自动检测技术与仪表控制系统-成分分析仪表

9.成分分析仪表成分分析方法及分析系统的构成几种工业用成分分析仪表—热导式气体分析仪、红外线气体分析器、氧化锆氧分析器、气相色谱仪、半导体气敏传感器、工业酸度计湿度的检测—湿度的表示方法及湿度检测的特点、干湿球湿度计、电解质系湿敏传感器、陶瓷湿敏传感器、高分子聚合物湿敏传感器成分分析仪表是对物质的成分及性质进行分析和测量的仪表。可用于了解生产过程中的原料、中间产品及最终产品的性质及其含量，配合其他有关参数的测量，更易于使生产过程达到提高产品质量、降低材料消耗和能源消耗的目的。还可用于保证生产安全和防止环境污染。主要内容一、成分分析方法及分类方法：定期取样，通过实验室测定的实验室分析方法利用自动分析仪表连续测定被测物质的含量或性质仪表的选择：基于多种测量原理，进行分析和测量时需根据被测物质的物理和化学性质选择按测量原理分类：电化学式（电导式、电位式、酸度计、离子浓度计）热学式（热导式、热谱式、热化学式）磁学式（核磁共振分析仪）射线式（X射线分析仪、微波分析仪）光学式（红外、紫外等吸收式光学分析仪、光散射、干涉式光学分析仪）电子光学式和离子光学式（电子探针、离子探针）色谱式（气相和液相色谱仪）物性测量仪表（水分计、粘度、密度、湿度计）其他（半导体气敏传感器）*只有部分类型可以实现自动分析功能9.1.成分分析方法及分析系统的组成二、自动分析系统的组成通常自动分析仪表（也称过程分析仪表或在线分析仪表）是与试样预处理系统组成一个分析测量系统，以保证良好的环境适应性和高的可靠性，以使分析仪表的示值能代表被检测的成分。从生产设备中自动快速地提取待分析样品采用冷却、加热、气化、减压、过滤等方式对采集的分析样品进行适当的处理，为分析仪器提供符合技术要求的试样分析仪表的核心，不同原理的检测器可以把被测组分的信息转换成电信号输出用于微弱信号的方法、转换、运算、补偿等处理可以用模拟、数字或屏幕图文等方式显示结果用于控制各个部分的协调工作，使取样、处理和分析的全过程可以自动连续地进行一、热导式气体分析仪原理：不同气体导热特性（导热系数）的不同而进行分析用途：分析混合气体中H2、CO2、NH3、SO2等组分的百分含量特点：使用最早的物理式气体分析器；结构简单、工作稳定、体积小，生产中使用较多导热率的特点：气体的导热率不同—氢和氦最强，CO2和SO2较弱；还与气体的温度有关；混合气体的导热率可以近似认为是各组分导热率的算术平均值，即：9.2.几种工业用成分分析仪表2111121212122111CCCCCCCCniinn故，因为等于假设他们的热导率近似其余组分为背景组分且为被测组分的热导率，若量为各组分的体积百分含为各组分的热导率总热导率；为混合气体的☆实际使用时要求混合气体中背景组成的热导率必须近似相等，且与被测组分的热导率有明显的差别。若不满足这个条件可进行预处理。如分析烟道中的CO2含量，已知其中的组分有CO2、N2、CO、SO2、H2、O2及水蒸气等，SO2和H2的热导率相差太大，应在预处理时除去。剩下的背景气体热导率相近，并与被测气体CO2的热导率有显著差别，所以可以用热导法进行测量。最常用于锅炉烟气分析和氢纯度分析原理：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。用途：连续分析混合气体中CO2、NH3、CO、CH4等气体的浓度气体在红外波段内有其特征的吸收峰,主要是利用2~25µm之间的一段红外光谱二、红外线气体分析仪红外线通过吸收物质前后强度的变化与被测组分浓度的关系服从朗伯-贝尔定律：式中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。组成：红外辐射源、测量气样室、红外探测装置测量原理：红外光源发出的平行红外线，被测组分选择性的吸收其特征波长的辐射能，红外线强度将减弱，当入射红外线强度和气室结构等参数确定后，测量红外线的透过强度，就可以确定被测组分浓度的大小。分类：非色散（非分光）型—由红外辐射发出连续的红外光谱，包括被测气体特征吸收峰波长的红外线在内。被分析气体连续通过测量气样室，被测组分将选择性的吸收其特征波长红外线的辐射能，使从气样室透过的红外线的强度减弱。色散（分光）型—单色光测量方式，利用两个固定波长的红外线通过气样室，被测组分选择性的吸收一个波长的辐射能而不吸收另一个，测量两个波长辐射能的透过比，可知被测组分浓度三、氧化镐氧分析器基本工作原理：基于氧浓差电池。在纯氧化锆中掺入低价氧化物如氧化钙等，在高温培烧后形成稳定的固熔体，作氧浓差电池的两个电极，两侧气体含氧量不同时，在电极间将产生电势，此电势与两测气体中的氧浓度有关，称为浓差电势。优点：灵敏度高、稳定性好、响应快，测量范围宽，不需要复杂的采样和预处理系统，它的探头可以直接插入烟道中连续地分析烟气中的氧含量。四、气相色谱仪基本工作原理：被分析的试样由载气带入色谱柱，色谱柱内有固体吸附剂或固定液，对不同的气体有不同的吸附能力或溶解能力，但对载气的吸附能力要比样品组分弱得多。由于样品各组分在固定相上吸附或溶解能力的不同，被载气带出的先后次序也就不同，从而实现了各组分的分离。先后流出的不同组分经检测器检测和相关信号处理后得到结果。优点：高效、快速、灵敏的物理式分析仪表。可以一次完成对混合试样中几十种组分的定性或定量分析。五、半导体气敏传感器敏感材料：半导体材料特点：难以消除其他共存气体的影响，线性范围窄，只用于定性及半定量的检测。灵敏度高、成本低、测量简单，仍应用最普遍、最有使用价值。分类：按照半导体的物性变化特点，分为电阻型（利用气敏元件在接触被测气体后电阻值的变化来检测气体的成分或浓度）和非电阻型（根据气敏元件对气体的吸附和反应，使其某些相关特性发生变化，对气体进行直接或间接的检测）按照半导体与气体的相互作用是在其表面或内部，可分为表面控制型和体控制型1.电阻型半导体气敏传感器原理：气体在半导体表面的氧化或还原反应引起半导体载流子数量的增加或减少，从而使敏感元件电阻值发生相应的变化。气体的分类：氧化型气体（如O2等具有负离子吸附倾向）和还原型气体（如H2、CO、碳氢化合物和醇类等具有正离子吸附倾向），当还原型气体吸附到N型半导体（氧化锡、氧化锌、氧化钛等），氧化型气体吸附到P型半导体（氧化钼、氧化铬等）时载流子增多，敏感元件电阻值将减小。图9-14给出被测气体接触N型半导体时，敏感元件阻值变化的情况。组成：气敏元件、加热器和封装体。（加热器的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，提高其灵敏度和响应速度。温度一般为200~400）气敏元件的分类：从结构型式来分有烧结型、薄膜型和厚膜型三类。如图图9-16为SnO2气敏元件对各种气体的灵敏度特性。2.非电阻型半导体气敏传感器利用MOS二极管的电容-电压特性变化和MOS场效应管的阈值电压的变化等性质制成。这类器件的特性尚不够稳定，目前只能用作气体泄漏的检测。六、工业酸度计用途：在线测量溶液的酸碱度，广泛应用于石化、轻纺、食品、制药工业以及水产养殖、水质监测等方面。溶液的酸碱度：与氢离子的浓度的大小有关，用PH值表示PH值的检测：采用电位测量法。根据电化学原理，任何一种金属插入导电溶液中，在金属与溶液之间将产生电极电位，其与金属和溶液的性质及溶液的浓度、温度有关。电极电位是个相对值，一般规定标准氢电极的电位为零，作为比较标准。PH测量电池：由参比电极和测量电极及被测溶液共同组成。参比电极的电位是一个固定值，测量电极的电极电位则随溶液氢离子浓度而变化，电池的电动势为参比电极与测量电极之间的电极电位的差值，其大小代表氢离子浓度。电池的电势E与被测溶液的PH值之间的关系：值。为被测溶液的为法拉第常数，为热力学温度，为气体常数，PHPHmolCFFKTKmolJRRPHFRTHFRTEXX;.;;)(..lg.41064879314830323032※参比电极一般为甘汞电极或银-氯化银电极，测量电极中用的最广的是玻璃电极。此类测量电池的输出电势在温度恒定时与PH值（1~10范围内）成线性关系，曲线的斜率随温度的升高而增大，但在不同的温度下的特性曲线会相交于一点—等电位点。湿度表示空气（或气体）中水汽含量的物理量。水汽含量越高，气体越潮湿，湿度越大。9.3.湿度的检测主要内容湿度的表示方法及湿度检测的特点干湿球湿度计电解质系湿敏传感器陶瓷湿敏传感器高分子聚合物湿敏传感器一、湿度的表示方法及湿度检测的特点1.湿度的表示方法绝对湿度：指单位体积湿气中所含的水汽质量数，单位为g/m3相对湿度：单位体积湿气中所含的水汽质量与在相同条件下与饱和水汽质量之比，用百分数表示。相对湿度还可以用湿气体中水汽分压与同温度下饱和水汽压之比来表示。露点（或露点温度）：在一定的压力下气体中水汽达到饱和结露时的温度。与空气中的饱和水汽质量有固定关系，所以亦可以用露点温度来表示绝对湿度。2.湿度检测的特点方法：传统的方法是露点法、毛发膨胀法和干湿球温度测量法。工业过程的监测和控制对湿敏传感器有一定的要求：工作可靠，使用寿命长，响应速度快，受温度影响小，不受尘埃、油污附着的影响。湿敏传感器新技术：可以利用潮解性盐类、高分子材料、多孔陶瓷等材料的吸湿特性而制成。二、干湿球湿度计用途：测量空气的相对湿度组成：由两只温度计组成，一只温度计用来直接测量空气的温度，称为干球温度计，另一只温度计在感温部位包有被水浸湿的棉纱吸水套，并经常保持湿润，称为湿球温度计。测得干球温度td和湿球温度tw后，就可以计算出相对湿度φ。一般情况下空气中的水蒸气不饱和，所以twtd。空气中水蒸气的分压为：相对湿度为：式中pds为干球温度下的饱和水汽压；pws为湿球温度下的饱和水汽压；p为湿空气的总压；A仪表常数。工作原理：当棉套上的水分蒸发时，会吸收湿球温度计感温部分的热量使湿球温度计的温度下降。水分的蒸发速度与空气的湿度有关，相对湿度越高，蒸发越慢。所以，在一定的环境温度下，干球温度计和湿球温度计之间的温度差与空气的湿度有关。当空气为静止的或具有一定流速时，这种关系是单值的。干球和湿球的温度可用铂电阻、热敏电阻或半导体温度传感器测量。把与温度相对应的饱和水气压力值制表存储于仪表的内存中，根据测得的干球和湿球的温度就可求得相对湿度值，绝对湿度值也可计算求得。仪表可以显示被测气体的温度、相对湿度和绝对湿度。三、电解质系湿敏传感器原理：氯化锂湿敏元件吸潮后电阻值变小，在干燥环境又会脱潮而电阻增大，通过测定电阻值，即可知相对湿度。感湿特性曲线存在非线性和死区。原理：利用陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿，使电极间的电阻值随相对湿度变化。类型：烧结型、膜式及MOS型四、陶瓷湿敏传感器湿敏元件的特点：测湿范围宽；可用于高温测量；能用电加热反复清洗，除去吸附在陶瓷上的油污、灰尘或其他污染物，以保持测量精度；响应速度快；长期稳定性好。五、高分子聚合物湿敏传感器原理：高分子聚合物能随所在环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子，使其介电常数随水分子的增多而很大的提高，用这种材料制成电容式湿敏传感器，测定电容值的变化，即可知环境的相对湿度。结构：如图特点：响应快；特性较稳定；但使用环境温度不能高于80℃作业：P164.9-39-69-8