检测技术与仪表-9-成分分析仪表课件.ppt

1、第第9章章 成分分析仪表成分分析仪表自动检测技术及仪表控制系统自动检测技术及仪表控制系统 检测技术及仪表Contents9.1 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 湿度的检测检测技术及仪表9.1 成分分析方法及分析系统的构成成分分析方法及分析系统的构成（1）成分分析方法及分类v成分分析方法有两种：一，定期取样，通过实验室测定的实验室分析方法；二，利用可以连续测定被测物质的含量或性质的自动化仪表；检测技术及仪表9.1 成分分析方法及分析系统的构成成分分析方法及分析系统的构成（1）成分分析方法及分类v成分仪表的型式：电化学式，如电导式、电量式、电位式、酸度计等；热学式

2、，如热导式、热谱式、热化学式等；磁学式，如磁式氧分析器、核磁共振分析仪等；射线式，射线分析仪、同位素分析仪等；光学式，如红外、紫外等吸收式光学分析仪，光散射等；电子光学式和离子光学式，如电子探针、离子探针等；色谱式，如气相色谱仪、液相色谱仪等；物性测量仪表，如水分计、黏度计、密度计、湿度计等；其他，如晶体振荡式分析仪、半导体气敏传感器等。检测技术及仪表9.1 成分分析方法及分析系统的构成成分分析方法及分析系统的构成（2）自动分析系统的构成v自动分析仪表通常是与试样预处理系统组成一个分析测量系统，以保证其良好的环境适应性和高的可靠性，以使分析仪表的示值能代表被监测的成分。v较大型工业分析仪表测量

3、系统基本组成：检测技术及仪表9.1 成分分析方法及分析系统的构成成分分析方法及分析系统的构成（2）自动分析系统的构成v 自动取样装置的作用是从生产设备中自动、快速地提取待分析样品；v 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；v 检测器是分析仪表的核心；v 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。检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（1）热导式气体分析器v热导式气体分析器是使用最早的一种物理式气体分析器件；v用途：常用于分析混合气体中

4、等组分的百分含量v原理：各种气体都具有一定的导热能力，但程度不同，即各有不同的导热系数2232HCONHSO、检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（1）热导式气体分析器v混合气体的热导率可以近似认为是各组分热导率的均值：v如果被测组分的热导率为 ，其余组分为背景组分，其热导率近似等于 ，由于 可得被测组分的含量：111221nnniiiCCCC121nCCC2112C2检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（1）热导式气体分析器v实际测量时，要求混合其中背景组 分的热导率近似相等，否则，需要 预处理。v热导式气体分析器的核心是测量室，称

5、为热导池 1热敏电阻 2热导池腔体 3绝缘物检测技术及仪表热导池设计时应注意的几个问题热导池设计时应注意的几个问题：为了减少气体的对流散热，热导池的气室尽可能小，并保证气体通过时的流量小且稳定。另外注意压力的影响，压力大，对流传热加剧。为了减少辐射散热，要保证tc、tn 之间的温差小于200电阻丝本身由于导热率较高，沿阻丝轴向引线有热量散失，所以设计时尽量加长阻丝长度并减小阻丝直径。测量电路测量电路测rn的电路桥式电路(1)、单臂电桥、单臂电桥把rn作为电桥的一个臂，其余三个臂用固定电阻。简单，但测量精度受环境影响大。(2)、差式电桥、差式电桥测量室rn作为一个测量臂，参比室ra接相邻桥臂（参

6、比臂）。由于外界条件改变同时影响测量臂和参比臂，可以相互抵消，提高测量精度。检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（1）热导式气体分析器v热导池常用结构：对流扩撒式结构v热导式分析仪表常用桥式测量电路检测技术及仪表参比室参比室：与测量室在尺寸、结构上完全相同的热导池，其中密封一定浓度的被测气体。(3)、二个差动对电桥、二个差动对电桥如图94。其测量灵敏度较差式电桥提高一倍。(4)、双桥测量桥路、双桥测量桥路可克服外界条件变化、电源电压不稳带来的影响。AABB1324EE5678可逆马达左：测量电桥测量电桥1,3为测量气室，2,4充测量下限气体右：参比电桥参比电桥5,

7、7充测量上限气体，6,8充测量下限气体K在最上端，为测量起始点，K在最下端，为测量上限点。RxK检测技术及仪表实物图实物图检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（2）红外线气体分析器v红外线气体分析器属于光学分析仪表中的一种，其特点是：测量范围宽、灵敏度高、反应速度快、选择性好。v常用于连续分析混合气体中 气体的浓度。243COCONH、C H、气体对红外线的吸收 红外线是指波长为0.761000m范围内的电磁波。既然它是一种电磁波，因此它具有折射、反射、散射、干涉和吸收等性质。红外线气体成分检测主要是利用红外线的吸收性质。检测技术及仪表同种气体对红外线的吸收能力因

8、红外线的波长不同而不同。具有不对称结构的双原子或多原子气体分子，在某些波长范具有不对称结构的双原子或多原子气体分子，在某些波长范围内（围内（225um）吸收红外线，具有各自的特征吸收波长。）吸收红外线，具有各自的特征吸收波长。检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（2）红外线气体分析器v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进行分析。红外线气体分析器主要利用225um之间的一段红外光谱。检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（2）红外线气体分析器v 红外线气体分析器一般由红外辐射源、测量气样室、红外探测装置等组成。从红外光源发

9、出强度为 的平行红外线，被测组分选择吸收其特征波长的辐射能，红外线强度将减弱为I：v 测量红外线的透过强度就可以确定被测组分浓度的大小。0I0KCLII e检测技术及仪表吸收波谱图吸收波谱图检测技术及仪表第六节第六节 气体成分分析仪表气体成分分析仪表 背景气体吸收的红外线波长与待测气体有部分重叠检测技术及仪表直读式红外线分析器原理图直读式红外线分析器原理图灯丝同步片参比室（不吸收红外线）测量室检测室读数标尺（6：封入相同的待测组分气体）7：薄膜片8：定片检测技术及仪表干扰组分的影响干扰组分的影响例：测CO的含量，背景气体中有CO2，二者的特征吸收波长范围有重叠部分CO:ab段CO2：cd段ad

10、段为重叠部分检测技术及仪表带滤波气室的红带滤波气室的红外线分析器外线分析器充以干扰组分气体检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（2）红外线气体分析器v 工业用红外线气体分析器有非色散型和色散型两种。v 一种时间双光路红外线气体分析器的组成框图：检测技术及仪表时间双光路红外线气体分析器一支光源、一条光通道、一组气室。切光盘上装有四组干涉滤光片1122331、同步孔：同步灯穿过同步孔后由光敏管接收，跟踪参比信号。22、参比滤光片：其透射波长是被分析气样中任何气体均不吸收的波长。33、测量滤光片：透射波长与被分析气体的特征吸收峰的波长相同检测技术及仪表9.2 几种工业用

11、成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（3）氧化锆分析器v氧化锆分析器属于电化学分析方法，优点是灵敏度高、稳定性好、响应快、测量范围宽，且不需要复杂的采样和预处理系统，其探头可以直接插入烟道中连续地分析烟气中的氧含量。v氧化锆分析器的基本工作原理基于氧浓差电池。当氧浓差电池两侧气体的含氧量不同时，在两电极间将产生电势，此电势与两侧气体中的氧浓度有关，称为浓差电势。检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（3）氧化锆分析器v氧浓差电池原理：左侧为被测气体，右侧 是参考气体。检测技术及仪表氧浓差电池氧浓差电池参比气体被测烟气左侧：被测，氧浓度1约4%6%右侧：空气，氧浓度2约

12、20.8%T850正极：负极：)(4224)(122222pOeOOepO1122lnlnnFRTppnFRTE氧浓差电势检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（3）氧化锆分析器v一种管状结构的氧化锆分析器：检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（3）氧化锆分析器v氧化锆分析器的安装方式：检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（3）氧化锆分析器v氧化锆分析器正常工作的必要条件：工作温度恒定(高温850度)必须要有参比气体 参比气体与被测气体压力应该相等检测技术及仪表磁性氧分析器磁性氧分析器磁式氧分析器测量原理：

13、通过测定混合气体的磁化率来推知O2的浓度气体磁化率KKHJ J：磁化强度H：外磁场强度（B）K0的物质，称顺磁性物质，介质会被磁场吸引。K0的物质，称逆磁性物质，介质在外磁场作用下被磁场排斥。O2属于顺磁性物质。属于顺磁性物质。2RTCMPk 对于多组分气体检测技术及仪表热磁式氧分析器热磁式氧分析器传感器：中间有通道的环形气室检测元件：通电加热的铂丝将O2浓度的变化转化为电阻值的变化。热磁对流磁风检测技术及仪表检测技术及仪表磁力机械式氧分析器磁力机械式氧分析器v 梯度磁场：尖劈形磁极梯度磁场：尖劈形磁极氧气为顺磁性物质，气体沿磁场强氧气为顺磁性物质，气体沿磁场强度的方向产生密度梯度，在一定的度

14、的方向产生密度梯度，在一定的温度下有一定的压力差。温度下有一定的压力差。压力差大小与氧含量的浓度相关压力差大小与氧含量的浓度相关dVdxdHHkkFxxmV)(00检测技术及仪表磁力机械式氧分析器结构简图磁力机械式氧分析器结构简图v“哑铃”形检测元件两个空心的石英球，封入氮气，中间安排部署连接处贴一石英小镜子。氮气呈微弱的逆磁性。当空气中氧含量增大时，磁场对氧气的吸收所形成的压力差，对石英球产生推力，偏转一个角度。角度大小与氧含量的浓度成正比。检测技术及仪表检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（4）气相色谱仪v 色谱分析仪器是一种高效、快速、灵敏的物理式分析仪表。

15、v 包括分离和分析两个技术环节v 在测试时，使被分析的试样通过色谱柱，由色谱柱将混合试样中的各个组分分离，再由检测器对分离后的各组分进行检测，以确定各组分的成分和含量。v 可以一次完成对混合试样中几十种组分的定性或定量的分析检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（4）气相色谱仪v 基本原理是：根据不同物质在固定相和流动相所构成的体系即色谱柱中具有不同的分配系数而进行分离。v 色谱柱有两大类，一类是填充色谱柱，是将固体吸附剂或带有固定液的固体柱体，装在玻璃管或金属管内构成。另一类是空心色谱柱或空心毛细管色谱柱，都是将固定液附着在管壁上形成。v 被分析的试样由载气带入色

16、谱柱，载气在固定相上的吸附或溶解能力要比样品组分弱得多，由于样品中各组分在固定相上吸附或溶解能力的不同，而被载气带出的先后次序也就不同，从而实现了各组分的分离。检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（4）气相色谱仪v混合物在色谱柱中的分离过程检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（4）气相色谱仪v 两个组分A和B的混合物经过一定长度的色谱柱后，将逐渐分离，A、B组分在不同的时间流出色谱柱，并先后进入检测器，检测器输出测量结果，由记录仪绘出色谱图，在色谱图中两组分各对应一个色谱峰。图中随时间变化的曲线表示各个组分及其浓度，称为色谱流出曲线。

17、v 各组分从色谱柱流出的顺序与色谱柱固定相成分有关。从进样到某组分流出的时间与色谱柱长度、温度、载气流速等有关。在保持相同条件的情况下，对各组分流出时间标定以后，可以根据色谱峰出现的不同时间进行定性分析。v 色谱峰的高度或面积可以代表相应组分在样品中的含量，用已知浓度试样进行标定后，可以做定量分析。检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（4）气相色谱仪v色谱仪的基本流程检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（4）气相色谱仪v一种工业用气相色谱仪系统框图：检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（4）气相色谱仪v一

18、种微型气相色谱仪的结构图检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（5）半导体气敏传感器v采用半导体材料为敏感材料制成的一种气敏传感器类型，可以通过在半导体材料中添加各种催化剂来改变其主要敏感对象，却很难消除对其他共存气体的响应，且它信号响应的线性范围窄，故一般只用于定性及半定量范围的气体检测。v制造成本低廉，测量手段简单，工作稳定性尚好，检测灵敏度也较高。v半导体气敏传感器按照半导体的物性变化特点，可分为电阻型和非电阻型两类。检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（5）半导体气敏传感器 电阻型半导体气敏传感器v 利用气体在半导体表面的氧化或

19、还原反应，将引起半导体载流子数量的增加或减少，从而使敏感元件电阻值变化的原理。v 当氧化型气体吸附到n型半导体，还原型气体吸附到p型半导体时，会使半导体载流子减少，敏感元件电阻值将增大。v 当还原型气体吸附到n型半导体，氧化型气体吸附到p型半导体时，使载流子增多，敏感元件电阻值则减小。检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（5）半导体气敏传感器 电阻型半导体气敏传感器vN型半导体气敏元件阻值变化图检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（5）半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器v 几种半导体气敏元件的典型结构检测技术及仪表9.2 几种工业

20、用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（5）半导体气敏传感器 电阻型半导体气敏传感器v在气敏材料中添加铂或钯等作为催化剂，可以提高气敏元件的灵敏度以及对气体的选择性。v 添加催化剂前灵 敏度特性2SnO检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（5）半导体气敏传感器 电阻型半导体气敏传感器v 添加催化剂后灵敏度特性2SnO检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（5）半导体气敏传感器 非电阻型半导体气敏传感器v利用MOS二极管的电容-电压特性变化和MOS场效应管的阈值电压的变化等性质制成。采用特定的材料可以使器件对某些气体敏感。检测技术及仪表9.

21、2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（5）半导体气敏传感器 非电阻型半导体气敏传感器v图示结构的MOS场效应对氢气敏感检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（5）半导体气敏传感器 电阻型半导体气敏传感器vMOS场效应管的灵敏度曲线 检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（6）工业酸度计v 工业酸度计属于电化学分析方法，用来在线测量溶液的酸碱度。v 溶液的酸碱性可以用氢离子浓度H的大小来表示。由于溶液中氢离子浓度的绝对值很小，一般采用pH值来表示溶液的酸碱度，定义为pH=-lgH+，与之相应有：pH为中性溶液，pH为碱性溶液，p

22、H为酸性溶液v pH值的检测采用电位测量法。根据电化学原理，任何一种金属插入导电溶液中，在金属与溶液之间将产生电极电势，此电极电势与金属和溶液的性质，以及溶液的浓度和温度有关。v 测量pH值一般使用参比电极和测量电极以及被测溶液共同组成的狆犎测量电池。参比电极的电极电位是一个固定的常数，测量电极的电极电位则随溶液氢离子浓度而变化。电池的电动势为参比电极与测量电极间电极电位的差值，其大小代表溶液中的氢离子浓度。将参比电极和工作电极插入被测溶液中检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（6）工业酸度计v 工业用酸度计结构：甘汞电极结构 银-氯化银结构 玻璃结构检测技术及仪

23、表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（6）工业酸度计v 溶液pH值与总电势的关系：检测技术及仪表9.2 几种工业用成分分析仪表几种工业用成分分析仪表（6）工业酸度计v 总电势随温度变化的特性：检测技术及仪表9.3 湿度的检测湿度的检测（1）湿度的表示方法及检查特点v 湿度的表示方法 湿度可用绝对湿度和相对湿度两种方法来表示：绝对湿度是指单位体积湿气体中所含的水汽质量数；相对湿度是单位体积湿气体中所含的水汽质量与在相同条件下饱和水汽质量之比，用百分数表示。检测技术及仪表9.3 湿度的检测湿度的检测（1）湿度的表示方法及检查特点v湿度检测的特点 工业过程的监测和控制对湿敏传感器提

24、出如下要求：工作可靠，使用寿命长；满足要求的湿度测量范围，有较快的响应速度；在各种气体环境中特性稳定，不受尘埃、油污附着的影响；能在的环境温度下使用，受温度影响小；互换性好、制造简单、价格便宜。检测技术及仪表9.3 湿度的检测湿度的检测（2）干湿球湿度计v 干湿球湿度计由两支温度计组成，一只温度计用来直接测量空气的温度，称为干球温度计，另一只温度计在感温部位包有被水浸湿的棉纱吸水套，并经常保持湿润，称为湿球温度计。v 当棉套上的水分蒸发时，会吸收湿球温度计感温部位的热量，使湿球温度计的温度下降。水的蒸发速度与空气的湿度有关，相对湿度越高，蒸发越慢；反之，相对湿度越低，蒸发越快。v 所以，在一定

25、的环境温度下，干球温度计和湿球温度计之间的温度差与空气湿度有关。当空气为静止的或具有一定流速时，这种关系是单值的。v 测得干球温度td和湿球温度tw后，就可计算求出相对湿度。检测技术及仪表9.3 湿度的检测湿度的检测（2）干湿球湿度计v自动检测的干湿球湿度计原理示意图检测技术及仪表9.3 湿度的检测湿度的检测（3）电解质系湿度传感器v电解质系湿敏传感器的典型为氯化锂湿敏元件。氯化锂是潮解性盐类，吸潮后电阻变小，在干燥环境中又会脱潮而电阻增大。检测技术及仪表9.3 湿度的检测湿度的检测（3）电解质系湿敏传感器v绿化锂湿度传感器检测技术及仪表9.3 湿度的检测湿度的检测（4）陶瓷湿敏传感器v烧结式陶瓷湿敏传感器结构示意图检测技术及仪表9.3 湿度的检测湿度的检测（5）高分子聚合物湿敏传感器v作为感湿材料的高分子聚合物能随所在环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。高分子聚合物湿度传感器