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1、9.1 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,成分检测的目的:,成分:,是指混合气体或液体中的各个组分。,确定某一或全部组分在混合气体或液体中所占的百分含量。,成分分析方法及分析系统的构成,以烟气分析为例1）定量分析烟气成分中所含可燃性气体的量，如CO、H2、CH 4，从而确定燃烧产物中化学不完全燃烧热损失；2）定量分析烟气成分中所包含O2、CO2、N2等量，计算过量空气系数，确定燃烧设备热效率；3）定量分析烟气成分中所含有害气体，如SO2、NOx等量，从而采取措施，预防对设备的腐蚀和对大气的污染。,家庭用煤气报警器,家庭用液化气报警器,一氧化碳传感器,
2、汽车尾气分析,酒精测试仪,呼气管,甲烷传感器,成分分析方法的分类,按测量原理，成分分析仪表可以分为：,成分分析方法的两种类型：（1）定期取样 （2）自动分析仪表（连续测定 被测物质的含量或性质）,化学式： 工业酸度计 物理式： 如热导式、热磁式 物理化学式： 氧化锆氧量计、色谱仪光学式： 红外、紫外等吸收光式光学分析仪,工业用成分分析仪表,1、热导式气体分析仪-最早的物理式气体分析仪器,气体分析仪，是测量混合气体中某一种气体浓度的仪表。,某些气体在0时导热系数（ ）和相对导热系数（ ）,混合气体中各组分的体积百分含量。,混合气体中各组分的热导率，,混合气体热导率：,其中,若被测组分的热导率为,
3、，其余组分为背景组分，热导率,近似为,（差别大时需要在预处理时去掉），则,即有：,为已知， 为测定的总的热导率。,Attention：,1）混合气体中除待测组分外，其余各组分的应相同或相近，否则要进行预处理；2）待测组分的与其余各组分的要有明显差别，差别越大，灵敏度越高；3）同一种气体在不同温度下，其是变化的，随温度的升高而增大。所以需要保持恒定的温度。,解：大致步骤如下：（1）将混合气体分成CO2和由N2、CO、SO2、H2、O2组成的背景气体两部分。（2）混合气体中间SO2和H2的热导率与其他三个气体的热导率相差很大，需要进行 预处理，将SO2和H2除去。（3）经过预处理后的背景气体由N2
4、、CO、O2组成，平均热导率为 2=（0.998+0.964+1.015）/3=0.992 （4）测定由CO2、N2、CO、O2构成的混合气体的总的热导率，再由公式,可以得到CO2的体积百分含量。(其中1=0.614，2=0.992，是测定的。),例：已知烟道气体的组分有CO2、N2、CO、SO2、H2、O2。其各自的相对热导率依次为：0.614、0.998、0.964、0.344、7.130，1.015。试分析该混合气体中CO2的体积百分含量，给出分析步骤和体积百分含量的表达式。,热导检测器的结构 池体：一般用不锈钢制成。 热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。 参考臂
5、：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。 测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。,钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值： R参=R测 ; R1=R2 则： R参R2=R测R1 无电压信号输出；记录仪走直线（基线）。 进样后，载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参R测 则： R参R2R测R1这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。,检测原理,平衡电桥，右图。不同的气体有不同的热导系数。,RD型热导式气体分析器,RD型热导式气
6、体分析仪品种和规格比较多，结构简单，使用维护方便，被广泛地用来分析混合气体中的H2、Ar， SO2 ，NH3等气体，实现对工艺过程的监控。 RD-004型氢气分析仪表在化肥厂通常用来分析合成氨生产过程中氢气的含量。,取样及预处理系统,2. 红外式气体分析仪光学式气体分析仪器,红外线是什么？,N2 , O2 , Cl2 , H2及各种惰性气体如He, Ne, Ar等，不吸收1 25 um的红外波，所以红外线分析仪不能分析这类气体。,用125 um的一段光谱。,红外线分类：,红外线为什么能够进行成分分析？,红外线能够对所有气体都进行成分分析吗？,一种电磁波，波长介于可见光和无线电波之间。,几种气体
7、对红外线的透射光谱,乙烯,乙烷,乙炔,甲烷,二氧化碳,一氧化碳,图1 气体对红外吸收示意图 气体对红外辐射的吸收程度可用比耳朗伯定律来表示： EE0e-KCl（1） E0:入射光能量 E:透过光能量 K:气体吸收系数 C:气体摩尔浓度或质量/体积浓度 l:气体层厚度,光束通过气体层后被吸收的能量E则为 EE0-EE0(1-e-KCl)(2) 当KCl的数值很小时 E-KCl1-KCl E E0-EE0 (1-e-KCl) E0 1-(1-KCl) E0KCl(3) 上式表明，气体浓度较小时，红外光吸收的能量E将与气体浓度有对应的线性关系（图2）。,图2 吸收能量与气体浓度的关系,当直接或间接测
8、得E时，便可知气体浓度C，这就是红外气体分析仪的理论基础之一。,红外线的另一特点是它的热效应，即它对热能的辐射能力很强，一个炽热物体向外辐射能量，大部分是通过红外线辐射出来的。与此相对应，当红外线作用于物质时，红外线的辐射能被物质所吸收，并转换成其他形式的能量，气体在吸收红外线的辐射能后就使气体温度升高。利用这种转换关系，就可以确定物质吸收红外线辐射能的多少，从而可以确定物质的含量。这是红外线进行成分分析的基础之二。,红外线气体分析仪结构原理图,红外线气体分析仪主要由光源、切光片、滤波室、测量室、参比室、检测室、微机系统 等组成,1-光源；2-切光片；3-同步电机；4-测量气室；5-参比气室；
9、6-滤光气室；7-检测气室；8-前置放大器；9-主放大器；10-记录器,1.红外线辐射源,光源要求： 辐射的光谱成分要稳定； 辐射的能量大部分集中在待测气体特征吸收波段； 辐射光最好能平行于气室中心入射； 光源寿命长，热稳定性好，抗氧化性好，金属蒸发物要少； 光源灯丝在加热过程中不能释放有害气体。 典型的红外线辐射源是由镍铬合金或钨丝绕制成的螺旋丝，用低电压源加热，温度升至600800之间发出暗红色光，发射出0.77m的连续波长的红外光。,2.切光片,切光片是一块90度角的双扇形黑色薄板，它以每秒3.24周的速度转动，在每一周期中，它对光源的两束光同时地打开两次，切断（遮住）两次。,3.气室,
10、气室包括测量气室、参比气室和滤波气室，它们的构造基本相同，都是圆筒形，两端用晶片(或称窗口)密封，除了测量气室带有气体进出口以外，其他气室都是密封的。气室要求内壁光洁，不吸收红外线，不吸附气体，化学性能要相当稳定。因此，选用的材料一般为黄铜镀金、玻璃镀金或铝合金管，且内部表面要抛光。,4.红外线辐射能量的检测器,红外线辐射能量的检测器种类较多，概括起来有两类 薄膜微音器又称光声式探测器或检测电容器，工作原理是热辐射使动片两侧检测室的气压变化，造成动片与固定电极间距离改变，引起电容量变化，从而达到检测辐射的强度。 光导检测器 一类半导体的物质，如锑化铟(InSh)，因红外辐射引起其电阻改变而被检
11、测。,测量时（如分析CO气体的含量），两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室， 由于测量气室中含有一定量的CO气体，该气体对4.65m的红外线有较强的吸收能力，而参比气室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个吸收气室的红外线光造成能量差异，使两吸收室压力不同，测量边的压力减小，于是薄膜偏向定片方向，改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容C。如被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。,1-光源；2-切光片；3-同步电机；4-测量气室；5-参比气室；6-滤光气室；7-检测气室；8-前置放大器；9-主放大器；
12、10-记录器,结构中还设置了滤波气室，其目的是为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO气体和CO2在45 m波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO）的浓度有关。,注意：如果干扰气体对测量结果没有影响的话，就不需要滤波气室,优点：,灵敏度高，测量范围宽，精度高，通用性好可用于多种气体的成分分析,缺点：,1）由于其结构特点，一台仪
13、表通常只能测量一中组分的一定浓度范围。2）安装条件严格：位置稳定、尘埃小。3）对气体要先进行预处理（除水、干燥）。,3、氧化锆氧量计,氧化锆氧量计是最近二十年发展起来的一种新型烟气氧含量分析测量仪表，根据电化学的原理制造的。组成：它由传感器（锆头）和变送显示器组成。,应用：氧化锆氧量计广泛地应用在火力发电、采暖、炼油、化工、轻纺、水泥等工业领域内。,分类：氧化锆氧量计按其安装方式分为抽出式和直插式两类。抽出式是通过取样预处理系统把烟气从烟道中抽出来，经过滤、净化后送到氧化锆传感器。这种类型的氧量计由于有取样预处理系统而失去了氧化锆氧量计自身响应快的优点。这种类型的氧化锆氧量计一般不用于指导锅炉
14、燃烧的分析测量，而多用于环境保护方面的烟气分析。直插式是将氧化锆传感器直接插入高温烟道或旁路烟道，不需要烟气预处理装置。直插式氧化锆氧量计又有两种类型，即恒温式氧化锆氧量计和补偿式氧化锆氧量计。,氧化锆氧量计的工作原理-基于电化学中浓差电池原理工作的,氧化锆（ZrO2）材料的化学性质 在ZrO2材料中加人一定量的氧化钙（CaO）或氧化钇(Y2O3)，经高温烧结，2价的钙离子Ca2+会进入ZrO2晶体而置换出十4价的锆离子Zr4+。置换出的锆离子Zr4+与数量不足的氧离子结合而形成带有氧离子空穴的氧化锆材料，成为一种不再随温度变化的正立方晶型的材料。这种材料被称为空穴型氧化锆晶体，为固体电解质。,在两极板上表现出的电极反应为参比气样侧极板： O24e 2O2-待测气样侧极板： 2O2-O24e 其浓差电势由能斯特公式确定：,式中 R气体常数，8.314J（Kmol）； T浓差电池温度（池温），K； F法拉第常数，96.487Cmol； n电极反应时一个氧分子输送的自由电子数 （n = 4）； p2参比气样的氧分压力； p1待测气体的氧分压力。,（还原反应）,（氧化反应）,由于在混合气体中，某气体组分的压力与总压力之比与其容积浓度成正比，因此当参比气样的总压与待测气样的总压相等时，上式可化成如下形式：,式中 p 参比气样总压力； 参比气样氧容积浓度； 待测气样氧容积浓度。,
