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1、第11章 物性与成分含量检测,适配教材现代检测技术及应用，李现明主编，高等教育出版社2012年第1版,章前语,生产过程使用自动化技术的最终目的是提高生产效率与产品质量、降低劳动强度与生产成本。如果能够自动检测反映产品质量的直接参数并构成闭环控制系统，无疑对确保产品质量具有重要意义。 在石油、化工、轻工、冶金等行业中，直接反映产品质量的参数大多与物质的物理性质、物质的成分与含量有关。 用于检测物质的各种物理特性、物质的组成和含量的装置称为成分分析仪，可分为实验室用分析仪和工业用自动分析仪两种形式。,实验室用分析仪的使用场所是实验室，原本主要用于科研部门在科学实验过程中对物质的定性和定量分析。 随
2、着对产品质量要求的不断提高，一些工厂也建起专门实验室，将有关半成品、成品在生产现场人工取样，然后拿到实验室，采用实验室分析仪进行分析，根据分析结果干预生产过程。 这种检测方式无疑存在较大的检测滞后，属于非实时检测，但与不进行检测、完全凭经验干预生产过程相比，对提高产品质量仍具有重要意义，是一大进步。,随着仪表技术发展，出现了各种工业用自动分析仪表。 工业用自动分析仪表大多从实验室分析仪器演变而来，用于工业生产流程上的在线定量分析，能进行自动取样、连续分析、信号处理、实时显示、记录、远传，在工艺监督、安全生产、保证质量、节能减排、减轻污染方面，起到了重要的作用。 相对于温度、压力、物位、流量等物
3、理参数检测仪表而言，自动分析仪结构复杂、机械加工要求高、电子元器件要求严格，仪表专用性强、使用条件苛刻，品种多、批量小、价格高。而且，对于相当多的物质成分含量而言，针对它们的自动分析仪目前尚未问世。,按被测参数，工业用自动分析仪可分为物性参数自动分析仪和成分含量自动分析仪。本章将分别对它们作简单介绍。 几乎每一种物性或成分含量自动分析仪，都有一本或多本专著与之对应，可见其内容丰富、技术复杂。鉴于此，本章从使用者的角度出发，仅对其进行整体简介。 一旦在以后的实际工作中遇到某种具体的物性或成分含量自动分析仪时，可进一步阅读其使用说明书或相应专著。,11.1 常用物性检测方法与仪表,物性指物质的性质
4、，工业生产过程中常遇到的物性参数主要有湿度、含水量、密度、粘度、酸碱度、电导率等。,11.1.1 含水量检测 含水量也称为水分，是表征固体或与水相溶解的液体内部水分含量高低的参数，通常以物质中所含水分质量(或重量)与总质量(或总重量)之比的百分数来表示。 用于测量含水量的仪器称为水分计，其工作原理和具体产品类型有多种。 在卷烟、粮食、制药、食品等加工过程中，都会要求含水量保持一定的范围内，这就要求对含水量进行精确、快速的检测与控制。,传统的测量含水量的方法：烘干去重法 （1）首先测量被测样品的重量； （2）然后按规定时间、温度及烘干条件对其烘干； （3）再测量烘干后样品重量，通过计算得到含水量
5、。 因为这种测量方法是直接测出水分的蒸发量，故也称为直接水分测量法。 优点：准确可靠； 缺点：测量时间长，通常需要12小时，难以满足生产过程中快速测量的需要。 由于准确性好，计量部门一直应用此方法做为测定水分的标准。它的精度主要取决于天平精度、烘箱温度控制精度、操作人员的熟练程度等。,20世纪70年代后，随着电子技术的发展，新的含水量测量方法与仪器不断出现。 在工业领域中，最有代表性的是电导式、电容式、红外式、微波式等电测方法，这些方法均属于间接水分测量法，比直接法响应快。 共同缺点是水分与输出电信号之间不是单值函数，而是多变量关系，存在诸多交叉灵敏度，错综复杂，研制、生产这类仪器的技术关键是
6、如何排除交叉灵敏度。 到90年代初，在新的技术、工艺条件下，经典法又重新受到人们的重视。有关生产厂采用计算机、红外等新技术，将笨重的电阻式烘箱改为精巧的红外烘箱，而且与电子天平组成一个整体。这种快速烘干失重测量法既保留了经典测量方法精度高的优点，又解决了检测时间长的问题。,11.1.2 湿度检测 绝对湿度(absolute humidity)：在一定温度及压力条件下，每单位体积混合气体中所含的水蒸气量。 相对湿度(relative humidity)：单位体积混合气体中所含的水蒸气量与同温度下饱和水蒸气量比值的百分数，一般用符号RH表示。饱和水蒸气量是指在一定温度下，单位体积的气体中所能含有的
7、最大水蒸气量(gm3)。 露点温度(dew-point temperature)：当空气的温度下降到某一温度值时，空气中的水蒸气分压将与同温度下的饱和水蒸气气压相等，此时空气中的水蒸气就有可能转化为液相而凝结成露珠、相对湿度为100RH，这一特定温度称为空气的露点温度。如果露点温度低于0时，水蒸气将凝结成霜，此时露点温度又称霜点温度。空气中的水蒸气含量越小，露点温度就越低，因而可以用露点温度表示空气中的湿度大小。,表11.2 常用湿度检测方法,目前，基于湿敏电阻法、湿敏电容法测量原理，依靠微细加工工艺和设备，已经有多种型号的集成化、智能化湿度传感器产品问世。 例如，HM1500/1520型电压
8、输出集成湿度传感器、SHT11/15型单片智能化湿度/温度传感器等。在进行湿度测量系统设计时应优先选用这类集成传感器。 由于这类产品的型号更新较快，选用时应先到相关网站上检索。,11.1.3 密度检测 在许多工业生产过程中，常通过对物质密度的测量来控制液体物质的成分、浓度和质量流量。单位体积的某种物质质量称之为该物质的密度（density）。 在一定的温度、压力等状态条件下，任何均匀物质都有一个与之对应的具体的、确定的密度值。密度的国际单位是kg/m3，这也是我国的法定计量单位。 对于非均匀物质，其密度在其各处不尽相同。 为方便表述，在不同的专门领域中，还使用如下所述的一些以密度为构词成分的相
9、关名词术语。,表观密度(apparent density)：指多孔固体(粉末状、颗粒状)材料的质量与其表观体积(亦即包括“孔隙”的体积)之比值。 实际密度(actual density)：指多孔固体材料质量与其实际体积(亦即不包括“孔隙”的体积)之比值。 堆积密度(bulk density)：指在特定条件下，在特定容积的容器内，疏松状(小块、颗粒、纤维等)材料质量与其材料所占体积之比值。此处所谓“特定条件”，指实际填充材料于特定容积的容器内的条件。例如自然堆积、振动敲击堆积、施加一定的压力堆积三种“特定条件”下的堆积密度，为免混淆，可相应称之为松密度、振实密度、压实密度。,标准密度(stand
10、ard density)：指物质在有关规范规定的标准条件下的密度。例如，在标准温度273.15K(0)和压力l01325Pa下的气体密度；在标准温度20下的液体密度；标准温度20下的固体密度等。标准密度是物质的一个重要参数。 临界密度(critical density)：指物质在临界点的密度。临界又称为“临界状态”，是物质的气、液两相平衡共存的一个边缘状态。 相对密度(relative density)：指在给定的条件下，某物质密度与参考物质密度之比值。,密度测量方法分类： 直接测量法：基于密度基本原理公式。 间接测量法：基于密度与某些物理量存在确定的关系。 直接测量法：分为绝对测量法与相对测
11、量法，主要用于各种实验室。 相对测量法通过与密度已知物质（称其为密度标准参考物质）进行比较获得测量结果，如流体静力称量法、密度瓶法、浮计法、悬浮法等。 绝对测量法则是直接测量物质的质量和尺度，无需使用密度标准参考物质。绝对测量法主要用于研究建立密度标准或研究密度标准参考物质。 与相对测量法相比，绝对测量法更准确可靠。然而，由于相对测量法比绝对测量法节省时间、技术简便，故在密度测量领域中被广泛地采用。,间接测量法主要用于工业生产过程中的在线检测，具体方法有多种。例如，利用静动压力量、电量、电离辐射量、声学量、光学量、振动量与密度存在确切关系的浮子法、倍压法、介电常数法、流出法、射线法、声学法、光
12、学法、振动法等。基于这类方法的仪器，大都能提供自动控制系统所需的反馈信号，进行连续自动测量与控制。,表11.3 常用液体密度检测方法,表11.4 常用气体密度检测方法,11.1.4 浓度检测 浓度（consistency）是用来表示混合物中某种物质含量多少的物理量。浓度与密度有关，而且比密度更能直接表征物质成分、性质。浓度测量与控制已成为流程工业保证产品质量的重要手段。 与浓度有关的几个重要概念如下： 量浓度：物质B的量浓度指物质B的量与其混合物体积之比值。物质B的量用摩尔数表示。量浓度的单位为摩尔每立方米(molm3)，亦即单位混合物体积内所含物质B的摩尔数。 质量浓度：物质B的质量浓度指物
13、质B的质量与其混合物体积之比值。质量浓度的单位为千克每立方米(kgm3)，即单位混合物体积内所含物质B的质量。,分子浓度：物质B的分子浓度指物质B的分子数与其混合物体积之比。分子浓度的单位为每立方米(m3)，亦即单位混合物体积内所含物质B分子数。 质量分数：物质B的质量分数指物质B的质量与其混合物质量之比。它是无量纲量。 体积分数：物质B的体积分数指物质B的体积与其混合物体积之比。它是无量纲量。 量分数：物质B的量分数是指物质B的物质的量与其混合物物质的量之比值。物质的量用摩尔数表示。它是无量纲量。 浓度测量与密度测量有相似之处，很多密度测量方法也可以作为浓度的测量方法。,表11.5 常用浓度
14、测量方法,11.1.5粘度检测 粘度（viscosity）是流体的基本属性之一。 当流体相邻流层之间存在着速度差异时，流速快的流层力图加快流速慢的流层，而流速慢的流层则力图减慢流速快的流层。这种相互作用随层间速度梯度的增加而加剧。流体所具有的这种分子间的相互作用使得运动逐层传递、并保持着层间速度差的特性就是粘性。流层间的力图减小速度差的作用力称为粘性力。粘性的大小用粘度表示。 物质的粘度与其化学成分密切相关。在工业生产和科学研究中，常通过测量粘度来监控物质的成分或品质。 例如，高分子材料生产过程中，可以检测合成反应生成物的粘度，自动控制反应终点。其它如石油裂化过程、润滑油掺合过程、某些药物生产
15、过程、原油管道输送过程、各种石油制品和油漆的品质检验等，都需要进行粘度测量。 粘度又可进一步分为动力粘度、运动粘度和条件粘度。,动力粘度：又称粘性系数，也简称粘度。指稳定流体中剪切应力与剪切速率的比值，单位为帕斯卡秒（Pas）。 运动粘度：又称比密粘度。指动力粘度与同温度下该流体密度之比。单位为平方厘米每秒（cm2/s）。 条件粘度：指使用特定的粘度测试装置在特定条件下测得的流体流通时间或该流体流动时间与参考流体流动时间的比值。所谓特定的粘度测试装置是特别规定的粘度计，实际上是特制的在底部中央有流出孔或短管的杯。条件粘度有恩氏度、雷氏度、赛式秒、福德秒等多种具体定义，它们与运动粘度有确切的换算
16、关系。,恩氏粘度又叫思格勒(Engler)粘度，指在规定温度(例如50、 80、100)下，从恩氏粘度计流出200ml试样所需的时间与蒸馏水在20流出相同体积所需要的时间之比。恩氏粘度用符号E表示，单位为条件度。 赛氏秒，即赛波特(Saybolt)粘度，指在规定温度下从赛氏粘度计流出60ml毫升试样所需的秒数，符号为SSU，单位为秒。 雷氏粘度即雷德乌德(Redwood)粘度，指在规定温度下，从雷氏度计流出50ml所需的秒数，用符号R表示，以“秒”为单位。,常用粘度检测方法如表11.6所示。 这些检测方法都是先把粘度转换为力矩、时间、压差等便于检测的中间物理量，再配置相应的传感器把中间物理量进一步转换为与被测粘度一一对应的电信号，进行工业流程在线粘度测量。,表11.6 常用粘度检测方法,11.1.6 pH值测量,生产过程中经常用到各式各样的溶液，它们的酸度与碱度往往是确定生产过程正常与否的个重要指标，对生产过程中某些环节的溶液酸碱度进行测量和控制有时非常重要。 溶液的酸碱度可统一用氢离子浓度亦即pH值来度量，测量溶液酸碱度的仪表称为pH计。 工业pH计可以直接安装在生产流程现场，实
