成分分析仪表

9.1 成分检测方法及系统构成 1）方法及仪表分类 ① 检测方法 实验室分析方法：
定期取样，通过实验室测定组成及含量 现场实时检测方法：
利用可以连续测定被测物质的含量或性质的自 动分析仪表。
② 成分检测仪表分类 （按测量原理分类）：
a. 电化学式，如电导式、电量式、电位式、电解式、 酸度 计、离子浓度计等；
控制各部分的协调工作。
9.2 热导式检测技术
主要用于对混合气体中某种成分含量的分析。 常用于分析混合气体中H2、C02、S02等组分的百分含量。
常见气体导热系数表
气体名称
空气 氢气 甲烷 氧气 氮气 一氧化碳 氨气 二氧化碳 氩气 二氧化硫
导热系数 λ0 / W／(m·K)
0.0244 0.1741 0.0322 0.0247 0.0244 0.0235 0.0219 0.0150 0.0161 0.0084
b. 热学式，如热导式、热谱式、热化学式等； c. 磁学式，如磁氧分析器、核磁共振分析仪等； d. 射线式，如x射线分析仪、γ射线分析仪、同位素
分析仪、微波分析仪等；
e. 光学式，如红外、紫外等吸收式光学分析仪，光 散射、光干涉式光学分析仪等；
f. 电子光学式和离子光学式，如电子探针、离子探 针、质谱仪等；
g. 色谱式，如气相色谱仪、液相色谱仪等； h. 物性测量仪表，如水分计、粘度计、密度计、湿
度计、尘量计等；
i. 其他，如晶体振荡式分析仪、半导体气敏传感器 等。
2）自动分析系统的构成
自动取样 装置
预处理 系统
传感器 检测器
信息处理 系统
显示仪表
整机自动控制系统
现场成分检测系统基本构成
➢ 自动取样装置： 从生产设备中自动、快速地提取待分析样品；
c. 扩散式：
特点： ➢ 气体靠扩散方式进入气室
➢ 进入气室的气样存在倒流现象， 存在死区；
➢ 适用于测量质量小的气体
b.对流扩散式：
特点： ➢ 综合了对流式和扩散式的优点， ➢ 避免了气样的倒流， ➢ 保证气样有一定流速
3）测量电路 热导式气体分析仪通常采用桥式测量电路
原理图：
结构特点：
Rm：测量室桥臂 ； Ra：参比室桥臂； ➢ 4个气室安装在同一金属体上， 保证各气室的壁温一致 ；
相对导热系数 λ0 / λ空气
1.000 7.130 1.318 1.013 0.998 0.964 0.897 0.614 0.658 0.344
1、检测原理 热导式气体分析器是利用各种气体具有不同的导
热特性，通过测量混合气体的导热系数的变化，间 接获得待测组分的含量。
检测原理式： 混合气体热导率定义 :
Rn：tn℃时电阻丝的阻值， R0：0℃时电阻丝的阻值， α：电阻丝的温度系数。
绝缘体
热敏 电阻丝
Rn tc tn L
腔体
电阻丝发热量： Q I 2 Rn
气体散热量 ： Q 2 l(tn tc )
ln(rc / rn )
热平衡关系 ： Q Q
热导池结构
rc：气室内半径； rn：电阻丝半径； l：电阻丝长度
t 0 1 t
其中 λ0：零度时气体热导率； β：一定温度范围内气体热导率的温度系数
例如：
测量烟道气体中的C02含量，已知烟道气体的组分有C02、 N2、CO、S02、H2、O2等。 样品处理：
氢气 氧气 氮气 一氧化碳 二氧化碳 二氧化硫
0.1741 0.0247 0.0244 0.0235 0.0150 0.0084
自动取样 装置
预处理 系统
传感器 检测器
信息处理 系统
显示仪表
整机自动控制系统
现场成分检测系统基本构成
➢ 预处理系统： 采用诸如冷却、加热、气化、减压、过滤等方式对
采集的分析样品进行适当的处理，为分析仪器提供符 合技术要求的试样。 注意：
取样和试样的制备必须注意避免液体试样的分馏作 用或气体试样中某些组分被吸附的情况。
n
1C1 2C2 L nCn iCi i 1
λ: 混合气体的总热导率； λi: 混合气体中第 i 组分的热导率； Ci: 混合气体中第 i 组分的体积百分含量。
➢ 被测组分测量：
设被测组分的热导率为λ1，其余组分为背景组分， 并假定它们的热导率近似等于λ2。 并且： C1+C2+…+Cn=1， ∴：
自动取样 装置
预处理 系统
传感器 检测器
信息处理 系统
显示仪表
整机自动控制系统
现场成分检测系统基本构成
➢ 检测器（传感器）： 成分检测仪表的核心，把被测组分的信息转换成电
信号输出； ➢ 信息处理系统：
对微弱信号进行放大、转换、运算、补偿等处理； ➢ 显示仪表：
给出测量分析结果。 ➢ 自动控制系统：
热导池的结构。
绝缘体
热敏 电阻丝
➢ 一个开有气体样品进出口的垂直
放置的气室 (上出下进)，
Rn tc tn L
腔体
热导池结构
➢ 中心装有一根热电阻丝（敏感元 件），
➢ 电阻丝两端用铂铱弹簧作连接引 线，以防电阻丝热胀冷缩，产生 形变影响阻值。
② 热平衡关系推导 热电阻特性：
Rn R0 (1 tn )
7.130 1.013 0.998 0.964 0.614 0.344
ห้องสมุดไป่ตู้
S的0背2、景H气2热体导热率导相率差相太近大。，应进行预处理除去。剩余 待所测以组可分用（热C导O法2）进与行其测他量组分的热导率有显著差别，
2）热导检测器 ① 热导池
热导式气体检测器的核心（检测器）。
热导池的作用：
将气体的导热系数的大小及其变化转换成热导池中热 电丝的电阻值的变化，以利于测量。
1C1 2 (C2 C3 L Cn )
1C1 2 (1 C1 )
2 (1 2 )C1
被测气体含量
C1
2 1 2
注意： a. 利用上式测量的先决条件：
混合气体中除待测组分外，其他组分的导热导率应 近似相等
待测组分的热导率与其他组分的热导率要有显著差 别
b. 气体的热导率与气体的温度有关： 关系式：
Rn
R0
1 (tc
I2
ln(rc /
2 l
rn )gRn
)
③ 热导池的不同形式 a.直通式：
特点： ➢ 气室与主气路并列，之间有节流孔， ➢ 反应迅速，滞后小； ➢ 易受气流、压力波动影响。
b.对流式：
特点： ➢ 气室与主气路下端连接，不分流， ➢ 气室与循环管形成一热对流回路； ➢ 反应慢、滞后大； ➢ 气流波动小。