仪表与检测课件—成分检测

3.7 成分检测 ➢ 成分：混合体中所含组分数及各组分含量 ➢ 成分检测仪表：对物质的成分及性质进行分析和测量
的仪表 ➢ 检测目的：确定混合体中某一或全部组分的百分含量
3.7.1 成分检测方法及系统构成 1）方法及仪表分类 ① 检测方法 实验室分析：
定期取样，通过实验室测定组成及含量 现场时时检测：
热导池的结构。
绝缘体
热敏 电阻丝
➢ 一个开有气体样品进出口的垂直
放置的气室 (上出下进)，
Rn tc tn L
腔体
热导池结构
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
➢ 中心装有一根热电阻丝（敏感元 件），
➢ 电阻丝两端用铂铱弹簧作连接引 线，以防电阻丝热胀冷缩，产生 形变影响阻值。
② 热平衡关系推导 热电阻特性：
Rn R0 (1 tn )
S的0背2、景H气2热体导热率导相率差相太近大。，应进行预处理除去。剩余 待所测以组可分用（热C导O法2）进与行其测他量组分的热导率有显著差别，
2）热导检测器 ① 热导池
热导式气体检测器的核心（检测器）。
热导池的作用：
将气体的导热系数的大小及其变化转换成热导池中热 电丝的电阻值的变化，以利于测量。
组成：红外线气体分析仪主要由红外线辐射光源、气 室、红外探测器以及电气线路等部分组成。
a.
空间双通道红外气体分析仪
抛物 反光罩
基本结构图：
同步 电机
滤波气室
光源 灯丝
切光片
参比气室
工作气室
膜片
红外检测器
放大器
红外气体分析仪结构示意图
红外线辐射光源
➢ 光源一般都由通电加热镍铬丝而得到，可发出波长为 3～10μm的红外线。
探测器能接受整个红外光谱， 那么背景气体的存在以及它对 入射红外线的吸收将导致红外 探测器输出的变化。
b. 背景气体吸收的红外线波长与待测气体有部分重 叠
示意图：
I
待测气 吸收区间
交叉
区间
背景气吸收
区间
a
cb d
λ
吸收波长区间有交叉
影响：
背景气体的存在将影响测量结果
c. 干扰克服方法
➢原理图：
➢ 基本策略:
分析仪、微波分析仪等；
e. 光学式，如红外、紫外等吸收式光学分析仪，光 散射、光干涉式光学分析仪等；
f. 电子光学式和离子光学式，如电子探针、离子探 针、质谱仪等；
g. 色谱式，如气相色谱仪、液相色谱仪等； h. 物性测量仪表，如水分计、粘度计、密度计、湿
度计、尘量计等；
i. 其他，如晶体振荡式分析仪、半导体气敏传感器 等。
切光片
将光源调制成断续的红外辐射线，以便于电气线路中 信号的放大（同步电机带动以8~25赫兹的频率转动）。 常见的切光片的形状有半圆形和十字形两种，如图所 示。
光源1
切光片
光源2
单通片
切光片形状
双通片
气室 气室包括测量气室、参比气室和滤波气室。它们在结 构上基本相同，一般是圆筒型，两端用晶片密封。气室 的内壁光洁度很高，并且要求不吸收红外线、不吸附气 体、化学稳定性好，一般采用铜镀金、玻璃镀金或铝合 金抛光制成。 气室两端的晶片要求不吸收红外线、有高的透光系数、 不易潮解、有足够的机械强度及良好的化学稳定性。常 用的晶片材料有氟化锂、氟化钙、石英及蓝宝石等。
射到红外探测器上的红外线
强度相等，减小光源波动及
红外探测器
环境变化的影响。
红外气体分析原理
待测组分进入工作室。二气 室气体吸收红外能量不同，
二红外探测器获取不同信号。
② 影响因素
参
工
比
作
室
室
红外探测器
红外气体分析原理
主要影响因素：
背景气体对通过气室的红 外线能量的吸收。
主要表现：
背景气体与待测气体具有 不同的吸收波长范围，
c. 扩散式：
特点： ➢ 气体靠扩散方式进入气室
➢ 进入气室的气样存在倒流现象， 存在死区；
➢ 适用于测量质量小的气体
b.对流扩散式：
特点： ➢ 综合了对流式和扩散式的优点， ➢ 避免了气样的倒流， ➢ 保证气样有一定流速
3）测量电路 热导式气体分析仪通常采用桥式测量电路
原理图：
结构特点：
Rm：测量室桥臂 ； Ra：参比室桥臂； ➢ 4个气室安装在同一金属体上， 保证各气室的壁温一致 ；
➢ 热导式分析仪表最常用于锅炉烟气分析和氢纯度分析， 也常用作色谱分析仪的检测器。
➢ 在线使用这种分析仪表时，要有采样及预处理装置。
3.7.2 红外式成分检测 红外线气体分析仪：
根据气体对红外线的吸收特性来检测混合气体中某一组分 含量的检测仪器。 红外线气体成分检测依据： 气体对红外线的吸收特性及产生热效应性质， 1）红外线及气体对红外线的吸收特点 ① 红外线： 波长范围为0.76～1000μm之间的一种电磁波， ② 红外吸收特点： 气体对红外线的波长具有选择性的吸收能力。 不同的气体在特定的不同波长范围内对红外线具有吸收能 力，并且在某些特定的波长范围内对红外线有强烈的吸收。
Rn：tn℃时电阻丝的阻值， R0：0℃时电阻丝的阻值， α：电阻丝的温度系数。
绝缘体
热敏 电阻丝
Rn tc tn L
腔体
电阻丝发热量： Q I 2 Rn
气体散热量 ： Q 2 l(tn tc )
ln(rc / rn )
热平衡关系 ： Q Q
热导池结构
rc：气室内半径； rn：电阻丝半径； l：电阻丝长度
消除波长在交叉段c-b间
滤波
的红外线。
气室
➢ 处理方法：
参
工
比
作
在两个红外线光路上加
室
室
装滤波气室。
红外探测器
滤波气室的应用
注意：
滤波气室应有足够的长度，能将c-d波长段的红 外线能量全部吸收。
➢ 干扰克服原理示意图
a bcd
参
工
比
作
室
室
滤波 气室
检
检
测
测
室
室
放大器
a bcd
a bcd a bcd
⑤单原子分子气体和无极性的双原子分子气体不吸收红 外线；而具有异核分子的大多数气体对红外线具有吸 收能力
2）红外线气体分析仪检测原理
① 基本原理
工作气室通入被测气体，
参比气室中一般充有不吸收
红外线的气体(如N2)或下限气
参
工
体(背景气体)等。
比 室
作 室
参比气室的作用是在待测组
分为零时使经两个气室后照
红外线吸收图谱
③ 朗伯一比尔定律
I I0ek cl
I： 通过被测气体后的光强度； I0：通过被测气体前的光强度； Kλ：待测组分对波长为λ的红外线的吸收系数； c： 测组分的浓度； l： 红外线穿过的被测气体的长度。 即：
红外线通过物质前后的能量变化随着待测组分 浓度的增加而以指数下降；
④ 气体吸收红外辐射后温度上升，气体吸收红外辐射越 多，则温度升高也越多。 若气体的体积一定，则在温度升高的同时，使压力增 加。（能量转换）
2）自动分析系统的构成
自动取样 装置
预处理 系统
传感器 检测器
信息处理 系统
显示仪表
整机自动控制系统
现场成分检测系统基本构成
➢ 自动取样装置： 从生产设备中自动、快速地提取待分析样品；
自动取样 装置
预处理 系统
传感器 检测器
信息处理 系统
显示仪表
整机自动控制系统
现场成分检测系统基本构成
➢ 预处理系统： 采用诸如冷却、加热、气化、减压、过滤等方式对
混合气体中除待测组分外，其他组分的导热导率应 近似相等
待测组分的热导率与其他组分的热导率要有显著差 别
b. 气体的热导率与气体的温度有关： 关系式：
t 0 1 t
其中 λ0：零度时气体热导率； β：一定温度范围内气体热导率的温度系数
常见气体导热系数表
气体名称
空气 氢气 甲烷 氧气 氮气 一氧化碳 氨气 二氧化碳 氩气 二氧化硫
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。 注意：
取样和试样的制备必须注意避免液体试样的分馏作 用或气体试样中某些组分被吸附的情况。
自动取样 装置
预处理 系统
传感器 检测器
信息处理 系统
显示仪表
整机自动控制系统
现场成分检测系统基本构成
➢ 检测器（传感器）： 成分检测仪表的核心，把被测组分的信息转换成电
➢ 辐射光源形式：单光源、双光源
单光源结构
特点： 可以避免两个光源不完 全一致的毛病，但在安 装和调试上比较麻烦；
双光源结构
特点： 双光源的特点与单光 源特点相反。
反射镜
将光源产生的红外线变成一平行辐射线照射到各气室。
反射镜面常做成球形或圆柱形，镜面光洁度达V12， 一般用铜镀金、铜镀铬或铝合金抛光制成。
利用可以连续测定被测物质的含量或性质的自 动分析仪表。
② 成分检测仪表分类 （按测量原理分类）：
a. 电化学式，如电导式、电量式、电位式、电解式、 酸度 计、离子浓度计等；
b. 热学式，如热导式、热谱式、热化学式等； c. 磁学式，如磁氧分析器、核磁共振分析仪等； d. 射线式，如x射线分析仪、γ射线分析仪、同位素
➢ 参比气室内封装被测气体下限 浓度气样 ；
➢ 被测气体组分百分含量与参比 室中的气样浓度相等时，电桥 处于平衡状态。
4）应用特点：
➢ 用两个测量气室可以提高测量电桥的灵敏度，设置参 比桥臂的目的是要减小发送器温度波动对测量的影响，
➢ 电源电压的波动对电桥输出有直接影响。为提高测量 精度，可采用双电桥测量系统。
➢ 被测组分测量：
设被测组分的热导率为λ1，其余组分为背景组分， 并假定它们的热导率近似等于λ2。 并且： C1+C2+…+Cn=1， ∴：
1C1 2 (C2 C3
1C1 2 (1 C1 )
2 (1 2 )C1
被测气体含量
C1
2 1 2
Cn )
注意： a. 利用上式测量的先决条件：
➢ 测量气室 长度与待测组分的浓度大小有关。由朗伯一比尔定律可 知，若待测组分的浓度较低，为提高仪器的灵敏度，可 选用较长的测量气室；反之，应取较短的气室。
➢ 滤波气室 充以背景气。并且应保证其长度足以使通过的两束光 中干扰组分吸收波长的能量被全部吸收。
滤波气室可以用滤光片取代。使用滤光片的优点是仪 器结构可以简化，使用时比较灵活方便，但滤光片制 造工艺复杂，使用上还存在一定的局限性，因此滤波 气室目前仍被广泛使用。
背景气体吸收的红外线波 长范围与待测气体有部分 重叠
a. 背景气体与待测气体具有不同的吸收波长
示意图：
影响效果（两种情况）：
I
待测气吸 收区间
背景气吸 收区间
红外探测器对波长有选择性 如只接收a一b波长段，则背景
气体的存在不影响待测组分的
测量结果；
a bc d λ
具有不同的吸收波长区间
红外探测器对波长无选择性，
热敏电阻丝作用：
通电加热、
导热系数测定敏感元件
原理图
绝缘体
热敏 电阻丝
Rn tc tn L
腔体
热导池结构
检测原理式： ➢ 混合气体热导率定义 :
n
1C1 2C2 nCn iCi i 1
λ: 混合气体的总热导率； λi: 混合气体中第 i 组分的热导率； Ci: 混合气体中第 i 组分的体积百分含量。
例如：
测量烟道气体中的C02含量，已知烟道气体的组分有C02、 N2、CO、S02、H2、O2等。 样品处理：
氢气 氧气 氮气 一氧化碳 二氧化碳 二氧化硫
0.1741 0.0247 0.0244 0.0235 0.0150 0.0084
7.130 1.013 0.998 0.964 0.614 0.344
加装滤波气室后的等效效果示意图
I 待测气 吸收区间
背景气 吸收区间
a cb d
λ
吸收波长区间有交叉
左右两光路上装了同样的滤波气室，消除了吸收交叉 区的影响，保证了作用于两个红外探测器的红外线能量 之差只与待测组分的浓度有关。
3）红外线气体分析仪的分类、组成和应用特点 分类：空间双通道分析仪、时间双通道分析仪
Rn
R0 1 (tc
I 2 ln(rc / rn )
2 l
Rn
)
③ 热导池的不同形式 a.直通式：
特点： ➢ 气室与主气路并列，之间有节流孔， ➢ 反应迅速，滞后小； ➢ 易受气流、压力波动影响。
b.对流式：
特点： ➢ 气室与主气路下端连接，不分流， ➢ 气室与循环管形成一热对流回路； ➢ 反应慢、滞后大； ➢ 气流波动小。
导热系数 λ0 / W／(m·K)
0.0244 0.1741 0.0322 0.0247 0.0244 0.0235 0.0219 0.0150 0.0161 0.0084
相对导热系数 λ0 / λ空气
1.000 7.130 1.318 1.013 0.998 0.964 0.897 0.614 0.658 0.344
信号输出； ➢ 信息处理系统：
对微弱信号进行放大、转换、运算、补偿等处理； ➢ 显示仪表：
给出测量分析结果。 ➢ 动控制系统：
控制各部分的协调工作。
3.7.2 热导式检测技术 主要用于对混合气体中某种成分含量的分析。 常用于分析混合气体中H2、C02、S02等组分的百分 含量。
1）检测原理
热导式气体分析器是利用各 种气体具有不同的导热特性， 通过测量混合气体的导热系数 的变化，间接获得待测组分的 含量。