成分分析传感器

第17章 成分分析传感器
传感器原理及应用
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。
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传感器原理及应用
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
2 1 3 4 5 6 5 7
传感器原理及应用
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
8 9
7-测量室；17-红外探测器；9-放大器
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
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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
RT C0 E ln nF C1
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
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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
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目 录
传感器原理及应用
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
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目 录
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17.7 浓度计 17.8 PH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
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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R1<R2， 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。
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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
第17章 成分分析传感器 ⑵ 外对流式检测器
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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
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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
节流孔 支气管 热敏元件 热敏元件
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。
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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。 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 17.5.2.1 氧化锆固体电解质导电机理 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
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
2
1 烟 气 3 4 5
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1—氧化锆管；2—陶瓷过滤管
温度 调 节 空 器 气 温度 显 示 仪 6
3—铂电极；4—热电偶 5—AI2O3陶瓷管；6—信号线
～
烟 气
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
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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
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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
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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
第17章 成分分析传感器 17.2.2热导检测器
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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
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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
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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
I I 0 e KCL
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I0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I 0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
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
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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
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
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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
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17.5.2.2 氧化锆氧分析仪的检测器 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 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
RT p0 E ln nF p1
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：
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
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氧化锆管组成的一个氧浓差电池 当氧化锆两ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
第17章 成分分析传感器
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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。
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
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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
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
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
传感器原理及应用
(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
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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
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 ⑴ 内对流式检测器
5
传感器原理及应用
1-环形管；2-中间通道 3-显示仪表；4-被测气体入口
NR S
1
R2
1 2
R3
4
3 R4
5-被测气体出口
E Rw
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。
第17章 成分分析传感器
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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