第九章 成分分析仪表

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检测仪表与控制装置
第九章 成分参数检测
取样及预处理系统
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第九章 成分参数检测
2. 红外式气体分析仪—光学式气体分析仪器
红外线是什么？一种电磁波，波长介于可见光和无线电波之间。 红 外 线 分 类 ： 用1~25 um的一段光谱。 红外线为什么能够进行成分分析？ 红外线能够对所有气体都进行成分分析吗？ N2 , O2 , Cl2 , H2及各种惰性气体如He, Ne, Ar等，不吸收1 ~25 um的红外波，所以红外线分析仪不能分析这类气体。
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第九章 成分参数检测
•图1
气体对红外吸收示意图
•气体对红外辐射的吸收程度可用比耳－朗伯定律来 表示： E＝E0e-KCl……………………（1） E0:入射光能量 E:透过光能量 K:气体吸收系数 C:气体摩尔浓度或质量/体积浓度 l:气体层厚度
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第九章 成分参数检测
9.1 成分分析方法及分析系统的构成 9.2 几种工业用成分分析仪表
9.3 湿度的检测
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第九章 成分参数检测
成分分析方法及分析系统的构成
成分: 是指混合气体或液体中的各个组分。 成分检测的目的: 确定某一或全部组分在混合气体或液体中所占的百分含量。 以烟气分析为例 1）定量分析烟气成分中所含可燃性气体的量，如CO、H2、 CH 4，从而确定燃烧产物中化学不完全燃烧热损失； 2）定量分析烟气成分中所包含O2 、CO2 、N2 等量，计算过 量空气系数，确定燃烧设备热效率； 3）定量分析烟气成分中所含有害气体，如SO2、NOx等量， 从而采取措施，预防对设备的腐蚀和对大气的污染。
2 C1 1 2
1C1 2 C2 C3 Cn 1C1 2 1 C1 2 1 2 C1
即有：
1 , 2 为已知， 为测定的总的热导率。
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0.0244 二氧化碳 而增大。所以需要保持恒定的温度。 空气 1 0.0161
0.0084
0.658
0.344
0.0244 氮气 t 0 (1 t )
0.998
二氧化硫
为在某一温度范围内气 体的导热系数的温度系 数
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混合气体热导率： 1C1 2 C2 n Cn 其中 1 , 2 , n — 混合气体中各组分的热导率，
C1 , C2 , Cn — 混合气体中各组分的体积百分含量。
若被测组分的热导率为 1 ，其余组分为背景组分，热导率 近似为
源自文库
2 （差别大时需要在预处理时去掉），则
2 C1 1 2
可以得到CO2的体积百分含量。(其中λ1=0.614，λ2=0.992，λ是测定的。)
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第九章 成分参数检测
热导检测器的结构 池体：一般用不锈钢制成。 热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工 的钨丝制成。 参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。 测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧 靠近分离柱出口处。
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第九章 成分参数检测
3.气室
气室包括测量气室、参比气室和滤波气室，它们的构造基本 相同，都是圆筒形，两端用晶片(或称窗口)密封，除了测量 气室带有气体进出口以外，其他气室都是密封的。气室要求 内壁光洁，不吸收红外线，不吸附气体，化学性能要相当稳 定。因此，选用的材料一般为黄铜镀金、玻璃镀金或铝合金 管，且内部表面要抛光。
图2 吸收能量与气体浓度的关系
•上式表明，气体浓度较小时， 当直接或间接测得△E时， 便可知气体浓度C，这就是 红外光吸收的能量△E将与气体 红外气体分析仪的理论基础 浓度有对应的线性关系（图2）。 之一。
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第九章 成分参数检测
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红外线气体分析仪主要由光源、切光片、滤波室、测量室、 参比室、检测室、微机系统 等组成 1-光源； 2-切光片； 3-同步电机； 4-测量气室； 5-参比气室； 6-滤光气室； 7-检测气室； 8-前置放大器； 9-主放大器； 10-记录器 红外线气体分析仪结构原理图
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第九章 成分参数检测
家庭用煤气报警器
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家庭用液化气报警器
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一氧化碳传感器
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汽车尾气分析
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酒精测试仪
呼气管
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（1）将混合气体分成CO2和由N2、CO、SO2、H2、O2组成的背景气体两部分。
（2）混合气体中间SO2和H2的热导率与其他三个气体的热导率相差很大，需要进 行 预处理，将SO2和H2除去。
（3）经过预处理后的背景气体由N2、CO、O2组成，平均热导率为
λ2=（0.998+0.964+1.015）/3=0.992 （4）测定由CO2、N2、CO、O2构成的混合气体的总的热导率λ，再由公式
红外线的另一特点是它的热效应，即它对热能的辐射能力很
强，一个炽热物体向外辐射能量，大部分是通过红外线辐射
出来的。与此相对应，当红外线作用于物质时，红外线的辐 射能被物质所吸收，并转换成其他形式的能量，气体在吸收
红外线的辐射能后就使气体温度升高。利用这种转换关系，
就可以确定物质吸收红外线辐射能的多少，从而可以确定物 质的含量。这是红外线进行成分分析的基础之二。
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检测原理
平衡电桥，右图。 不同的气体有不同的热导系数。 钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值： R参=R测 ; R1=R2 则： R参· 2=R测· 1 R R 无电压信号输出；记录仪走直线（基线）。 进样后，载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍 是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参 考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参≠R测 则： R参· 2≠R测· 1 R R
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2.切光片
切光片是一块90度角的双扇形黑色薄板，它以每秒3.24周 的速度转动，在每一周期中，它对光源的两束光同时地打开两 次，切断（遮住）两次。
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4.红外线辐射能量的检测器 • 红外线辐射能量的检测器种类较多，概 括起来有两类∶ • 薄膜微音器
参比 测量
窗口
• 又称光声式探测器或检测电容器，工作原理 是热辐射使动片两侧检测室的气压变化，造成 动片与固定电极间距离改变，引起电容量变化， 待测 从而达到检测辐射的强度。 气体
物理化学式： 氧化锆氧量计、色谱仪
光学式：
红外、紫外等吸收光式光学分析仪
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第九章 成分参数检测
工业用成分分析仪表
1、热导式气体分析仪--最早的物理式气体分析仪器
气体分析仪，是测量混合气体中某一种气体浓度的仪表。
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第九章 成分参数检测
1.红外线辐射源 光源要求：
①辐射的光谱成分要稳定； ②辐射的能量大部分集中在待测气体特征吸收波段； ③辐射光最好能平行于气室中心入射； ④光源寿命长，热稳定性好，抗氧化性好，金属蒸发 物要少； ⑤光源灯丝在加热过程中不能释放有害气体。 典型的红外线辐射源是由镍铬合金或钨丝绕制成的螺 旋丝，用低电压源加热，温度升至600～800℃之间发 出暗红色光，发射出0.7～7μm的连续波长的红外光。
7.130 1.318 1.013
0.0235 0.0219 0.0150 0.0161
0.964 0.897 0.614 0.658
氨气
二氧化碳
1
氮气
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0.0244
0.998
二氧化硫
0.0084
0.344
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Attention：
0℃时导热 0℃时对空 0℃时导热系数 0℃时对空 气体 气体 气导热系数 系数 气导热系数 1）混合气体中除待测组分外，其余各组分的λ应相同或相近，
0.1741 氢气 否则要进行预处理； 7.130
一氧化碳
0.0235
0.964
2）待测组分的λ与其余各组分的λ要有明显差别，差别越大， 0.0322 1.318 0.0219 0.897 一氧化氮 甲烷 灵敏度越高； 0.0247 1.013 0.0150 0.614 氧气 氨气 3）同一种气体在不同温度下，其λ是变化的，随温度的升高
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•光束通过气体层后被吸收的能 量△E则为 •△E＝E0-E＝E0(1-e-KCl)……(2) •当KCl的数值很小时
第九章 成分参数检测
•∵E-KCl≈1-KCl
•∴△E ＝ E0-E＝E0 (1-e-KCl) • ≈E0 [1-(1-KCl)] • ＝ E0KCl………………(3)
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甲烷传感器
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成分分析方法的分类
第九章 成分参数检测
成分分析方法的两种类型：（1）定期取样 （2）自动分析仪表（连续测定 被测物质的含量或性质） 按测量原理，成分分析仪表可以分为： 化学式： 物理式： 工业酸度计 如热导式、热磁式
例：已知烟道气体的组分有CO2、N2、CO、SO2、H2、O2。其各自的相对热导率 检测仪表与控制装置 第九章 成分参数检测 依次为：0.614、0.998、0.964、0.344、7.130，1.015。试分析该混合气体中CO2的 体积百分含量，给出分析步骤和体积百分含量的表达式。
解：大致步骤如下：
这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。 信号与组分浓度相关。。
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RD型热导式气体分析器
第九章 成分参数检测
RD型热导式气体分析仪品种和规格比较多，结构简单， 使用维护方便，被广泛地用来分析混合气体中的H2、Ar， SO2 ，NH3等气体，实现对工艺过程的监控。 RD-004型氢气分析仪表在化肥厂通常用来分析合成氨 生产过程中氢气的含量。
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检测仪表与控制装置 某些气体在0℃时导热系数（0 ） 0 和相对导热系数（ ）
A0
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气体 氢气 甲烷 氧气 空气
0℃时导热系数 0℃时对空
气导热系数
气体
一氧化碳 一氧化氮
0℃时导热 系数
0℃时对空 气导热系数
0.1741 0.0322 0.0247 0.0244