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1、第六节 气体成分分析仪表,一、概述 目的是分析各种气体混合物中各组分的含量或其中某一组分的含量(CO CO2 CH4 C2H2) 气体成分的检测特点：和温度、压力不一样，一般有一个取样系统，取出被测样品，由过滤器，分离，冷却器和抽吸设备等组成,第六节 气体成分分析仪表,气体成分分析仪表的组成框图,采样装置,预处理系统,气体成分分析仪表的组成框图,采样系统,传感器,信号放大 和处理单元,显示单元,控制单元,第六节 气体成分分析仪表,按测量原理分类主要有 电化学式：电导式、电量式、电位式、电解式、PH计、离子浓度计 热学式：热导式、热化学式 光学式：红外、紫外等吸收式光学分析仪 射线式：X射线、同
2、位素、微波分析仪 磁学式：磁性氧气分析器、核磁共振仪 色谱式：气相色谱仪、波相色谱仪 电子光学式和离子光学式：电子探针、离子探针、质谱仪,第六节 气体成分分析仪表,二、氧量分析仪 工作原理 利用氧化锆电解质作传感器，测量混合物气体中氧气的含量 氧化锆（ZrO2）是一种陶瓷固体电解质，在高温下有良好的离子导电特性。作为氧含量检测用的氧化锆一般都掺入一定量（通常15%）的化学CaO（也可以Y2O2）作为稳定剂，经高温焙烧后则形成稳定的萤石型立方晶系,第六节 气体成分分析仪表,氧化钙固溶在氧化锆中，其中Ca2置换了Zr4的位置，而在晶体中留下了氧离子空穴。空穴的多少与掺杂量有关 如果在一块ZrO2电
3、解质的两侧分别附上一个多孔铂电极，若两侧气体的含氧量不同，则在两电极间就会出现电势，该电势称为浓差电势,氧化锆浓差电池原理,第六节 气体成分分析仪表,在电池的正极： 获取电子 在电池的负极： 生成电子 电池反应： 浓差电势的大小可由能斯特公式决定： pR为参比气体氧分压，一般用空气作参比气体，则pR21000Pa（视地区环境不同），F为法拉第参数。R是理想气体常数，T是温度,第六节 气体成分分析仪表,氧化锆探头,1-氧化锆管；2-内外铂电极； 3-电极引线；4-Al2O3管； 5-热电偶；6-加热电丝；7-陶瓷过滤器,高温下才能产生便于检测的浓差 电势。所以存在加热电丝热电 偶温度控制装置,第
4、六节 气体成分分析仪表,当参比气体用空气时，由于空气中氧的含量约为20.9，则有 温度T与热电势ET之间的关系为 T=24090ET+272 将上式和有关常数代入，则有 因此氧含量为,第六节 气体成分分析仪表,由上面的数学模型可以得到氧量变送器模拟电路的结构框图,显然，要实现上述运算采用模拟电路比较复杂，而且误差较大，如果采用单片机或虚拟仪器，只要将热电偶和氧化铝电势测得，就可以方便地用软件实现这一变换。常用的定温插入式氧化铝变送器有6个接线端子，它们是氧电势输出端子、测温端子和电加热输人端子。在许多生产过程、生化处理，特别是燃烧过程氧化反应中，氧化铝测氧仪表已成为了最方便的检测工具。,第六节
5、 气体成分分析仪表,三、热导式气体分析仪 检测原理 在热传导的过程中，不同的气体，由于热导率的差异使其热传导的速率也不相同。当被测混合气体的组分的含量发生变化时，利用其热导率的变化，通过特制的传感器热导池，将其转换为热丝电阻值的变化，从而间接测得待测组分的含量。 表征物质导热能力大小的物理参数是导热系数，越大，说明该物质容易导热，反之不易导热,第六节 气体成分分析仪表,实验证明，对于混合物，其导热系数可用下式计算 其中 i第i组分的导热系数 Ci第i组分所占的百分含量 由于氢气的导热系数是其他气体的好多倍的缘故，所以这方法最适合用于氢气含量的检测,第六节 气体成分分析仪表,热导式气体分析仪由传
6、感器（常称为热导检测器或热导池）、测量电路、显示单元、电源和温度控制器等组成。 热导池是将混合气体 的导热系数的变化转换 为电阻值变化的关键部件,热导池结构,第六节 气体成分分析仪表,0时的电阻值为R0，通过电流I后，电阻丝产生热量并向四周散射，由于气体流量很小，气体带走的热量可忽略。热量主要是通过气体传向气室壁。设气室壁温度tc恒定（一般都设置有恒温装置），电阻丝达到热平衡时的温度为tn，电阻丝通以恒定电流I0，则电阻丝的散热为 而电阻丝产生的热量为,第六节 气体成分分析仪表,热平衡时QQ。如果混合气体的导热系数愈大，其散热条件愈好，热平衡时的温度tn也愈小，反之，愈小，tn愈高，Rn愈大，
7、从而通过电阻的变化测量导热系数,第六节 气体成分分析仪表,电阻Rn可由测量电桥获得,图中的R1、R3称为测量气室，通以被测量的气体；R2、R4称为参比气室。里面充满了被测 量气体的下限含量的气体。当下限值为零时，参比气室中一般充空气。四个气室是连体结构，它们所处的环境条件，如温度、压力、流量等，完全一样。,热导分析仪的测量电桥,第六节 气体成分分析仪表,四、红外式气体分析仪 气体对红外线的吸收 大部分有机和无机气体的分子在红外波段内有其特征的吸收峰，当入射红外辐射的频率与分子的振动和转动频率相同时，红外辐射就会被气体分子吸收，引起辐射的衰减。 红外线是指波长为0.761000m范围内的电磁波。
8、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。归纳起来具有以下特点： 同种气体对红外线的吸收能力因红外线的波长不同而不同。,第六节 气体成分分析仪表,单原子分子气体和无极性的双原子分子气体不吸收红外线，而具有异核分子的大多数气体在某些特定的波长下对红外线有强烈的吸收 气体吸收了红外线辐射以后，温度升高使压力（体积）增加 气体对红外线的吸收遵循朗伯比尔定律，即,第六节 气体成分分析仪表,检测原理 下面我们以CO红外线气体成分检测器的工作原理。它是双光束测量系统，灯丝通电后发出两束强度几乎相等的红外线，波长一般在310m，灯丝一般采
9、用镍铬合金丝。光路中装有切光片，可连续遮段光源,光源：直径约0.5mm的镍铬丝。此镍铬丝被加热到6001000，此时光源辐射的红外线波长范围约为210微米。红外线辐射光经反射抛物状面汇聚成平行光射出，射出能量相等的两束平行光。,切光片：被同步电机带动，切割成断续的交变光，从而获得交变光信号，减少信号漂移。,一路平行光：通过滤光镜、参比气室，射入接收室。,测量气室：有气样通过，则气样中的待测量吸收了部分特征波长的红外光，使射入接收室的光束强度减弱，待测量含量越高，光强减弱越多。,另一束光：通过滤光镜、测量气室，射入接收室。,参比气室：内充不吸收红外线的气体，如氮气,接收室：是薄膜电容微音器。它是
10、利用待测组分的变化引起电容量变化来测量待测组分的浓度的。,金属薄膜将接收室内的分成容积相等的两个接收室，接收室内充满等浓度的CO气体。红外光束射入接收室后，被其中CO吸收，使气体温度升高，从而导致内部压力升高。,测量光束与参比光束平衡时，两边压力相等，动片薄膜维持在平衡位置。当测量气室中有待测组分时，通过参比气室的红外光辐射保持不变，而通过测量气室进入接收室的红外光由于待测组分的吸收面减弱，使这一边的温度降低，压力减小，金属薄膜偏向固定金属片一方，从而改变了电容器两极间的距离，也就改变了电容量。,第六节 气体成分分析仪表,五、色谱仪 前面的成分分析方法有一个共同的特点，只能自动连续地分析混合气
11、体中某一组分的含量，而色谱仪是一种能对混合物进行全面分析，能鉴定混合物是由哪些组分组成，并能测出各组分的含量。因此这种仪器得到广泛的应用。,第六节 气体成分分析仪表,检测原理 色谱分析方法是利用色谱柱将混合物各组分分离开来，然后按各组分从色谱柱出现的先后顺序分别测量，根据各组分出现的时间及测量值的大小可确定混合物的组成以及各组分的浓度。 固定相对某一组分的吸收能力越强，则流出柱口的时间越慢，如果在柱的出口处安装一个检测器，测出各组分的浓度，就可以得到一个色谱图。,模型演示,第六节 气体成分分析仪表,色谱法根据固定相和流动相的不同，可分为： 气液色谱 气固色谱 液液色谱 液固色谱,气相色谱（流动
12、相为气体）,液相色谱（流动相为液体）,气相色谱柱,液相色谱柱,第六节 气体成分分析仪表,色谱图 色谱图是色谱定性定量分析的基础 色谱图的术语 基线 滞留时间 死时间 校正滞留时间 峰高,峰宽 半峰宽 峰面积 分辨力,第六节 气体成分分析仪表,气相色谱仪的定性和定量分析 定性分析 滞留时间方法 加纯物质方法,第六节 气体成分分析仪表,定量分析 定量进样法 面积归一化法 外标法 计算机自动分析,气相色谱仪用工作站,气相色谱仪,第六节 气体成分分析仪表,仪器的组成 气相色谱仪主要由色谱柱、检测器、数据处理与显示记录装置以及其他配套部件组成,载 气 源,流量控制器,进 样 装 置,色谱柱,检测器,气体流量计,记录仪,恒温箱,
