黎善斌《自动检测技术与装置》六节气体成分分析仪表.pptVIP

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 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Ca＋2置换了Zr＋4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，该电势称为浓差电势 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pR＝21000Pa（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 第六节 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 第六节 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λ，λ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λ可用下式计算 其中 λi—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 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Q＝Q′。如果混合气体的导热系数λ愈大，其散热条件愈好，热平衡时的温度tn也愈小，反之，λ愈小，tn愈高，Rn愈大，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 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0.76～1000μm范围内的电磁波。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