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1、第6章 成分分析与检测技术,6.1 过程分析仪表概述 6.2 气体成分分析技术 6.3 物质性质检测技术,本章提要,物质成分分析包括：气体成分分析、气体湿度、物质的含水量和密度等参量的分析与检测。 本章通过对过程分析仪表的介绍，给出了在成分分析和物性测量中如何选用合适的检测方法和仪表； 重点介绍了气体成分的分析技术和湿度的检测技术。,6.1 过程分析仪表概述,对混合气体的成分及混合物中某些物质的含量或性质进行自动测定，称为物质成分的分析。 6.1.1 过程分析仪表及分类 6.1.2 过程分析仪表的组成 6.1.3 过程分析仪表的主要技术特性,6.1.1 过程分析仪表及分类,成分分析是利用各物质
2、的性质之间存在着差异，把所要检测的成分或物质性质转换成某种电信号，实现气体成分和物质性质的非电量的检测。 过程分析仪表是安装在生产现场，可用来对物料的成分组成以及各种物理、化学特性进行分析测量的仪表。 过程分析仪表可分为两大类： 第一类是气体分析仪，它可以在一个多组分的混合气体中定性、定量地检测出一种或几种成分。 第二类为物性测量仪表，它可以测量介质的多种物性参数。,6.1.2 过程分析仪表的组成,1取样及预处理系统 采样及预处理系统是确保分析仪表正常工作的关键部分。 任务：从被测对象中取出具有代表性的样品并做必要的预处理。 区要位置选择很重要。 取样装置应包括取样探头及包括其他一些与探头有关
3、的部件，如冷却与冷凝收集器、抽吸器及取样泵等。 取样有正压取样和负压取样，对负压取样时，应用抽吸泵。,2检测器 检测器（又称传感器）是分析仪前的主要部分 它的任务是把被分析物质的成分含量或物理性质转换为电信号。 分析仪器技术性能主要取决于检测器。 3信息处理系统 作用：对检测器输出的微弱电信号做进一步处理 4显示装置 5整机自动控制系统 主要任务：控制各部分自动而协调的工作。,6.1.3 过程分析仪表的主要技术特性,过程分析仪表按测量原理来分类共有八种： 电化学式分析仪器（如电导式、电量式、电位式等）； 热学式分析仪器（如热导式、热化学式、热谱式等）； 磁式分析仪器（如磁性氧分析器、核磁共振波
4、谱仪等）； 光学式分析仪器（如吸收式光学分析仪、发射式光学分析仪等）； 射线式分析仪器（如X射线分析仪、Y射线分析仪、同位素分析仪等）； 色谱分析仪器（如气相色谱仪、液相色谱仪等）； 电子光学式和离子光学式分析仪器（如电子探针、质谱仪、离子探针等）； 物性测量仪器（如水分计、粘度汁、湿度计、密度计、酸度计、电导率测量仪以及石油产品的闪点、倾点、辛烷值测定仪等）。,过程分析仪表的特点是专用性强，适用范围有限。 主要技术特性有精度、灵敏度和响应时间。 精度：是指检测后所得结果相对于实际值的准确度。精度是评价仪表静态性能的综合性指标。一般分析仪表精度为（12.5），微量分析的分析仪精度为（25）。
5、灵敏度：是指仪表输出信号变化与被测组分浓度变化之比。被测组分浓度有微小变化时，仪表就有较大的输出变化。 响应时间：是表达被测组分的浓度发生变化后，仪表输出信号跟随变化的快慢，一般从样品含量发生变化开始，到仪表响应达到最大指示值的90时所需的时间即为响应时间。分析仪表的响应时间愈短愈好。,6.2 气体成分分析技术,6.2.1 气敏传感器概述 6.2.2 半导体式气敏传感器 6.2.3 接触燃烧式气体传感器 6.2.4 常用气体分析仪介绍 6.2.5 气体分析仪的选择 6.2.6 使用气体分析仪时需要注意的问题,6.2.1 气敏传感器概述,它们利用气敏传感器中的气敏元件把混合气体中的特定成分检测出
6、来，并将它转换成电信号，向分析仪表提供有关待测气体是否存在及其浓度大小的信息，供自动检测、控制和报警系统使用。 1. 气体成分的主要检测方法 利用半导体气体器件检测的电气法； 使用电极和电解液对气体进行检测的电化学法； 利用气体对光的折射或光的吸收等特性来检测气体的光学法。,2. 气敏传感器的类型,依据上述检测方法制成的气敏传感器有半导体式、接触燃烧式、化学反应式、光干涉式、热传导方式和红外吸收散射方式等类型。 其主要特征如表6-1所示。,从结构上区别可以分为两大类，即干式与湿式气体传感器。 凡构成气体传感器的材料为固体者均称为干式气体传感器； 凡利用水溶液或电解液感知待测气体的称为湿式气体传
7、感器。,3. 气敏传感器的性能要求,准确检测出被测气体的浓度； 对其它共有物质所受的影响小； 能长期稳定工作，工作的重复性好； 响应速度要快； 维修方便。,6.2.2 半导体式气敏传感器,原理：利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的性质发生变化，借此检测特定气体的的成分或测量其浓度。 利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值发生变化而制成的。 气敏电阻器的阻值将随吸附气体的数量和种类而变化。 氧化性气体：吸附到N型半导体上， 将使载流子 R 还原性气体：吸附到N型半导体上， 将使载流子 R,半导体气敏元件都附有加热器，一般加热到200400，加热器使用时可以使附在探测部分处的油
8、雾、尘埃烧掉，同时加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。,1. 半导体气敏机理和主要特性,半导体气敏传感器按其工作原理可分为电阻型和非电阻型。 电阻型又可分为表面控制型和体控制型； 非电阻型又可分为二极管型、PET型和电容型 。 （1）半导体气敏传感器工作机理,（2）半导体气敏传感器主要特性,1）灵敏度。 气体传感器在最佳工作条件下，接触同一种气体，其电阻值RS随气体浓度变化的特性称之为灵敏度，用k表示 kRSR0 式中：R0为气体传感器在正常空气条件下（洁净空气）的阻值； RS 为气体传感器在一定浓度检测气体中的阻值。,2）初期稳定性,气体传感器经一定时间不通电放置后，再通电工作，
9、其阻值达到稳定时所需的时间定义为初期稳定时间。,图6-1 N型半导体吸附气体时器件阻值的变化 1-元件加热时间；2初始稳定状态；3气敏响应时间； 4还原性气体时元件阻值的变化；5氧化性气体时元件阻值的变化,3）加热特性 SnO2气敏传感器要在加热状态下工作，加热温度直接影响元件性能。 因此可选择元件的工作条件，使其工作于最佳加热电压下。 4）温湿度特性。 SnO2气敏传感器易受环境温湿度影响，应用中要加温湿度补偿措施。,（3）半导体气敏传感器的特点,优点：制造简单，使用方便，价格低廉，对气体浓度变化的响应时间短，即使在低浓度（10-6级）情况下，灵敏度也很高。 缺点：稳定性差，容易老化，各器件
10、之间的差异大等。,2. 半导体气敏传感器结构,半导体气敏传感器结构和外形如图6-2所示。,（a）气敏烧结体 （b）结构 （c）符号 图6-2 气敏传感器结构 1端子；2塑料底座；3烧结体；4不锈钢网；5加热电极； 6工作电极；7加热回路；8测量回路；9数字万用表,图6-2 气敏传感器（d）外形,（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件),（2）旁热式SnO2气敏元件,加热器电阻值一般为3040,3. SnO2系列气敏传感器应用实例,烧结型SnO2气敏元件是目前工艺最成熟、使用最广泛的气敏元件。 由它制成的气敏传感器主要用于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸汽。 下面以QM-N5型气敏元
11、件为实例介绍SnO2气敏元件的应用。,（1）QM-N5型气敏元件,QM-N5型属旁热式气敏元件,（a）结构 （b）插脚布局及符号 （c）外形 图6-3 QM-N5型气敏元件内部结构与电路符号,QM-N5型气敏元件适用于检测可燃性气体，如：天燃气、煤气、液化石油气、氢气、一氧化碳、烷烃类、烯烃类、炔烃类等气体以及汽油、煤油、柴油、氨类、醇类、醚类等可燃液体蒸汽及烟雾等。 它表示被测气体在不同浓度下气敏器件的电阻值。因而也表示了气敏器件的灵敏度。 SnO2气敏器件的环境条件为：温度为20 40，湿度为85,图6-4 QM-N5型气敏元件的基本特性,（2）QM-N5型气敏传感器的应用,采用QM气敏传
12、感器的简易煤气监测电路 无煤气泄漏的正常情况下，A-B间呈高阻抗，使RP滑动端为低电平，LEDl发光表示无煤气漏泄。 当有煤气漏泄时，QM检测到有害气体，A-B间电阻降低，使RP滑动端为高电平，LED2发光表示有煤气泄漏。,（a）外形,（b）应用电路 图6-5 采用QM气敏传感器的简易煤气监测电路,瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），是一种无毒、无味、无颜色、可燃气体。 瓦斯是煤炭开采过程的伴生物，当瓦斯浓度达到43以上、氧含量降到12以下时，可使人窒息； 当瓦斯浓度达到57以上、氧含量降到9以下时，可使人立即死亡。 所以在井下发生瓦斯爆炸，会使氧气迅速消耗，从而造成人员死亡，所以瓦斯是煤矿安全生
13、产的重大隐患。,图6-6所示为种直接安装在矿工安全帽内的瓦斯报警器电路和外形。矿灯瓦斯报警器由矿灯蓄电池4V电源供电，瓦斯探头由QM-N5型气敏元件、限流电阻R1和矿灯蓄电池组成。,（b）外形 图6-6 瓦斯报警器电路,（a）应用电路,由于QM系列各型元件特性不同，所以选择敏感元件时应注意： QM-N5供防火用：对可燃气体检测响应快，恢复速度和灵敏度高。 QM-N7供环保用：对一氧化碳具有选择性。 QM-N7供家庭用：检测液化石油气、管道煤气、天然气稳定性好，对香水（乙醇）具有定抗干扰性。 QM-J3供保安用：对乙醇气体具有很高灵敏度与选择性，其应用电路及外形如图6-7所示。,（a）应用电路,
14、（b）外形 图6-7 酒精检测报警器,6.2.3 接触燃烧式气体传感器,接触燃烧式气体传感器是利用被测气体进行的化学反应中产生的热量与气体浓度的关系进行检测的。,触媒,Al2O3载体,Pt丝,元件,(0.8-2)mm,(b)敏感元件外形图,接触燃烧式气敏元件结构示意图,(a)元件的内部示意图,原理,可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。 空气中可燃性气体浓度愈大 氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多 铂丝的温度变化(增高)愈大 其电阻值增加的就越多。 因此，只要测定作为敏感件的铂丝
15、的电阻变化值(R)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。,接触燃烧式气敏元件的感应特性,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,50,100,150,输 出 电 压 / mV,丙烷,乙醇,异丁烷,丙酮,环己烷,气体浓度(XLEL),接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中F1是检测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在F1和F2上保持100mA200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。,A,F2,F1,M,R1,R2,C,B,D,W2,W1,E0,因为RF很小，且RF1R1=RF2R2,（a）工作原理 （b）外形 图6-8 接触燃烧式气体传感器的外形与工作原理 1载体；2Pt丝；3催化剂；4黑白元件；5输出信号； 6桥路电阻；7调零电阻；8电压调整电阻；9电源,6.2.4 常用气体分析仪介绍,1. 混合气体中组分含量的分析仪 热导式气体分析仪属于热学式分析仪中的一种。它利用各种气体的导热系数不同来实现混合气体的成分检测
