第1页：3.7成分检测
3.7成分检测
成分：混合体中所含组分数及各组分含量成分检测仪表：对物质的成分及性质进行分析和测量的仪表检测目的：确定混合体中某一或全部组分的百分含量
第2页：3.7.1成分检测方法及系统构成
3.7.1成分检测方法及系统构成
- 实验室分析
- 定期取样，通过实验室测定组成及含量
- 现场时时检测
- 利用可以连续测定被测物质的含量或性质的自动分析仪表。
第3页：成分检测仪表分类
成分检测仪表分类
②（按测量原理分类）：a.电化学式，如电导式、电量式、电位式、电解式、酸度计、离子浓度计等；b.热学式，如热导式、热谱式、热化学式等；c.磁学式，如磁氧分析器、核磁共振分析仪等；d.射线式，如x射线分析仪、γ射线分析仪、同位素分析仪、微波分析仪等；e.光学式，如红外、紫外等吸收式光学分析仪，光散射、光干涉式光学分析仪等；
第4页：电子光学式和离子光学式
电子光学式和离子光学式
f.，如电子探针、离子探针、质谱仪等；g.色谱式，如气相色谱仪、液相色谱仪等；h.物性测量仪表，如水分计、粘度计、密度计、湿度计、尘量计等；i.其他，如晶体振荡式分析仪、半导体气敏传感器等。
第5页：自动分析系统的构成自动取样装
自动分析系统的构成自动取样装
2）置：从生产设备中自动、快速地提取待分析样品；
第6页：预处理系统
预处理系统
- 采用诸如冷却、加热、气化、减压、过滤等方式对采集的分析样品进行适当的处理，为分析仪器提供符合技术要求的试样。
- 取样和试样的制备必须注意避免液体试样的分馏作用或气体试样中某些组分被吸附的情况。
第7页：检测器
检测器
- （传感器）：成分检测仪表的核心，把被测组分的信息转换成电信号输出；信息处理系统：对微弱信号进行放大、转换、运算、补偿等处理；显示仪表：给出测量分析结果。
- 动控制系统
- 控制各部分的协调工作。
第8页：3.7.2热导式检测技术
3.7.2热导式检测技术
- 主要用于对混合气体中某种成分含量的分析。
- 常用于分析混合气体中H2、C02、S02等组分的百分含量。
- 检测原理热导式气体分析器是利用各种气体具有不同的导热特性，通过测量混合气体的导热系数的变化，间接获得待测组分的含量。
- 热敏电阻丝作用
- 通电加热、导热系数测定敏感元件原理图
第9页：检测原理式
检测原理式
：混合气体热导率定义:λ:混合气体的总热导率；λi:混合气体中第i组分的热导率；Ci:混合气体中第i组分的体积百分含量。
第10页：被测组分测量
被测组分测量
- 设被测组分的热导率为λ1，其余组分为背景组分，并假定它们的热导率近似等于λ2。
- 并且
- C1+C2+…+Cn=1，∴：被测气体含量
第11页：注意
注意
- a.利用上式测量的先决条件：
- 混合气体中除待测组分外，其他组分的导热导率应近似相等
- 待测组分的热导率与其他组分的热导率要有显著差别b.气体的热导率与气体的温度有关：关系式：其中λ0：零度时气体热导率；β：一定温度范围内气体热导率的温度系数
第12页：常见气体导热系数表相对导热系
常见气体导热系数表相对导热系
数λ0/ λ空气导热系数λ0/ W／(m·K)气体名称1.0007.1301.3181.0130.9980.9640.8970.6140.6580.3440.02440.17410.03220.02470.02440.02350.02190.01500.01610.0084空气氢气甲烷氧气氮气一氧化碳氨气二氧化碳氩气二氧化硫
第13页：02含量
02含量
- 例如
- 测量烟道气体中的C，已知烟道气体的组分有C02、N2、CO、S02、H2、O2等。样品处理：
- S02、H2热导率相差太大，应进行预处理除去。剩余的背景气体热导率相近。
- 待测组分（CO2）与其他组分的热导率有显著差别，所以可用热导法进行测量7.1301.0130.9980.9640.6140.3440.17410.02470.02440.02350.01500.0084氢气氧气氮气一氧化碳二氧化碳二氧化硫
第14页：热导检测器
热导检测器
- 热导池的作用
- 将气体的导热系数的大小及其变化转换成热导池中热电丝的电阻值的变化，以利于测量。
- 热导池的结构。一个开有气体样品进出口的垂直放置的气室(上出下进)，中心装有一根热电阻丝（敏感元件），电阻丝两端用铂铱弹簧作连接引线，以防电阻丝热胀冷缩，产生形变影响阻值。
第15页：热平衡关系推导热电阻特性
热平衡关系推导热电阻特性
- 热平衡关系
- Rn：tn℃时电阻丝的阻值，R0：0℃时电阻丝的阻值，α：电阻丝的温度系数。
- 电阻丝发热量
- 气体散热量：rc：气室内半径；rn：电阻丝半径；l：电阻丝长度
第16页：热导池的不同形式
热导池的不同形式
- 直通式
- 特点：气室与主气路并列，之间有节流孔，反应迅速，滞后小；易受气流、压力波动影响。
- 对流式
- 特点：气室与主气路下端连接，不分流，气室与循环管形成一热对流回路；反应慢、滞后大；气流波动小。
第17页：特点
特点
：气体靠扩散方式进入气室进入气室的气样存在倒流现象，存在死区；适用于测量质量小的气体特点：综合了对流式和扩散式的优点，避免了气样的倒流，保证气样有一定流速b.对流扩散式：c.扩散式：
第18页：4个气室安装在同一金属体上
4个气室安装在同一金属体上
3）测量电路热导式气体分析仪通常采用桥式测量电路原理图：结构特点：Rm：测量室桥臂；Ra：参比室桥臂；，保证各气室的壁温一致；参比气室内封装被测气体下限浓度气样；被测气体组分百分含量与参比室中的气样浓度相等时，电桥处于平衡状态。
第19页：应用
应用
- 特点
- 用两个测量气室可以提高测量电桥的灵敏度，设置参比桥臂的目的是要减小发送器温度波动对测量的影响，电源电压的波动对电桥输出有直接影响。
- 为提高测量精度，可采用双电桥测量系统。
- 热导式分析仪表最常用于锅炉烟气分析和氢纯度分析，也常用作色谱分析仪的检测器。
- 在线使用这种分析仪表时，要有采样及预处理装置。
第20页：3.7.2红外式成分检测
3.7.2红外式成分检测
- 仪：根据气体对红外线的吸收特性来检测混合气体中某一组分含量的检测仪器。
- 红外线气体成分检测依据
- 气体对红外线的吸收特性及产生热效应性质，1）红外线及气体对红外线的吸收特点①红外线：波长范围为0.76～1000μm之间的一种电磁波，②红外吸收特点：气体对红外线的波长具有选择性的吸收能力。
- 不同的气体在特定的不同波长范围内对红外线具有吸收能力，并且在某些特定的波长范围内对红外线有强烈的吸收。
第21页：红外线吸收图谱
红外线吸收图谱
第22页：朗伯一比尔定律I
朗伯一比尔定律I
- 通过被测气体后的光强度；I0：通过被测气体前的光强度；Kλ：待测组分对波长为λ的红外线的吸收系数；c：测组分的浓度；l：红外线穿过的被测气体的长度。
- 即：红外线通过物质前后的能量变化随着待测组分浓度的增加而以指数下降；
第23页：气体吸收红外辐射后温度上升
气体吸收红外辐射后温度上升
- 气体吸收红外辐射越多，则温度升高也越多。
- 若气体的体积一定，则在温度升高的同时，使压力增加。
- （能量转换）⑤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对红外线具有吸收能力
第24页：红外线气体分析仪检测原理
红外线气体分析仪检测原理
- ①基本原理
- 工作气室通入被测气体，
- 参比气室中一般充有不吸收红外线的气体(如N2)或下限气体(背景气体)等。
- 参比气室的作用是在待测组分为零时使经两个气室后照射到红外探测器上的红外线强度相等，减小光源波动及环境变化的影响。
- 待测组分进入工作室。二气室气体吸收红外能量不同，二红外探测器获取不同信号。
第25页：影响因素
影响因素
- 主要影响因素
- 背景气体对通过气室的红外线能量的吸收。主要表现：
- 背景气体与待测气体具有不同的吸收波长范围，
- 背景气体吸收的红外线波长范围与待测气体有部分重叠
第26页：背景气体与待测气体
背景气体与待测气体
- 具有不同的吸收波长影响效果（两种情况）：
- 红外探测器对波长有选择性如只接收a一b波长段，则背景气体的存在不影响待测组分的测量结果；
- 红外探测器对波长无选择性，探测器能接受整个红外光谱，那么背景气体的存在以及它对入射红外线的吸收将导致红外探测器输出的变化。示意图：
第27页：背景气体吸收的红外线波长
背景气体吸收的红外线波长
b.与待测气体有部分重叠示意图：影响：背景气体的存在将影响测量结果
第28页：干扰克服方法基本策略
干扰克服方法基本策略
- 处理方法
- 在两个红外线光路上加装滤波气室。
- 滤波气室应有足够的长度，能将c-d波长段的红外线能量全部吸收。
- 原理图：
第29页：干扰克服原理示意图
干扰克服原理示意图
第30页：加装滤波气室后
加装滤波气室后
的等效效果示意图左右两光路上装了同样的滤波气室，消除了吸收交叉区的影响，保证了作用于两个红外探测器的红外线能量之差只与待测组分的浓度有关。
第31页：红外线气体分析仪的分类
红外线气体分析仪的分类
- 组成和应用特点分类
- 空间双通道分析仪、时间双通道分析仪组成：红外线气体分析仪主要由红外线辐射光源、气室、红外探测器以及电气线路等部分组成。
- 基本结构图
- a.空间双通道红外气体分析仪
第32页：红外线辐射光源光源一般都由通
红外线辐射光源光源一般都由通
- 电加热镍铬丝而得到，可发出波长为3～10μm的红外线。
- 辐射光源形式
- 单光源、双光源特点：可以避免两个光源不完全一致的毛病，但在安装和调试上比较麻烦；双光源结构单光源结构特点：双光源的特点与单光源特点相反。
第33页：反射镜将光源产生
反射镜将光源产生
- 的红外线变成一平行辐射线照射到各气室。反射镜面常做成球形或圆柱形，镜面光洁度达V12，一般用铜镀金、铜镀铬或铝合金抛光制成。
- 切光片将光源调制成断续的红外辐射线，以便于电气线路中信号的放大（同步电机带动以8~25赫兹的频率转动）。常见的切光片的形状有半圆形和十字形两种，如图所示。
第34页：气室
气室
- 气室包括测量气室、参比气室和滤波气室。
- 它们在结构上基本相同，一般是圆筒型，两端用晶片密封。
- 气室的内壁光洁度很高，并且要求不吸收红外线、不吸附气体、化学稳定性好，一般采用铜镀金、玻璃镀金或铝合金抛光制成。
- 气室两端的晶片要求不吸收红外线、有高的透光系数、不易潮解、有足够的机械强度及良好的化学稳定性。
- 常用的晶片材料有氟化锂、氟化钙、石英及蓝宝石等。
- 测量气室长度与待测组分的浓度大小有关。
- 由朗伯一比尔定律可知，若待测组分的浓度较低，为提高仪器的灵敏度，可选用较长的测量气室；反之，应取较短的气室。
第35页：滤波气室充以背景气
滤波气室充以背景气
- 。
- 并且应保证其长度足以使通过的两束光中干扰组分吸收波长的能量被全部吸收。
- 滤波气室可以用滤光片取代。
- 使用滤光片的优点是仪器结构可以简化，使用时比较灵活方便，但滤光片制造工艺复杂，使用上还存在一定的局限性，因此滤波气室目前仍被广泛使用。
第36页：红外探测器将红外辐射量
红外探测器将红外辐射量
- 的变化转换成电量的变化的装置。
- 分类（根据工作原理）：薄膜电容型探测器是一种选择性检测器。
- 目前，绝大部分工业用红外线气体分析仪都应用这种探测器。
- 它的最大优点是抗干扰组分影响能力强。
- 红外探测器光电导型光生伏特型热敏型薄膜电容型无选择性
第37页：薄膜电容型探测器原理结构图测
薄膜电容型探测器原理结构图测
- 量原理
- 根据能量转换后等容气体温度差导致压力差原理。
- 工作过程♦工作室未通入待测气体组分射入的两路红外线能量相同，薄膜隔开的两室内压力相同，膜片处于平衡位置，电容量不变。
- ♦工作室通入待测气体组分参比侧射入的红外线能量大于工作侧的能量，参比侧吸收更多的能量，温度高于工作侧，气体体积不变，参比侧压力高于工作侧压力，膜片变形靠近定片，电容量改变。
第38页：时间双通路红外线气体分析仪结
时间双通路红外线气体分析仪结
- 构特点
- 只有一个光源，一条光通道，一组气室。
- 工作原理
- 在光路中，由测量滤光片和参比滤光片先后将红外线分成两组不同波长的红外光束，使得单光路系统按时间不同形成两个光路，利用由时间分配形成的两光路吸收红外线能量之差分析测样中某组分的含量。
第39页：原理结构图
原理结构图
：
第40页：时间双光路红外气体分析仪
时间双光路红外气体分析仪
特点：结构简单，体积小；耐振较空间双光路红外线气体分析仪具有较高的选择性和稳定性可靠性较高；对气体的预处理要求较低
第41页：红外式检测
红外式检测
- 特点一种光学式分析仪器。
- 它具有选择性高、灵敏度高、测量范围宽、精度高以及通用性好等特点。
- 由于不同的气体有不同的红外吸收光谱图，因此，和热导式、热磁式气体分析仪相比，红外线气体分析仪可用于多种气体的成分分析。
- （不能用于检测单原子分子气体和无极性的双原子分子气体）目前，较多的用于CO、CO2、、NH4、SO2、NH3、NO等气体的检测。
- 由于受红外探测器检测气室、滤波气室、参比气室的限制，通常一台仪器一次只能测量一种组分的一定浓度范围。
- 由于电容变化量极小，获得的信号也极小，因此对放大器要求很高（灵敏度、稳定性、抗干扰性等）
第42页：仪器
仪器
- 根据待测组分的浓度不同一般可分为常量和微量两类：常量分析仪：精度为1～2.5级，时间常数不大于15s；微量分析仪：测量范围一般以ppm为单位，精度为2～5级，时间常数不大于30s。
- 红外线气体分析仪的使用环境条件比热导式等要严格，例如，不能将仪器安装在振动和冲击较大、尘埃较大的地方。
- 注意水蒸气对波长为3～10／am的红外辐射几乎都能吸收，因此水蒸气对红外线气体分析仪的干扰较严重，为此必须在气体进入测量气室前进行除水、干燥处理。
- 环境湿度对仪器有一定的影响。
