成分分析仪表
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本章将介绍几种常用的自动分析仪表。
9.2 自动分析仪表的基本组成
工业自动分析仪表的基本组成如图9-1所示。
图9- 1 工业自动分析仪表的基本组成
自动取样装置的作用是从生产设备中自动、连续、 快速的提取待分析样品。
预处理系统可以采用诸如冷却、加热、气化、减压、 过滤等方式对所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。
工业用红外线气体分析器有非色散（非分光）型 和色散（分光）型两种型式。
9.3.3 氧化锆氧分析器
氧化锆氧分析器是20世纪60年代初期出现的一种 新型分析仪器。这种分析器能插入烟道中，直接与烟气 接触，连续地分析烟气中的氧含量。这样就不需要复杂 的采样和处理系统，减少了仪表的维护工作量。与磁式 氧分析器相比较，具有结构简单、稳定性好、灵敏度高 、响应快、测量范围宽等特点，广泛用于燃烧过程热效 率控制系统。
检测器（又称传感器）是分析仪表的核心，它可以把 被分析物质的组分或性质转换成电信号输出。
信息处理系统的作用是对检测器输出的微弱电信号做 进一步处理，变为标准信号，将其输出到显示仪表。
显示仪表可以用模拟、数字或屏幕图文显示方式给出 测量分析结果。
整机自动控制系统用于控制各个部分的协调工作，使 取样、处理和分析的全过程可以自动连续地进行。
第9章 成分分析仪表
9.1 成分分析方法及分类 9.2 自动分析仪表的基本组成 9.3 工业常用自动分析仪表
9.1 成分分析方法及分类
成分分析仪表是对物质的成分及性质进行分析的仪表。 使用成分分析仪表可以了解生产过程中的原料、中间产品 及最终产品的性质及其含量。
9.1.1 成分分析方法
成分分析方法分为两种类型，一种是定期取样，通 过实验室测定的实验室人工分析方法；另一种是利用可 以连续测定被测物质的含量或性质的自动分析仪表进行 自动分析的方法。
E ? 4.9615 ? 10?2T lg 20.8
?1
（9-5）
2. 工作条件 (1) 工作温度要恒定，分析器要有温度调节控制的
? ? ? 2 ? (?1 ? ?2 )C1
或
C1 ?
? ? ?2 ?1 ? ?2
（9-2） （9-3）
用热导法进行测量时，应满足以下两个条件： (1) 混合气体中除待测组分外，其余各组分(背景组分) 的导热系数必须相同或十分接近。
(2) 待测组分的导热系数与其余组分的导热系数要有 明显差异，差异愈大，愈有利于测量。
对于彼此之间无相互作用的多种组分的混合气体，它的 导热系数可以近似地认为是各组分导热系数的加权平均值 ，即
n
? ? ? ?1C1 ? ? 2C2 ? … ? ? nCn ? ? nCn i?1
（9-1）
表9-1 气体在0℃时的相导对热系数
气体名称 空气 氢 氧 氮 氦
氧化氢
相对导热系数 1.000 7.130 1.015 0.998 5.91 0.538
物体的导热能力即反映其热传导速率大小，通常用导热 系数或热导率λ来表示。气体的热导率还与气体的温度有关 。导热系数愈大，表示物质在单位时间内传递热量愈多， 即它的导热性能愈好。其值大小与物质的组成、结构、密 度、温度、压力等有关。表 9-1列出了在 0℃时以空气热导 率为基准的几种气体的相对热导率。
பைடு நூலகம்
两个电极间出现的电位差在数值上等于浓度电势E，称 为氧浓差电势，可由能斯特公式确定
E ? RT ln p2 nF p1
（9-4）
假定参比侧与被测气体的总压力均为p（实际上被测气
体压力略低于大气压力），可以用体积百分比代替氧分压。
空气中氧含量一般为20.8%，在总压力为一个大气压情况下
，可以得到E与被测气体氧浓度 ?1 的关系式为
自动分析仪表又称为在线分析仪表或过程分析仪表 。这种类型更适合于生产过程的监测与控制，是工业生 产过程中所不可缺少的工业自动化仪表之一。
9.1.2 成分分析仪表分类
成分分析所用的仪器和仪表基于多种测量原理，在 进行分析测量时，需要根据被测物质的物理和化学性质 ，来选择适当的手段和仪表。
目前，按测量原理分类，成分分析仪表有电化学式 、热学式、磁学式、射线式、光学式、电子光学式和离 子光学式、色谱式、物性测量仪表及其他式。
1. 工作原理
氧化锆氧分析器基于电化学分 析方法，利用氧化锆固体电解质原 理工作。由氧化锆固体电解质做成 氧化锆探测器（简称探头），直接 安装在烟道中，其输出为电压信号 ，便于信号传输与处理。
氧化锆对氧的检测是通过氧化 图9-2 氧浓差电池原理示意图 锆组成的氧浓差电池。图9-2为氧化 锆探头的工作原理图。
9.3 工业常用自动分析仪表
工业用自动分析仪表种类很多，我们仅介绍其中较 常用的热导式气体分析器、红外线气体分析器、氧化锆 氧分析器、气相色谱分析仪、酸度检测仪表和湿度检测 仪表。
9.3.1 热导式气体分析器
热导式气体分析器是一种使用最早的、应用较广的 物理式气体分析器，它是利用不同气体导热特性不同的原 理进行分析的。
在实际测量中，若不能满足上述两个条件时，应采取 相应措施对气样进行预处理（又称净化），使其满足上述 两个条件，再进入分析仪器分析。
热导式分析仪表最常用于锅炉烟气分析和氢纯度分析 ，也常用作色谱分析仪的检测器，在线使用这种仪表时， 要有采样及预处理装置。
9.3.2 红外线气体分析器
红外线气体分析器属于光学分析仪表中的一种。 它是利用不同气体对不同波长的红外线具有选择性吸收 的特性来进行分析的。这类仪表的特点是测量范围宽； 灵敏度高，能分析的气体体积分数可到(ppm级)；反应 速度快、选择性好。红外线气体分析器常用于连续分析 混合气体中CO、CO2、CH4、NH3等气体的浓度。
气体名称 一氧化碳 二氧化碳 二氧化硫
氨 甲烷 乙烷
相对导热系数 0.964 0.614 0.344 0.897 1.318 0.807
式中 ? — 混合气体的导热系数；
?i — 混合气体中第i种组分的导热系数； Ci — 混合气体中第i种组分的体积百分含量。 如果被测组分的导热系数为 ?1，其余组分为背景组分 ，并假定它们的导热系数近似等于 ? 2。又由于所有组分的 体积百分含量之和为1，将它们代入式(9-1)后可得
9.2 自动分析仪表的基本组成
工业自动分析仪表的基本组成如图9-1所示。
图9- 1 工业自动分析仪表的基本组成
自动取样装置的作用是从生产设备中自动、连续、 快速的提取待分析样品。
预处理系统可以采用诸如冷却、加热、气化、减压、 过滤等方式对所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。
工业用红外线气体分析器有非色散（非分光）型 和色散（分光）型两种型式。
9.3.3 氧化锆氧分析器
氧化锆氧分析器是20世纪60年代初期出现的一种 新型分析仪器。这种分析器能插入烟道中，直接与烟气 接触，连续地分析烟气中的氧含量。这样就不需要复杂 的采样和处理系统，减少了仪表的维护工作量。与磁式 氧分析器相比较，具有结构简单、稳定性好、灵敏度高 、响应快、测量范围宽等特点，广泛用于燃烧过程热效 率控制系统。
检测器（又称传感器）是分析仪表的核心，它可以把 被分析物质的组分或性质转换成电信号输出。
信息处理系统的作用是对检测器输出的微弱电信号做 进一步处理，变为标准信号，将其输出到显示仪表。
显示仪表可以用模拟、数字或屏幕图文显示方式给出 测量分析结果。
整机自动控制系统用于控制各个部分的协调工作，使 取样、处理和分析的全过程可以自动连续地进行。
第9章 成分分析仪表
9.1 成分分析方法及分类 9.2 自动分析仪表的基本组成 9.3 工业常用自动分析仪表
9.1 成分分析方法及分类
成分分析仪表是对物质的成分及性质进行分析的仪表。 使用成分分析仪表可以了解生产过程中的原料、中间产品 及最终产品的性质及其含量。
9.1.1 成分分析方法
成分分析方法分为两种类型，一种是定期取样，通 过实验室测定的实验室人工分析方法；另一种是利用可 以连续测定被测物质的含量或性质的自动分析仪表进行 自动分析的方法。
E ? 4.9615 ? 10?2T lg 20.8
?1
（9-5）
2. 工作条件 (1) 工作温度要恒定，分析器要有温度调节控制的
? ? ? 2 ? (?1 ? ?2 )C1
或
C1 ?
? ? ?2 ?1 ? ?2
（9-2） （9-3）
用热导法进行测量时，应满足以下两个条件： (1) 混合气体中除待测组分外，其余各组分(背景组分) 的导热系数必须相同或十分接近。
(2) 待测组分的导热系数与其余组分的导热系数要有 明显差异，差异愈大，愈有利于测量。
对于彼此之间无相互作用的多种组分的混合气体，它的 导热系数可以近似地认为是各组分导热系数的加权平均值 ，即
n
? ? ? ?1C1 ? ? 2C2 ? … ? ? nCn ? ? nCn i?1
（9-1）
表9-1 气体在0℃时的相导对热系数
气体名称 空气 氢 氧 氮 氦
氧化氢
相对导热系数 1.000 7.130 1.015 0.998 5.91 0.538
物体的导热能力即反映其热传导速率大小，通常用导热 系数或热导率λ来表示。气体的热导率还与气体的温度有关 。导热系数愈大，表示物质在单位时间内传递热量愈多， 即它的导热性能愈好。其值大小与物质的组成、结构、密 度、温度、压力等有关。表 9-1列出了在 0℃时以空气热导 率为基准的几种气体的相对热导率。
பைடு நூலகம்
两个电极间出现的电位差在数值上等于浓度电势E，称 为氧浓差电势，可由能斯特公式确定
E ? RT ln p2 nF p1
（9-4）
假定参比侧与被测气体的总压力均为p（实际上被测气
体压力略低于大气压力），可以用体积百分比代替氧分压。
空气中氧含量一般为20.8%，在总压力为一个大气压情况下
，可以得到E与被测气体氧浓度 ?1 的关系式为
自动分析仪表又称为在线分析仪表或过程分析仪表 。这种类型更适合于生产过程的监测与控制，是工业生 产过程中所不可缺少的工业自动化仪表之一。
9.1.2 成分分析仪表分类
成分分析所用的仪器和仪表基于多种测量原理，在 进行分析测量时，需要根据被测物质的物理和化学性质 ，来选择适当的手段和仪表。
目前，按测量原理分类，成分分析仪表有电化学式 、热学式、磁学式、射线式、光学式、电子光学式和离 子光学式、色谱式、物性测量仪表及其他式。
1. 工作原理
氧化锆氧分析器基于电化学分 析方法，利用氧化锆固体电解质原 理工作。由氧化锆固体电解质做成 氧化锆探测器（简称探头），直接 安装在烟道中，其输出为电压信号 ，便于信号传输与处理。
氧化锆对氧的检测是通过氧化 图9-2 氧浓差电池原理示意图 锆组成的氧浓差电池。图9-2为氧化 锆探头的工作原理图。
9.3 工业常用自动分析仪表
工业用自动分析仪表种类很多，我们仅介绍其中较 常用的热导式气体分析器、红外线气体分析器、氧化锆 氧分析器、气相色谱分析仪、酸度检测仪表和湿度检测 仪表。
9.3.1 热导式气体分析器
热导式气体分析器是一种使用最早的、应用较广的 物理式气体分析器，它是利用不同气体导热特性不同的原 理进行分析的。
在实际测量中，若不能满足上述两个条件时，应采取 相应措施对气样进行预处理（又称净化），使其满足上述 两个条件，再进入分析仪器分析。
热导式分析仪表最常用于锅炉烟气分析和氢纯度分析 ，也常用作色谱分析仪的检测器，在线使用这种仪表时， 要有采样及预处理装置。
9.3.2 红外线气体分析器
红外线气体分析器属于光学分析仪表中的一种。 它是利用不同气体对不同波长的红外线具有选择性吸收 的特性来进行分析的。这类仪表的特点是测量范围宽； 灵敏度高，能分析的气体体积分数可到(ppm级)；反应 速度快、选择性好。红外线气体分析器常用于连续分析 混合气体中CO、CO2、CH4、NH3等气体的浓度。
气体名称 一氧化碳 二氧化碳 二氧化硫
氨 甲烷 乙烷
相对导热系数 0.964 0.614 0.344 0.897 1.318 0.807
式中 ? — 混合气体的导热系数；
?i — 混合气体中第i种组分的导热系数； Ci — 混合气体中第i种组分的体积百分含量。 如果被测组分的导热系数为 ?1，其余组分为背景组分 ，并假定它们的导热系数近似等于 ? 2。又由于所有组分的 体积百分含量之和为1，将它们代入式(9-1)后可得