第11章气体组分测量与分析

State Key Laboratory of Engines, Tianjin University
第六节
黑烟测量技术：
烟度测量
一是以其中的烟气含量(烟度)为测量对象；二是以其中的粒状 物质组分及其含量(颗粒排放)为测量对象。
烟度的测量方法主要有两类：
①透光度法：利用烟气对光的吸收作用，即通过测量光从烟气 中的透过度来确定烟度的，仪器主要有哈特里奇烟度计和PHS 烟度计。 ②滤纸法： 先用滤纸收集一定量的烟气，再通过比较滤纸表 面对光的反射率的变化来测量烟度，也称反射法，仪器主要有 波许烟度计，冯布兰式烟度计。
取样方法：
取样的方法有很多种，如直接取样法（Direct Sampling）、全 流取样法（Full Flow Sampling）、比例取样法（Proportional Sampling）、定容取样法（Constant volume Sampling,CVS） 等，应根据被测气体的特性和分析仪器的具体要求来选。 取样点设置： 一般要求取样点设在燃烧过程已结束且不存在气体分层、停滞 和循环流动的位置，同时还要考虑取样装置能承受取样点处的 温度。
NO2的测量主要是化学发光法，其仪表称为化学发光检测器。 化学发光法是利用 NO-O3 反应体系的化学发光现象测量 NOX 的 ，化学发光法仅能测量 NO的浓度，可将NO2用加热的方法还原 为NO后再测量，得到NOX的浓度。
一.测量原理
NO和O3反应中的过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时，会发射波长范围为0.63 μm的光子(hv)—近红外线，这种化学发光的反应机理可描述为：
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色谱分析过程：
①流动相流经固定相时 ,不同成分被固定相分离，然后依次进入 检测室。 ②在检测室内，按进入检测室先后顺序对各单一成分进行测量 , 测量结果按时间顺序输出 ,形成一组以时间为横轴的信号组，即 为色谱图。
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b) 固定相（色谱柱）
固定相内填充在色谱柱中的物质，一般根据被测组分加以选择。 色谱柱通常用玻璃或者不锈钢管制成。气-固色谱常用于粒状的 氧化铝、硅胶、活性炭、分子筛和高分子多孔微球体作为固定 相；气-液色谱采用的固定相有硅油、液态石蜡、聚乙烯乙二醇、 甘油等。
* NO O3 NO2 O2
* NO2 NO2 hv
H为普朗克常数,v为光子频率
反应体系的发光强度I与NO和O3的浓度成正比。即： I k[ NO] [O3 ] 当O3的浓度充分大至可以忽略其浓度的变化时：
I k[ NO]
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一.哈特里奇烟度计
特点：
响应快、能够实现连续测量， 但光学系统容易受到污染 ， 使用时必须注意清洗。
注意：
这种烟度计通常采用控制取 样压力（如不低于500Pa）的 方法来使排放气体导入量保 持一定，以保证烟度测量值 不受被测对象的排放气体总 流量及流速的影响。
二.化学发光分析仪
化学发光分析仪简图 化学发光法测量N0和N02的流程
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注意：
为了提高测量N0X含量的灵敏度和精确度，在尽量增大O3含量的 同时，还必须注意滤除或排斥样品中其他组分的干扰，这些干 扰因素包括C2H4组分与O3反应所产生的发光光谱、N02能量被 CO2和H20等组分转移而产生的淬灭(发光消失)现象等。 对于前一种干扰，可以采用在光电倍增管前布置滤光器的方法 滤除；但要减小后一影响，则必须在取样时对有关组分进行过 滤。 另外，由于转化器的效率直接影响到测精度，因此使用时应注 意检查，当其转换效率低于90%时就必须更新。
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2.氢火焰电离检测器(广泛用于检测HC)
HC组分中的C原子在缺氧的扩散型火焰中变成 C离子，并产生相 应数量的电子。在火焰附近布置有两个电极，其上施加有100V— 300V的电压。 在该电场的作用下，C离子飞向负极，电子飞向正极，在回路中 形成电流，该电流的大小与HC组分中所含C原子的数目成正比。
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第二节
色谱分析仪
一.色谱法原理
原理： 被分析的混合物在流动气体或液体（称流动体）的推动下，流 经一根装有填充物（称固定相）的管子（称色谱相），由于固 定相对不同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，各种组分在流动相和固定相中形成的含量分配关 系不同，最终导致从色谱柱流出的时间不同，从而达到组分分 离的目的。 分类： 色谱分析为液态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。
c) 检测器
色谱柱分离出来的各种组分被栽气依次送入检测器，由检测器 完成其含量测定。 热导检测器、氢火焰电离检测器、电子捕获型检测器、焰光光 度检测器等。
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d)色谱图:
是记录按时间先后次序的一组峰值信号的图。各峰值信号曲线 与横轴所围面积与总曲线与横轴所围面积之比即为该气相对应 成分的组分。
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三.组分的定性分析
原理：利用色谱进行混合组分判别的基本依据是色谱峰图。 1、保留时间分析 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 要的时间，反映组分在色谱柱中滞留的时间长短。 不同组分在保留时间上的显著差别是组分分离的必要条件。组 分与保留时间之间的一一对应关系正是进行组分定性分析的基 础。 2、加入纯物质比对分析 通常用来判别混合物中是否含有某种特定的组分。具体做法是： 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， 如果原来图中某一峰值在新图中获得增高，则说明被测混合物 中含有特定组分；如果出现原图中没有的峰值，则说明被测混 合物中不含特定组分。
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第四节
氧含量测量
一.氧化锆氧气分析仪的基本工作原理
原理：氧化锆氧量分析仪是利用氧化锆浓差电池所形成的氧浓 差电动势与氧含量之间的量值关系进行氧含量测量的。
1.氧化锆固体电解质导电机理
电解质溶液依靠离子导电。某些固体也具有离子导电的性质。 氧化锆是一种固体电解质。纯氧化锆基本上不导电，但参杂了 一些氧化钙、氧化钇等稀土元素后，具有高温导电性。
温度补偿： 氧化锆管的外围安装电热丝，并用热电偶及温度调节器进行温度 控制。采用温度补偿式测量系统，根据测定的氧化锆工作温度， 在仪表测量电路中对氧浓差电动势的输出进行相应的补偿。
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第五节
氮氧化物浓度的测量
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第三节
一.基本原理
红外气体分析仪
气体对红外辐射的反应： 除单原子气体和具有对称分子结构的双原子气体（如 H2，N2， O2 等 ) 外 , 具有不对称分子结构的双原子气体（如 CO ， CO2 ， H2O等),都具有吸收红外光的能力,不同气体还有其特定波长的吸 收带（波段）。 实际上，可以采用不分光的方法，通过测量特定吸收带内待测 组分对红外辐射的吸收程度来确定其含量。这种不分光测量方 法的理论基础是比尔(Bill)定律：
I0—入射强度 I—经吸收后的透射强度 kλ—气体对λ波长的红外辐射的吸收系数，常数。 c—气体浓度 l—透射过的气体厚度
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二.不分光红外线气体分析仪
结构: 包括红外辐射光源、反射镜、测量室、滤光器、光电检测 器、参比室等。 红外光源 10 发射的红外辐 射经抛物面反射镜1反射， 聚成平行的红外光束，该 红外光束通过扇行板截光 器 2( 由电动机带动 ) 调制， 以一定的频率交替地通过 参比室 9 和测量室 4 ，然后 分别经反射镜6和整体滤光 器 7( 干涉滤光片 ) 投射到半 导体检测器8上。
热能与动力机械 测试技术
天津大学机械学院 内燃机燃烧学国家重点实验室
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第十一章
第一节 第二节 第三节
气体组分测量与分析
概述 色谱分析仪 红外气体分析仪
本章主要内容
第四节
第五节 第六节
学习要求：
氧含量测量
2.氧化锆探头结构原理
在掺有氧化钙的氧化锆固体电解质两侧，烧结一多孔铂层，并 焊上铂丝引线构成电极，形成一氧浓差电池。于是发生如下反 应。
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最终扩散作用与电场作用达到平衡， 两个电极间出现电位差E，这就是氧 浓差电势。氧浓差电势计算公式为: