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1、气体成分分析仪表气体成分分析仪表一、概述一、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 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1气体成分分析仪表的组成框图气体成分分析仪表的组成框图 采样装置预处理系统采样系统传感器信号放大和处理单元显示单元控制单元2按测量原理分类主要有电化学式热学式光学式射线式磁学式色谱式电子光学式和离子光学式3二、氧量分析仪二、氧量分析仪在锅炉燃烧系统中，为了确定燃烧的状况在锅炉燃烧系统中，为了确定燃烧的状况并计算燃烧的效率，必须测量烟道气中并计算燃烧的效率，必须测量烟道气中O2、
2、CO2、CO等气体的含量，其中氧含量最为等气体的含量，其中氧含量最为重要重要20世纪世纪60年代出现目前广泛使用的氧化锆年代出现目前广泛使用的氧化锆（ZrO2）测氧仪表结构简单、性能稳定、反）测氧仪表结构简单、性能稳定、反应迅速，是目前较为常用的在线氧量分析应迅速，是目前较为常用的在线氧量分析仪表仪表41氧化镐氧化镐氧化镐在常温下具有单斜晶体结构。当温度升高到1500变为立方晶体。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
3、浓差电势固体电解质固体电解质 氧化镐法氧化镐法52 2氧浓差电势氧浓差电势6 R理想气体常数，理想气体常数，R=8.314J/（molK）；）； T气体的热力学温度，气体的热力学温度，K； n一个氧分子所得的电子数。一个氧分子所得的电子数。n=4； F法拉第常数，法拉第常数，F=96487C/mol PA参比气体（氧气）的氧分压；参比气体（氧气）的氧分压； PC烟气的氧分压。烟气的氧分压。mV73注意事项注意事项（1）采取温度补偿或恒温装置；）采取温度补偿或恒温装置；（2）使使用用中中保保持持被被测测气气体体与与参参比比气气体体压压力力相相等；等；（3）保保证证高高温温，因因为为只只有有高高温
4、温才才便便于于检检测测浓浓差压力。差压力。（4）氧化镐材料致密性要好；）氧化镐材料致密性要好；（5）显显示示仪仪表表必必须须具具有有很很高高的的输输入入阻阻抗抗（因因为氧化镐材料的阻抗很高）。为氧化镐材料的阻抗很高）。891230系列氧化锆测氧探头系列氧化锆测氧探头1011121000型氧分析仪（变送器）13三、热导式气体分析仪三、热导式气体分析仪1. 检测原理混合气体总导热率随被测组分的含量而变化的原理制成的分析仪器。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14根据传热学理论，在温场中的介质传导的热流量 设在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米、面积为
5、1平方米的平行平面,这两个平面的温差为1K,则在1秒内从一个平面传到另一个平面的热量就规定为该物质的热导率,其单位为瓦特/米开。各类物质的热导率W/(mK)的大致范围是：金属为50415，合金为12120，绝热材料为0.030.17，液体为0.170.7，气体为0.0070.17。 1516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 17设待测组分的浓度为设待测组分的浓度为c1，热导率为，热导率为182.热导检测器（热导池）热导式气体分析仪由传感器热导式气体分析
6、仪由传感器(热导池热导池)、测、测量量电路、显示单元、电源和温度控制器组成电路、显示单元、电源和温度控制器组成191-腔体；腔体；2-电阻丝；电阻丝；3-支承架；支承架；4-绝缘；绝缘；5-引线；引线；6-气体出口；气体出口； 7-气体入口气体入口 20设电阻丝在设电阻丝在0 时的电阻值为时的电阻值为R0，通以电流，通以电流 后，电阻丝产生热量并向四周散热后，电阻丝产生热量并向四周散热当电阻丝的温度上升到当电阻丝的温度上升到tn时，电阻的阻值也时，电阻的阻值也变为变为Rn，电阻和温度的关系可近似为：，电阻和温度的关系可近似为：21电阻丝通以电流时，根据焦耳定律可得单电阻丝通以电流时，根据焦耳定
7、律可得单位时间内产生的热量为：位时间内产生的热量为：电阻丝在单位时间内通过气体的传导热量电阻丝在单位时间内通过气体的传导热量为：为：22热平衡时，电流通过电阻丝产生的热量和热平衡时，电流通过电阻丝产生的热量和电阻丝通过气体传导散失的热量相等，即电阻丝通过气体传导散失的热量相等，即 ，可得： 23测量电路被测气体浓度的变化，经过热导池检测器变成了电阻丝阻值的变化，阻值的变化可采用电桥来进行测量。实际常用的测量电路有两种：(1)直流单桥测量线路(2)交流双桥测量线路24(1) 直流单桥测量线路稳稳压压器器供供电电的的直直流流单单桥桥测测量量线线路路25(2) 交流双桥测量线路26热导式气体分析仪的
8、应用能够测量的气体种类很多，如H2，CO2，NH3，Cl2，Ar，He，SO2，H2中的O2，O2中的H2，N2中的H2等；测量范围宽，待测组分含量在0%100%测量范围内均可使用。27测量特定环境空气中的H2，CO2含量；在电解法制氢、制氧设备中，用来分析纯氢中的氧，或纯氧中的氢，以确保安全生产，防止爆炸；化肥厂合成氨生产中，测定循环气体中的氢气含量；测定氯气中的含氢量，以确保安全生产；测定特殊的保护气氛中氢气的含量（如氢冷发电机中氢气的纯度），或纯氮气脱氧工艺过程中的氢气含量；测定空分设备中、粗氩馏分中Ar气的含量；测定硫酸厂和磷肥厂流程气体中的SO2含量；测定金属材料在热处理过程中的氨气
9、分解率，以控制热处理过程。28红外式气体分析仪红外式气体分析仪在科学研究、生产过程、军事和医疗中，在科学研究、生产过程、军事和医疗中，红外检测方法一直被关注和重视，当入射红红外检测方法一直被关注和重视，当入射红外辐射的频率与分子的振动频率相同时，红外辐射的频率与分子的振动频率相同时，红外辐射就会被气体分子所吸收，引起辐射的外辐射就会被气体分子所吸收，引起辐射的衰减衰减工业红外式气体分析仪主要用于测量工业红外式气体分析仪主要用于测量CO、CO2、CH4、C2H4等气体的含量等气体的含量293031323334光源：直径约光源：直径约0.5mm的镍铬丝。此镍铬丝被加热到的镍铬丝。此镍铬丝被加热到6
10、001000，此时，此时光源辐射的红外线波长范围约为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。面汇聚成平行光射出，射出能量相等的两束平行光。红外光源红外光源切光片切光片滤光镜滤光镜测量气室测量气室参比气室参比气室遮光板遮光板电容微音器电容微音器固定金属片固定金属片金属薄膜金属薄膜接收室接收室切光片：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。号，减少信号漂移。35一路平行光：通过滤光镜、参比气室，射入接收室。一路
11、平行光：通过滤光镜、参比气室，射入接收室。红外光源红外光源切光片切光片滤光镜滤光镜测量气室测量气室参比气室参比气室遮光板遮光板电容微音器电容微音器固定金属片固定金属片金属薄膜金属薄膜接收室接收室测量气室：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。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。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，如氮气参比气室：内充不吸收红外线的气
12、体，如氮气36接收室：是薄膜电容微音器。它是利用待测组分的变化引起电容量变接收室：是薄膜电容微音器。它是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。化来测量待测组分的浓度的。红外光源红外光源切光片切光片滤光镜滤光镜测量气室测量气室参比气室参比气室遮光板遮光板电容微音器电容微音器固定金属片固定金属片金属薄膜金属薄膜接收室接收室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，从而导致内吸收，使气体温度升高，
13、从而导致内部压力升高。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。就改变
14、了电容量。37红外线气体分析器在使用时应与取样技术结合起来。取样系统一般包括杂红外线气体分析器在使用时应与取样技术结合起来。取样系统一般包括杂质过滤、干燥、压力控制和流量控制等。对于高温烟气还需有冷却装置。质过滤、干燥、压力控制和流量控制等。对于高温烟气还需有冷却装置。3839五、色谱法五、色谱法 色谱法是最早俄国植物学家茨色谱法是最早俄国植物学家茨维特于维特于1906年首先提出来的。他年首先提出来的。他在研究植物叶的色素成分时，将在研究植物叶的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色
15、素中油醚使其自由流下，结果色素中各组分互相分离形成各种不同颜各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带色的谱带.40流动相和固定相定义流动相和固定相定义流动相流动相需分离的样品由气体或液体携带着沿色谱柱连需分离的样品由气体或液体携带着沿色谱柱连续流过，该携带样品的气体或液体统称流动相续流过，该携带样品的气体或液体统称流动相固定相固定相色谱柱中放有固体颗粒或是涂在担体上的液体色谱柱中放有固体颗粒或是涂在担体上的液体这种放在色谱柱中不随流动相而移动的固体颗这种放在色谱柱中不随流动相而移动的固体颗粒或液体统称为固定相粒或液体统称为固定相41 在茨维特的试验中，固定相是装在试管在茨维特的试验中，固定相是装在
16、试管中的碳酸钙，流动相是溶解有植物色素的中的碳酸钙，流动相是溶解有植物色素的石油醚石油醚. 分离的过程可以形象地看作是固定相对分离的过程可以形象地看作是固定相对各组分中随流动相移动的流动阻力不同，各组分中随流动相移动的流动阻力不同，阻力小的组分跑得快，阻力大的组分跑的阻力小的组分跑得快，阻力大的组分跑的慢，这样经过一段时间后，各组分就可以慢，这样经过一段时间后，各组分就可以分开了分开了.42色谱仪的分类色谱仪的分类按两相的状态分类按两相的状态分类流动相可以是气体，也可以是液体，固定相流动相可以是气体，也可以是液体，固定相则可以是液体，也可以是固体则可以是液体，也可以是固体因此可以有因此可以有气
17、气-液色谱液色谱 气气-固色谱固色谱 液液-液色谱液色谱 液液-固色固色谱谱43色谱法就是利用色谱柱中固定相对被测样品色谱法就是利用色谱柱中固定相对被测样品中各组分具有不同的吸收或溶解能力，使各中各组分具有不同的吸收或溶解能力，使各组分在两相中反复分配，分配的结果是各组组分在两相中反复分配，分配的结果是各组分得以分离分得以分离固定相对某一组分的吸收或溶解能力越强，固定相对某一组分的吸收或溶解能力越强，则该组分就不容易被流动相带走，流出色谱则该组分就不容易被流动相带走，流出色谱柱的时间就越长柱的时间就越长在色谱柱的出口安装一个检测器，检测器将在色谱柱的出口安装一个检测器，检测器将输出一个对应于该
18、组分浓度大小的电信号输出一个对应于该组分浓度大小的电信号4445一、气固色谱固定相一、气固色谱固定相固体吸附剂固体吸附剂 该类型色谱柱是利用其中固体吸附剂对不同物该类型色谱柱是利用其中固体吸附剂对不同物质的吸附能力差别进行分离。主要用于分离质的吸附能力差别进行分离。主要用于分离小分小分子量的永久气体及烃类子量的永久气体及烃类。1. 常用固体吸附剂常用固体吸附剂 硅胶硅胶(强极性强极性)、氧化铝、氧化铝(弱极性弱极性)、活性炭、活性炭(非极非极性性)、分子筛、分子筛(极性，筛孔大小极性，筛孔大小)2. 人工合成固体吸附剂人工合成固体吸附剂 高分子多孔微球高分子多孔微球(GDX)：人工合成的多孔聚
19、合：人工合成的多孔聚合物，其孔径大小可以人为控物，其孔径大小可以人为控制。可在活化后直接用于分离。制。可在活化后直接用于分离。4647气液色谱固定相气液色谱固定相载体载体+固定液固定液 气液色谱固定相由载体气液色谱固定相由载体(Solid support material)和固和固定液定液(Liquid stationary phase) 构成：载体为固定液提构成：载体为固定液提供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而匀的液膜。供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而匀的液膜。1. 载体载体(也称担体也称担体)对载体的要求对载体的要求：粒度均匀、强度高的球形小颗粒；至少：粒度均匀、强度高的
20、球形小颗粒；至少1m2/g的比表面的比表面(过大过大 造成峰形拖尾造成峰形拖尾)；高温下呈惰性；高温下呈惰性(不不与待测物反应与待测物反应)并可被固定液完全浸润。并可被固定液完全浸润。载体类型：载体类型：分为硅藻土型和非硅藻土型，前者又分为白色分为硅藻土型和非硅藻土型，前者又分为白色和红色担体和红色担体482. 固定液及其选择固定液及其选择对固定液的要求对固定液的要求：a) 热稳定性好、蒸汽压低热稳定性好、蒸汽压低流失少；流失少；b) 化学稳定性好化学稳定性好不与其它物质反应；不与其它物质反应；c) 对试样各组分有合适的溶解能力（分配对试样各组分有合适的溶解能力（分配系数系数K 适当）；适当）
21、；d) 对各组分具有良好的选择性。对各组分具有良好的选择性。4950六、气六、气 敏敏 传传 感感 器器用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制,气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。一、一、 气敏电阻的工作原理气敏电阻的工作原理气敏电阻的材料是金属氧化物,在合成材料时,通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成,金属氧化物半导体分N型半导体,如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等,P型半导体,如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度,合成材料有时还渗入了催化剂,
22、如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。51金属氧化物在常温下是绝缘的,制成半导体后却显示气敏特性。一旦元件与被测还原性气体接触,就会与吸附的氧起反应,将被氧束缚的电子释放出来,敏感膜表面电导增加,使元件电阻减小。该 类 气 敏 元 件 通 常 工 作 在 高 温 状 态（200450）,目的是为了加速上述的氧化还原反应。52例如,用氧化锡制成的气敏元件,在常温下吸附某种气体后,其电导率变化不大,若保持这种气体浓度不变,该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加,尤其在100300范围内电导率变化很大。显然,半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。由上述分析可以看出,气敏元件工作时需要
23、本身的温度比环境温度高很多。因此,气敏元件结构上,有电阻丝加热。53545556二、二、 气敏传感器的应用气敏传感器的应用气敏电阻元件种类很多,按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。（1）烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中,经加热成型后低温烧结而成。目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件, 它的加热温度较低, 一般在200300,SnO2气敏半导体对许多可燃性气体,如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。57（2）薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法,在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度0.1m以下）,构成薄膜型气敏元件。氧化锌（ZnO）薄膜
24、型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片。当添加铂作催化剂时,对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体有较高的灵敏度,而对H2、CO2等气体灵敏度很低。若用钯作催化剂时,对H2、CO有较高的灵敏度,而对烷烃类气体灵敏度低。因此,这种元件有良好的选择性,工作温度在400500的较高温度。58气敏电阻传感器气敏电阻传感器烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器59气敏电阻传感器气敏电阻传感器603.9 3.9 气敏电阻传感器气敏电阻传感器实验室中的传感器实验室中的传感器61气敏电阻传感器气敏电阻传感器燃气报警器燃气报警器烟雾报警器烟雾报警器62酒精传感器酒精传感器3.9 3.9 气敏电阻传感器气敏电阻传感器63
