第七章 在线分析仪表

第七章在线分析仪表

第一节概述

一、基础知识

分析仪器是用以测量物质（包括混合物和化合物）成分和含量及某些物理特性的一类仪器的总称。用于实验室的称为实验室分析仪器，用于工业生产过程的称为过程在线自动分析仪表，也称为流程分析仪器。

二、过程分析仪表的组成

一般的分析仪表主要由四部分组成，其原理框图如下图所示，各部分功能如下：

1．采样、预处理及进样系统

这部分的作用是从流程中取出具有代表性的样品，并使其成分符合分析检查对样品的状态条件的要求，送入分析器。为了保证生产过程能连续自动地供给分析器合格的样品，正确地取样并进行预处理是非常重要的。如果忽视这一点，往往会使仪器不能正常工作。采样、预处理及进样系统一般由抽吸器、冷藏器、机械夹杂及化学杂质过滤器、干燥器、转化器、稳压器和流量指示器等组成。必须根据被分析的介质的物理化学性能进行选择。

2.分析器

分析器的功能是将被分析样品的成分量（或物性量）转换成可以测量的量。随着科学技术的进步，分析器可以采用各种非电量电测法中所使用的各种敏感元件，如光敏电阻、热敏电阻及各种化学传感器等。

3．显示及数据处理系统

用来指示、记录分析结果的数据，并将其转换成相应的电信号送入自动控制系统，以实现过程自动化。目前很多分析仪器都配有微机，用来对数据进行处理或自动补偿，并对整个仪器的分析过程进行控制，组成智能分析仪器仪表。

4．电源

对整个仪器提供稳定、可靠的电源。

三、取样与预处理系统

安装在生产流程中的分析仪表是否能正常地工作，很大程度上取决于取样预处理系统性能的好坏。

取样预处理系统包括取样、输送、预处理（清除对分析有干扰的物质，调整样品的压力、

流量和温度等）以及样品的排放等整个系统。对取样、预处理系统的要求：（1）使样品从取样点流到分析器的滞后时间最短；

（2）从取样点所取的样品应具有代表性，即与工艺管道（或设备）中的流体组分和含量相符合；

（3）能除去样品中造成仪器内部及管线堵塞和腐蚀的物质，以及对测量有干扰的物质，使处理后的样品清洁干净，压力、温度和流量均符合分析仪器工作要求。

四、过程分析仪表的主要技术特性与选择

过程分析仪表按工作原理可分为磁导式分析器、热导式分析器、红外线分析器、工业色谱仪、电化学式分析器、热化学式分析器和光电比色分析器等；此外还有超声波粘度计、工业折光仪、气体热值分析仪、水质浊度计及密度式浓度计等。

过程分析仪表的特点专用性强，每种分析器的适用范围都很有限。同一类分析器，即使有相同的测量范围，但由于待测的试样背景组成不同，并不一定都适用。目前我国对过程分析仪表各项技术性能的定义和指标还没有统一的规定，下面的一些基本的和主要的技术性能仅供参考。

1．精度：有微机能及时自动校正零点漂移或由其他原因引起的测量误差，这些仪器的精度可达±0.5％，一般分析仪表精度为±(1～2.5)％，微量分析的分析器精度为±(2～5)％,个别的为±10％或更大。

2．灵敏度：灵敏度是指仪器输出信号变化与被测组分浓度变化之比，比值越大，表明仪器越灵敏，即被测组分浓度有微小变化时，仪器就有较大的输出变化。灵敏度是衡量分析仪器质量的主要指标之一。

3．相应时间

相应时间是表达被测组分的浓度发生变化后，仪器输出信号跟随变化的快慢。一般从样品含量发生变化开始，到仪器相应达到最大指示值的90％时所需的时间即为响应时间。自动分析仪器的响应时间愈短愈好。

五、工业色谱

工业色谱仪由取样系统、分析单元、程序控制器、数据处理装置等部分组成。见下图：

取样系统包括压力调节阀、过滤器、流量控制器、样品温度调节装置和流路切换阀等。其任务是清除试样和载气中可能存在的雾气、油类、水分、腐蚀性物质和机械杂质等，并使进入分析系统的气样及载气的压力和流量保持恒定。

分析单元由色谱柱、检测器、取样阀、色谱柱切换阀等部分组成、其作用是：被分析气样在载气流的携带下进入色谱柱，在色谱柱中各组分按分配系数的不同被先后分离，依存流出，并经过检测器进行测定。

程序控制器按一定的时间程序，对取样、进样、流路切换、信号衰减、零位调整、谱峰记录及数据处理等分析过程发出指令，进行自动操作。

数据处理装置将检测器的输出信号，经过一定的数据处理后进行显示、记录，或通过计算机实现生产过程自动化。

除上述基本部分外，工业色谱仪还应包括一些辅助装置，如供热导检测器用的温压电源，作氢火焰离子化检测器的微电流放大器及恒温箱的控制线路等。

六、氧量分析仪

氧含量分析仪是目前工业生产自动化控制中应用最多的在线分析仪表，主要用来分析混合气体和钢水中的含氧量等。过程氧量分析仪大致可分为两大类。一类是根据电化学法制成，如原电池法、固体电介质法和极谱法等；另一类是根据物理法制成，如热磁式、磁力机械式等。

氧化锆分析仪是一种新型的氧含量分析器。氧化锆是固体电解质，在高温下具有传导氧离子的特性。该氧量分析仪的传感器核心元件是用稳定氧化锆固体电解质材料制作而成的氧化锆管，在600℃以上的温度时，它具有良好的氧离子导电性。锆管两侧均涂覆电极，当两侧的氧浓度不同时，高浓度侧的氧分子获得电极上的自由电子，以离子的形式通过氧化锆离子导体到达低浓度侧，通过电极失去电子，还原成氧分子释放出来。这样锆管两侧就会产生一个氧浓差电势，将其进行适当的换算处理，即可得到被测气体中的氧浓度。

七、工业PH计

PH极又叫酸度计。工业PH计是能连续测量工业流程中水溶液的氢离子浓度的仪器。工业PH计由发送器和测量仪器两大部分组成。发送器由玻璃电极和甘汞电极组成，它的作用是把PH值转换成直流信号。工业PH计的测量仪器一般用电子电位差计即可。

第二节练习题

一．单项选择题

1.氧化锆氧量计的显示仪表必须具有很高的输入阻抗，其原因是氧化锆传感器的（ B ）

A.输出电势太小

B.内阻太大

C.工作温度太高

D.输入—输出特性为非线性

2.电解质溶液的电导率γ的大小和溶液温度的关系是(B)。

A.和溶液温度无关

B.溶液温度越高，使溶液的电导率增加

C.溶液温度越高，使溶液的电导率减少

D.因电解质溶液的种类不同，而有不同的关系

的电导率增加

3、锅炉烟气分析时通常用烟气中的（C ）含量来代表过剩空气系数的大小

A 二氧化碳

B 二氧化硫

C 氧气

4、氧化锆氧量计在使用过程中要保持被测气体的压力（B ）参比气体的压力

A 大于

B 等于

C 小于

二、多项选择

1．下列对氧化锆氧量传感器的工作温度叙述正确的是（AB）

A．应高于600°C B．应恒温°C C．应高于1150°C

D．应低于600°C E．应高于1150°C

2.与氧化锆氧量计传感器输出电势有关的因素是（ACD）

A.氧化锆管的热力学温度T

B.氧化锆管壁的厚度

C.被测气体氧分压P1

D.参比气体氧分压P2

E.电极表面积

三、填空题

1、氧含量分析方法有两种：一种是物理分析法，如磁氧分析器；另一种是电化学法，如

氧化镐分析器。

2、热磁式氧分析器，其检测器的作用是将被检测气体中氧含量的变化转化为热磁对流的变

化，再将其转化为电阻的变化。

3、氧化镐在使用一段时间后，检测器往往会发生老化现象。反映老化程度主要有两个指标：

一是本底电势，二是检测器的内阻。

4、PH计指示电极的电极电位随被测溶液的氢离子浓度变化而变化。并可与参比电极组成原电

池，将PH值转换为豪伏信号。

四、简答题

1、过程分析仪器与实验室分析仪器的区别。

答：

第一，过程分析仪器必须有自动取样和试样预处理系统。

第二，过程分析仪器必须是完全自动化的。

第三，过程分析仪器的精度可以低些，但长期稳定性必须好。

2、热磁式氧分析器在使用中产生测量误差的因素有哪些？

①测量气室有恒温控制。

②加热丝的电源稳定。

③气体流量和压力稳定。

④检测器应水平安装。

3、试说明氧化锆氧量传感器产生氧浓差电势的基本条件。

⑤必须是带有疏空铂电极的氧化锆管制成的传感器。

⑥传感器的材料是氧化锆掺入Y2O3或CaO烧结的陶瓷。

⑦工作温度应大于600℃

⑧氧化锆管两侧存在氧浓度差。

五、计算题（35．已知分析气体与参比气体总压力相同，氧化锆测得烟温为735℃时氧电动

势为15 mV。参比气体

＝20.85%，综合常数为0.0496 mV/K，试求此时烟气含氧量为多少?

2

（8分）

解：设烟气含氧量为x

20.8

15＝0.496×（735＋273.15）lg

X

X＝10.4%

答：烟气含量为10.4%。