《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(电子课件)第10章 排放测量(吴老师)

加入纯物质比对分析法

10.3 红外气体分析技术
10.3.1 红外气体分析原理

基本原理：对于具有非对称分子结构的气体，如CO、CO2、H2O、NO等， 在红外区均有特定的吸收带（波段）。这种特定的吸收带对于某一种分 子是确定的、标准的，其特性如同“物质指纹”。也就是说，根据特定
的吸收带，可以鉴别分子的种类。
10.5 颗粒物排放测量
10.5.1 烟度测量

哈特里奇（Hartridge）烟度计
透光式烟度计。不仅能够测量碳烟的烟 度，而且能够测量排气中水气和油雾等 成分形成的烟气烟度，如内燃机冷车起 动时产生的白烟或蓝烟等。特点是响应 快、能够实现连续测量，但光学系统容 易受到污染，使用时须注意清洗。此外， 当被测对象（如内燃机）的排放气体流 速变化时，如果不对取样压力加以控制， 会引起测量管中排放气体导入量的变化， 影响测量精度。因此，常采用控制取样 压力的方法来使排放气体导入量保持一 定，以保证烟度测量值与被测对象的排 放气体总流量及流速无关。

颗粒物测量技术发展方向

基于宏观表现的测量，如烟气浓度（烟度）的测量 颗粒物的成分、质量、数量、粒径分布 等的测量
10.5 颗粒物排放测量
10.5.1 烟度测量


测量方法 滤纸法：用滤纸收集一定量烟气，比较滤纸表面对光反射率的变化 透光度法：利用烟气对光的吸收作用，测量光从烟气中的透过度 博世（Bosch）烟度计

不分光红外气体分析仪NDIR

测定混合气体中某种已知组分的含量，测定特定吸收带内待测组分 对红外组分的吸收程度。 工作原理－比尔（Beer）定律

I = I0 exp(-kλ c l)

当入射的红外辐射强度以及待测组分的种类和厚度一定时，透射 的红外辐射强度E仅仅是待测组分摩尔百分比浓度c的单值函数
10.4 常用组分浓度测量技术
10.4.3 氮氧化物浓度检测

化学发光法

化学发光法测量NO和NO2的流程示意图
测定NO2时，需要先把NO2还原为NO，再进行测量。当被测样品经过转化 器时，测量的结果为样品中NO与NO2之和的浓度；当被测样品不经过转化 器时，测量的结果只是NO的浓度
10.4 常用组分浓度测量技术
10.3 红外气体分析技术
10.3.2 典型红外气体分析仪结构
红外光源发射的红外辐射经抛物面发射镜 反射，聚成平行的红外光束，通过扇形板 截光器（由电机带动）调制，以一定的频 率交替地通过参比室和测量室，然后分别 经反射镜和整体滤光器（干涉滤光片）投 射到半导体红外检测器上。参比室内封有 称为比较气体。测量室通以被测混合气体 ， 当含有待测组分的被测气体流经测量室时， 由于对特定波段红外辐射的吸收作用，透 过测量室的辐射通量减弱，减弱的程度取 决于被测气体中待测组分的浓度；而透过 参比室的辐射通量始终保持不变的，半导 体检测器接收到的是交变的红外辐射。显 而易见，交流输出信号的幅值随待测组分 浓度的变化而变化

常作为测定HC排放总量（THC）的标准检测器
10.4 常用组分浓度测量技术
10.4.3 氮氧化物浓度检测

高浓度条件下可以用NDIR法精确测定，但使用不便
化学发光法：利用NO-O3反应体系的化学发光现象测量NOx，只能直接测
量NO。但通过适当的转化，也可将NO2先还原为NO再测量

基本原理：NO和O3在反应室中混合后将产生化学反应，反应中的过

10.4 常用组分浓度测量技术
10.4.4 氧含量检测

带温度补偿的氧化锆氧量分析仪测量系统 4 3 2 5 1
÷ ＋
6
7
8
10
9
1— 氧化锆传感器 2— 阻抗转换器 3— 放大器 4— 除法器 5— 倒向器 6— 线性化器 7— 电信号转换器 8— 显示记录装置 9— 加法器 10— 补偿热电偶
剩能量促成了激发态NO2*分子的产生。激发态NO2*分子在跃迁到基
态而趋于稳定的同时，会发射波长范围为0.6～3μm的光子
NO O3 NO2* O2 NO2* NO2 hv
化学发光强度与反应物浓度NO和O3的体积分数成正比
I k[ NO][O 3 ]
通过检测发光光强I就可以确定被测浓度
10.5 颗粒物排放测量

颗粒物：悬浮于空气中的细小的固体或液体颗粒，热能和动力机械燃烧 过程排放重要的组成部分

颗粒物测量技术应用

环境污染的监测 用于燃烧过程的研究。

颗粒物成分： 所含成分十分复杂，与燃料种类及其燃烧条件有关。如内 燃机排放气体中的黑烟，除碳质成分（碳烟）外，还含有硫酸雾等液体 成分、各种金属和盐类微粒、多环芳香烃等高沸点有机成分等。
10.4.4 氧含量检测

氧化锆氧量分析仪的基本工作原理：利用氧化锆浓差电池所形成的氧浓 差电势与O2含量之间的量值关系进行氧含量测量

氧化锆＝普通氧化锆(ZrO2)＋低价氧化物，Zr+4被置换成氧离子空穴 氧化锆＋高温800℃＝良好的氧离子导体
当氧离子通过氧化锆中的氧离子空穴，从 浓度高的参比侧向浓度低的测量侧迁移时， 两电极上将产生如下反应
第10章 排放测量
10.1 概述
10.2 色谱分析仪
10.3 红外气体分析技术 10.4 常用组分浓度测量技术 10.5 颗粒物排放测量 10.6 排放测量采样方法
10.1 概述

目的：燃烧过程监测与控制、产物生成机理、有害排放物控制等。 排放种类

气态排放物： CO、HC、NOx、SO2、CO2、O2等 固态排放物：颗粒物

参比室内纯载气的热传导性能确定不变，测量室内被测气体的热传 导性能随被测组分浓度改变而变化，即参比室和测量室内气体热传 导性能的差别大小（R3和R1的差别大小)与被测组分浓度有关。 采用双臂测量电桥（R4和R2分别置于参比室和测量室内）可提高灵 敏度

10.4常用组分浓度测量技术
10.4.2 碳氢化合物浓度检测

保留时间分析法

保留时间：被测组分开始进入色谱柱到流出色谱柱后出现浓度最 大值所需的时间，反映组分在色谱柱中滞留的时间长短。 基本原理：不同组分在保留时间上差别显著，当相关条件不变时， 同一组分的保留时间相同，组分与保留时间之间一一对应 将实测保留时间与已经建成的组分-保留时间数据库进行比较 用来判别混合物中是否含有某种特定的组分 首先测取被测混合物的色谱峰图，然后在被测混合物中加入特定 组分的纯物质，测取新的色谱峰图。比较前后两幅色谱峰图，如 原图中的某一峰值在新图中获得增高，说明被测混合物中含有特 定组分；如在新图中出现了原图中不存在的峰则说明被测混合物 中不含特定组分
滤纸式烟度计。抽气泵从排气中抽取固 定容积的气样通过装在夹具上的滤纸， 使碳烟沉积在滤纸上。抽取的气样数量 （容积）恒定，故滤纸被染黑的程度能 反映气样中所含碳烟的浓度。 当光源的光线射向滤纸时，一部分光线 被滤纸上的碳烟所吸收，另一部分被反 射到环形光电管，使光电管产生光电流， 光电流的大小反映了滤纸反射率的大小， 而反射率决定于滤纸的黑度。 烟度的分度方法： 0为洁白滤纸的黑度，10为全黑滤纸的黑度，显示仪表按 洁白与全黑两种滤纸作用下产生的光电流进行线性分度
1,6—反射镜 2—扇形板 3,5—窗口 4—测量室 6—反射镜 7—整体式滤光器 8—半导体检测器 9—参比室 10—红外辐射光源 11—电磁离合器 12—电机
10.4常用组分浓度测量技术
10.4.1 CO和CO2浓度测量

热导检测器：利用热传导性能随被测气体组分浓度改变而变化的原理， 常用热传导系数较大的H2或He作为载气
10.2 色谱分析仪
10.2.1 色谱分析仪的基本原理

气相色谱分析仪的系统组成和工作流程
载 气 源 压力 流量 调节 进 样 器 色 谱 柱
检 测 器
放 大 器
显示记录装置 或 信号分析处理 系统

载气： 载气的选择与被测组分以及检测器类型有关，通常选用惰性 大、不被固定相吸附或溶解、不同于被测组分，且在检测器中与被 测组分的灵敏度相差较大的气体，如H2、He及Ar等
使用时应保证这一条件成立
10.4 常用组分浓度测量技术
10.4.4 氧含量检测

氧化锆氧量分析仪测量系统

氧化锆管的结构形式
1— 氧化锆管

（a) 无封头式 (b) 封头式 2— 外铂电极 3— 内铂电极 4— 电极引出线
按氧化锆管的安装方式分有直插式和抽出式

抽出式测量系统具有抽气和净化功能，对保护氧化锆管有利，同 时，氧化锆管处于稳定的工作温度（800℃）下，测量精度较高。 结构复杂，较少采用 直插式测量系统结构较简单，系统的响应性能较好

氢火焰电离检测器：质量含量检测器，对无机组份不灵敏，主要用于有 机组份的测量

工作原理：HC在火焰中的电离现象。被测气体、载气与H2的混合气 体在空气助燃下由电热丝点燃。在燃烧火焰中HC产生离子和电子， 其数目随HC所含C原子数目的增加而增加。这些离子和电子在周围 电场（收集电极与底电极间加有100～300V的电压）的作用下，按一 定的方向运动而形成电流，电流的大小即反映HC组份的含量。

组分分离
被分析的混合物（试样）在流动气体或液体（称流动相）的推 动下，流经一根装有填充物（称固定相）的管子（称色谱柱）， 由于固定相对不同的组分具有不同的吸附或溶解能力，因此， 混合物经过色谱柱后，各种组分从色谱柱流出的时间不同，从 而达到组分分离的目的。
根据不同的流动相物态，色谱分析分为液相色谱分析和气相色 谱分析两种。前者用液体作为流动相，后者用气体作为流动相， 通常称气体流动相为载气。 色谱柱中的固定相也有两种状态，即固态和液态，因此，以气 相色谱为例，有气－固色谱和气－液色谱之分。前者利用固 态充填物对不同组分吸附能力的差别进行组分分离，后者则利 用液态充填物对不同组分溶解度的差别实现组分分离。