阻丝温度下降多，电阻变小检测电桥：补偿温度变化为补偿温度，使用与测量室完全相同的构造，称参比室。R1、R3为测量室电阻；R2、R4为参比室电阻。双电桥检测电路2.6.2红外线气体分析仪根据不同的气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特征制成。使用范围宽，不仅可以分析气体，也可分析溶液，且灵敏度较高，反应迅速，有着广泛的应用。红外线是波长为0.76～300mm之间的不可见电磁波，在工业红外线气体分析仪中，使用的红外线波长一般在1～25mm之间。可见光紫外线红外线实验证明，除氦、氖、氩等单原子惰性气体及氢、氧、氮、氯等具有对称结构的双原子气体外，大部分多原子气体如CO、CO2、CH4等，对1～25mm波长范围的红外线都有强烈的选择性吸收的特性。如图，CO对波长为4.5～5mm的红外线具有强烈的吸收作用。红外线气体分析仪根据朗伯-贝尔定律，当光通过吸收介质时，其强度随介质的浓度和厚度按指数规律衰减。cleIIm0式中：I0—射入时的光强；I—透出时的光强；l—介质厚度；c—吸收介质的浓度；m—吸收系数红外线气体分析仪就是根据这一定律，测某波长红外线的透射强度。从波长光强被吸收的程度，推知该组分在混合气中的浓度。红外线气体分析仪组成测量气室+参比气室+接受气室+电容式差压计①用碳化硅白炽灯作为光源产生红外线，经反光镜反射成两束平行光线。②用电机带动切光片（开有对称孔的铝片），将两束红外线调制成几赫兹的矩形波。③如果混合气体中有和被测组分的吸收峰相重叠的干扰组分，就在干扰滤光室里面充以高浓度的干扰气体，使混合气体中干扰组分可能吸收的辐射能在这里全部被吸收掉。④测量气室连续通过被测混合气体。参比气室内密封着氮、氩等对红外线完全不吸收的气体。⑤薄膜电容接收器是在两个接收气室之间设置一薄膜弹片和固定极板构成的电容。两个接收气室分别接受由测量气室和参比气室透出的红外线。接收气室内封有浓度较大的待测组分气体，它能将射入的符合其吸收波长的红外线幅射能全部吸收，变为接收气室内的气体温度变化和压力变化。当测量气室中无待测组分时，调整两束光的强度，使其达到上下接收室的光强相等，此时两边气体压力相等，薄膜片不变形，电容量不改变，接收器无输出。当测量气室中有待测组分时，上接收气室就吸收到的能量比下接收气室小，两个接收气室温度不同，出现压力差，推动中心薄膜片变形，改变了与固定极板间的距离，即改变了电容量。测定此电容量的变化幅度，便可知样气中待测组分的浓度。2.6.3气相色谱分析仪特点：先分离，再分析，分离能力强，分析灵敏度高、速度快和样品用量少。例如分析石油产品时，一次可分离分析一百多种组分；在分析超纯气体时，可鉴定出1ppm(ppm为浓度单位，表示百万分之—)，甚至0.1ppb(ppb表示十亿分之一)的组分。目前被广泛应用于石油、化工、电力、医药、食品等生产及科研中。碳酸钙吸附剂色谱分析原理被测气体在载气携带下按一定方向通过色谱柱，各成分与吸附剂作用，吸附作用强的成分脱附慢，吸附作用弱的成分脱附快，则各成分由于通过色谱柱速度不同而分开，时间上先后依次通过色谱柱，逐个进入检测器接受测定与分析移动相是液态的称为液相色谱，移动相是气态的称为气相色谱。实用的气相色谱仪由色谱柱、检测器及载气、采样等辅助装置组成。色谱柱一般的色谱柱，是在直径约3~6mm、长约1～4m的玻璃或金属细管中，填装固体吸附剂颗粒构成。称为固定相。常用的固体吸附剂有氧化铝、硅胶、活性炭、分子筛等。用氢、氮、空气等作“载气”，运载被分析样气通过固定相。载气和被分析样气称为移动相。分离过程设样气中有A、B、C三种不同的成分。从色谱柱分离原理可知，被分析的样气应当是脉冲式输入，在载气的推动下通过色谱柱。在流动的过程中，吸附性小的成分前进速度快，C、B、A各组分依次从色谱柱流出。样气中A、B、C三种不同的成分，经色谱柱分离后，依次进入检测器。检测器输出随时间变化的曲线称为色谱流出曲线或色谱图，色谱图上三个峰的面积（或高度）分别代表相应组分在样品中的浓度大小。检测器的作用是将由色谱柱分离的各组分进行定量的测定。常用的检测器有热导式和氢火焰电离式。氢火焰电离式检测器的灵敏度比热导式高1000倍，只能检测有机碳氢化合物等在火焰中可电离的组分。氢火焰电离检测器2.6.4氧化锆含氧量分析仪在氧化反应和燃烧过程中，测量和控制混合气体的含氧量十分重要。氧化锆氧量分析仪，结果简单，性能稳定，测量范围宽，安装维修方便，因而使用较广泛。工作条件：•氧化锆传感器温度应稳定，保持850℃灵敏度最高•必须有参比气体，且参比气体含氧量稳定不变•被测气体和参比气体压力相同•必须保证被测气体和参比气体有一定流速电池左右含氧量不同，电极之间产生电动势。氧浓度电池原理01lnNernstpRTEnFp公式：带有温度控制电路的测量系统原理2.6.5工业酸度（pH）计酸碱度对氧化、还原、结晶、吸附、沉淀等化学反应有重要影响。pHlg[H]酸度（pH）计原理工业上采用电位法检测溶液的pH值。1为参比电极，具有固定电位。一般为甘汞电极，与KCl浓度有关。电位较稳定，但易受温度变化影响。2为工作电极，其电位随pH值变化一般为玻璃电极。电极电位与温度成单值关系。且不同温度曲线簇交于一个共同点，称等电位点，具有恒定的pH值（pH为2.5）。00(ln[H]ln[H])2.303(pHpH)EEERTFRTF外内Nernst公式：