成分检测仪表

N
N 加热线圈
O2
O2 O2
O2 磁风
S
S 热磁对流
测量仪表的结构
三 测量仪表的结构与工作原理：
仪表的工作过程
磁风的大小将改变中间通道中的散热条件，磁风越 大则散热量越大，环形管中的温度越低。温度的变化 将直接导致管壁上铂电阻加热丝的阻值发生变化，
由于冷风先经过R1因此R1的温度低于R2的。R1和R2 的电阻将发生变化，电桥的平衡被破坏。因此电桥的 不平衡信号可以反应被测气体中的含氧量。
静态质谱仪，动态质谱仪等
核磁共振波谱仪，电子顺磁共振波谱仪 共振波谱仪等 晶体振荡分析仪，气敏式分析仪，化学变色分析仪等
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常用气体的红外线强吸收波长
气体名称 二氧化碳
分子式 强吸收波长 2.7,4.26,14.5
一氧化碳
4.65
二氧化硫
7.35
二氧化氮
6.2
氨气
10.4
一氧化氮
5.2
气体名称 分子式 强吸收波长
热磁式分析仪，热力机械式分析仪等
光电比色分析仪，红外吸收分析仪，紫外吸收分析仪，光干 涉分析仪，光散射式分析仪，分光光度分析仪，激光分析仪 等
X射线分析仪，电子光学式分析仪，核辐射式分析仪，微波 式分析仪等
电导式分析仪，电量式分析仪，电位式分析仪，电解式分析 仪，氧化锆氧量分析仪，溶解氧检测仪等
气相色谱仪，液相色谱仪等
在正极一个氧分子从多孔铂电
极上获取4个电子成为2个负氧离
P1
P2
子并在扩散效应的驱动下进入氧
O2
O 2
O2
化锆。
O2 ( p2 ) 4e 2O2
O2
O 2
在负极负氧离子在扩散效应的
O2
驱动下离开氧化锆，离开时2个 负氧离子失去4个电子并结合成
ZrO 2
一个氧分子进入P1侧。
铂电极
2O2 4e O2 ( p1)
氧离子在扩散力驱动下对电子的搬运作用在铂电极上形成浓差电 势，当电极电场对负离子的阻碍作用与扩散作用平衡时电势稳定。
氧化锆氧量计
氧浓差电势E的大小可以用能斯特方程描述
E RT ln p2 其中R和F为常数，T为绝对温度， nF p1 n （ 4 氧携电子数）, p1 p2为氧分压
若电极两侧的压力均为 p则有：
km ko2qo2 ks 1 qo2
由于氧气的 ko2远高于混合气体中其他气体的 ks 所以： km ko2qo2
磁风的形成
二 磁风的形成
另一方面，顺磁性物质的磁化率 k 与绝对温度的平
方T 2成反比:
k /T2
在外磁场作用下顺磁性气体能被磁场吸引，而逆磁性
气体能被磁场排斥。吸引或排斥的力与磁化率成正比。
p1 / p V1 /V 1 p2 / p V2 /V 2
E RT ln p2 / P RT ln 2 nF p1 / P nF 1
当以空气作为参比时电势E为：
E RT ln 20.8 0.49615 10 4T lg 20.8
nF 1
1
氧浓差电势与氧含量的关系
含氧量 磁风 两侧温差 电桥信号
氧化锆氧量计
一、气体扩散与浓差电池
O2 30% N2 70% H2 20% O280%
N2

H2
O2
气体扩散
气体扩散的强度与气体的温度T、压力P以及浓度差 有关，当T、P恒定时则只与浓度差有关。
氧化锆氧量计
要根据扩散原理测量氧含量就需要一种对氧有选择性的材料， 它只能透过氧，而且可将氧的扩散强度转化为电信号。
（％） （mV）
1.00
73.20
1.10
70.91
1.20
68.79
1.30
66.85
1.40
65.06
1.50
63.39
1.60
61.82
1.70
60.36
1.80
58.97
1.90
57.67
由氧化锆和氧化钙以及氧化铱 混合成的固态电解质具有传导氧 离子的特性。
当温度在600～850度之间时氧 O2 化锆可以通过氧离子，温度超过 850度会烧坏氧化锆传感器。
在氧化锆两侧烧结一层多孔的 O2 铂电极就可以制成所谓的氧浓差 电池。
O 2
O2
O 2 O2
ZrO 2
铂电极
氧化锆氧量计
氧浓差电池的工作原理如下：
氧量分析仪表
氧量分析仪表
在现代生产过程中，尤其是在燃烧和氧化反应过程 中，以及在空气分离、安全保护和粮食果品储存等方 面，准确测量和严格控制混合气体中的含氧量对工业 生产有着十分重要的意义。
一 热磁性氧气分析仪表
二 氧化锆氧量计
热磁性氧气分析仪表
一 气体的磁化原理：
在外磁场作用下任何物质均可被感应磁化，并在 其内部产生附加磁场。此时物质中的磁感应强度 B正 比于外磁场强度H和附加磁场强度 H之和。
甲烷
3.3,7.7
乙炔
13.7
乙烯
10.5
硫化氢
7．6
水气
2．6～10
红外式气体成分检测仪表
根据气体对红外线的强吸收特性，利用 传感元件测量红外辐射能以测量气体成份。 Bell定律： I0 Ii exp (kcl)
近似式： I 0 I i (1 kcl)
I 0 为透射后的光强度 I i 为入射光强度
B 0 (H H )
而H 和H成正比
H kH
B 0 (1 k )H B H
0为真空中介质的磁导率， 为介质的绝对磁导
率。磁化率 k 0 者称为顺磁性物质，否则者 k 0
称为逆磁性物质。而在所有气体物质中氧是顺磁性最 强的物质。
常见气体磁化率表
设有 n 种气体混合，总磁化率为 km ，总体积 qm 1 则：
过程控制与自动化仪表
主讲教师：赵 跃
第六节化学成分检测仪表
一 红外式气体成分检测仪表 二 氧量分析仪表 三 气相色谱分析仪
化学成分检测仪表的种类
检测方法 热学方法 磁力方法 光学方法
射线方法
电化学方法
色谱分离方法 质谱分析方法 波谱分析方法 其它方法
仪表名称
热导式分析仪，热化学式分析仪，差热式分析仪等
红外式检测满足的条件： 1）存在吸收峰；2）与其他气体无化学反应；3）去除 干扰气体；4）c较大时，l 应较小
红外式气体成分检测仪表
光源→平行光束→切光片→光脉冲 →滤波气室→吸收干扰组分→两室 能量差→监测室→压差→电容变化 →正比于被测组分的含量。
不足：1）不能保证线性；2）不 能检测双原子分子(如氧气、氯气） 和单原子分子（如氩气）气体；3） 一台仪表只能测一种被测气体。