1第七章第七章 过程分析仪器过程分析仪器定义：定义： 又称在线分析，指对物料又称在线分析，指对物料的的组成成份组成成份以及各种以及各种物理化学物理化学特性特性进行分析测量进行分析测量。2目的：目的：u提高和保证产品的质量；提高和保证产品的质量；u降低原材料及能源的消耗；降低原材料及能源的消耗；u保证安全生产；保证安全生产；u防止坏境污染。防止坏境污染。3例如，燃煤锅炉中测量：例如，燃煤锅炉中测量：烟气含氧量；烟气含氧量；出口出口NoxNox、SO2SO2含量；含量；给水的酸碱度等。给水的酸碱度等。4气体分析仪器：气体分析仪器： 红外线气体分析仪、热氧红外线气体分析仪、热氧化锆氧量分析仪、气相色谱仪化锆氧量分析仪、气相色谱仪和工业质谱仪等和工业质谱仪等 物性测量仪表：物性测量仪表：湿度计、酸度计湿度计、酸度计 、粘度计等、粘度计等5过程分析仪器特征：过程分析仪器特征：安装在现场、连续自动取样、预安装在现场、连续自动取样、预处理、自动分析、信号处理和远处理、自动分析、信号处理和远传。传。分析仪器分为：分析仪器分为：实验室分析仪器和过程分析仪器实验室分析仪器和过程分析仪器6过程分析的方法有两种类型过程分析的方法有两种类型: :u一种是定期取样，通过实验室一种是定期取样，通过实验室测定的实验室分析方法；测定的实验室分析方法；u另一种是利用可以连续测定被另一种是利用可以连续测定被测物质的含量或性质的自动分析测物质的含量或性质的自动分析仪表。仪表。7 过程分析所用的仪器和仪表过程分析所用的仪器和仪表基于多种测量原理，在进行分析基于多种测量原理，在进行分析测量时，需要测量时，需要根据被测物质的物根据被测物质的物理或化学性质，来选择适当的手理或化学性质，来选择适当的手段和仪表段和仪表。8过程分析仪表按测量原理分类：过程分析仪表按测量原理分类：电化学式：酸度计、离子浓度计电化学式：酸度计、离子浓度计热学式：热导式、热谱式、热化学式热学式：热导式、热谱式、热化学式磁学式：磁式氧分析器、核磁共振分磁学式：磁式氧分析器、核磁共振分析仪析仪射线式：射线式： X X 射线分析仪、射线分析仪、射线分射线分析仪、同位素分析仪析仪、同位素分析仪9光学式：吸收式光学分析仪，光散射、光光学式：吸收式光学分析仪，光散射、光干涉式光学分析仪干涉式光学分析仪电子光学式和离子光学式：电子探针、离电子光学式和离子光学式：电子探针、离子探针、质谱仪子探针、质谱仪色谱式：气相色谱仪、液相色谱仪色谱式：气相色谱仪、液相色谱仪物性测量仪表：水分计、粘度计、密度计、物性测量仪表：水分计、粘度计、密度计、湿度计、尘量计湿度计、尘量计其他，晶体振荡式分析仪、半导体气敏传其他，晶体振荡式分析仪、半导体气敏传感器等。感器等。10 利利用用各各物物质质的的性性质质之之间间存存在在的的物物理理或或化化学学差差异异，把把被被测测组组分分或或物物质质转转换换成成易易于于检检测测的的信号信号，实现定性与定量检测。，实现定性与定量检测。11气体成份分析气体成份分析目的目的: : 是分析各种气体混合物中各组分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。含量或其中某一组分的含量。 气体成分的检测特点：气体成分的检测特点： 和温度、压力不一样，一般有一个和温度、压力不一样，一般有一个取样系统，取出被测样品，由过滤器，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。分离，冷却器和抽吸设备等组成。12气气体体成成分分分分析析仪仪表的组成框图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13红外式气体分析仪原理：红外式气体分析仪原理：根据气体对红外光的吸收。根据气体对红外光的吸收。 红外线是指波长为红外线是指波长为0.760.7610001000m范围内的电磁波。既然它是一种电磁波，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、干涉和因此它具有折射、反射、散射、干涉和吸收等性质。吸收等性质。14归纳起来具有以下特点：归纳起来具有以下特点：u同种气体对红外线的吸收能力因红外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。线的波长不同而不同。u单原子分子气体和无极性的双原子分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。外线有强烈的吸收。u气体吸收了红外线辐射以后，温度升气体吸收了红外线辐射以后，温度升高使压力（体积）增加。高使压力（体积）增加。 15u气体对红外线的吸收遵循朗伯气体对红外线的吸收遵循朗伯比比尔定律，即：尔定律，即：16图图7-1 CO 7-1 CO 、COCO2 2气体的红外线吸收特性气体的红外线吸收特性透透射射率率(%)波长（波长（m） 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15100806040200CO 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15100806040200CO2COCO2 2两个特征吸收波段两个特征吸收波段2.6-2.92.6-2.9 m m及及4.1-4.5 4.1-4.5 m m COCO吸收波长为吸收波长为2.37 2.37 m m和和4.654.65 m m1761 1光光源源； 2 2同同步步电电机机； 3 3切切光光片片；4 4滤滤波波室室； 5 5参参比比室室；6 6测测量量室室；7-7-检检测测室室；8 8薄薄膜膜；9 9定定片片；1010电电气气单元；单元； 1111微机系统微机系统红外线气体分析仪原理图红外线气体分析仪原理图181)1)光源：光源：光源的作用是产生两束能量相等而光源的作用是产生两束能量相等而又稳定的平行红外光束，光源多由镍铬丝制又稳定的平行红外光束，光源多由镍铬丝制成。成。2) 2) 切光片：切光片：切光片在电机带动下对光源发出切光片在电机带动下对光源发出的光辐射信号做周期性切割，将连续信号调的光辐射信号做周期性切割，将连续信号调制成一定频率（一般为制成一定频率（一般为225Hz225Hz）的交变信号）的交变信号 3) 3) 滤光部分：滤光部分：吸收或滤去可被干扰气体吸收吸收或滤去可被干扰气体吸收的红外线，去除干扰气体对测量的影响。的红外线，去除干扰气体对测量的影响。 红外分析仪基本组成：红外分析仪基本组成：194) 4) 测量室和参比室测量室和参比室: : 测量室和参比室的两端测量室和参比室的两端用透光性能良好的用透光性能良好的CaFCaF2 2晶片密封。参比室内封晶片密封。参比室内封入不吸收红外辐射的惰性气体，测量室则连续入不吸收红外辐射的惰性气体，测量室则连续通入被测气体。通入被测气体。5)5)检测室检测室: : 检测室检测室( (检测器检测器) )的作用是用来接收的作用是用来接收从红外光源辐射出的红外线，并转化成电器信从红外光源辐射出的红外线，并转化成电器信号。号。 20红外线分析器红外线分析器都采用电容微都采用电容微音器式检测器。音器式检测器。 窗体窗体吸收气室吸收气室壳体壳体电容定片电容定片电容动片电容动片引引线线薄膜电容接收结构示意图薄膜电容接收结构示意图21取样系统取样系统 一般由一般由取样探头、除湿器、除尘器、取样探头、除湿器、除尘器、冷却及抽气装置冷却及抽气装置等组成。根据现场实际等组成。根据现场实际需要，可增设温度控制装置、压力调节需要，可增设温度控制装置、压力调节装置、流量调节装置、流路切换装置等装置、流量调节装置、流路切换装置等预处理设备，以保证成分分析系统可靠预处理设备，以保证成分分析系统可靠运行。运行。22一氧化碳分析仪一氧化碳分析仪二氧化硫分析仪二氧化硫分析仪常用的红外气体分析仪有：常用的红外气体分析仪有：COCO2 2气体分析仪气体分析仪23氧化锆式氧量分析仪氧化锆式氧量分析仪氧量分析仪有氧量分析仪有: :氧化锆式氧化锆式; ;热磁式热磁式; ;磁力机械式磁力机械式; ;应用范围：应用范围：冶金、能源动力、石油化工、制药、环保冶金、能源动力、石油化工、制药、环保24氧化锆介质氧化锆介质由由ZrOZrO2 2与与CaOCaO按一定的比例混合，按一定的比例混合，（CaOCaO作为稳定剂）高温作为稳定剂）高温烧结形成固熔体，在烧结形成固熔体，在温温度高于数百度（度高于数百度（600-600-800800 C C）时，它成为时，它成为氧氧离子的良好导体。离子的良好导体。多孔铂电极多孔铂电极氧化锆烟气参比气体工作原理工作原理基于基于浓差电池浓差电池原理进行工作。原理进行工作。25假设参比端假设参比端P P1 1( (已知氧量已知氧量)待测端待测端P P2 2( (未知氧量未知氧量) )参比电极侧（电池正极参比电极侧（电池正极+ +）：）：待测电极侧（电池负极待测电极侧（电池负极- -） ：氧化锆氧氧化锆氧浓差电池的工作原理可用下式表示：浓差电池的工作原理可用下式表示：负极负极电解质电解质正极正极参比电极（参比电极（PtPt）给出四个电子，自身带正电）给出四个电子，自身带正电一个氧分子的迁移使待测电极获得四个电子带负电。一个氧分子的迁移使待测电极获得四个电子带负电。26氧气从分压高的一侧氧气从分压高的一侧(P(P1 1) )向分压低的一侧向分压低的一侧(P(P2 2) )迁移，并伴有电荷的定向迁移，从而在氧化锆迁移，并伴有电荷的定向迁移，从而在氧化锆两侧的铂电极间产生电动势。两侧的铂电极间产生电动势。l总电池反应总电池反应高低+-27氧化锆两端产生电动势，大小由能斯特公式决定氧化锆两端产生电动势，大小由能斯特公式决定: :28若分析烟气和参比气体的总压力均为若分析烟气和参比气体的总压力均为P, P, 因此：因此：所以有：所以有：由上式可知由上式可知 1 1、R R 、n n 、F F均为常数，均为常数，保持保持T T不变不变，通，通过测出过测出E,E,即可知道待测气体含氧量。即可知道待测气体含氧量。29被测气体中氧的浓度（被测气体中氧的浓度（ 2 2）与浓常差电势）与浓常差电势E E为对数关系。为对数关系。取取n=4n=4、F=96500C/molF=96500C/mol把自然对数换成常用对数：把自然对数换成常用对数：例：已知 1 1=20.6%=20.6%，检测器恒温，检测器恒温850850，被测气体的浓度为，被测气体的浓度为10%10%，则浓差电势为则浓差电势为30注意事项注意事项 氧化锆氧量计正常使用条件：氧化锆氧量计正常使用条件：一般不用于可燃性气体组分的氧分析一般不用于可燃性气体组分的氧分析。(1)(1)应使氧化锆传感器的温度恒定，应使氧化锆传感器的温度恒定，850850时灵敏度最高。时灵敏度最高。(2)(2)必须要有含量稳定不变的参比气体。必须要有含量稳定不变的参比气体。(3)(3)被测气体和参比气体应具有相同的压力被测气体和参比气体应具有相同的压力31uA A、两个半电池：一个、两个半电池：一个“半电池半电池”是已知氧气分压是已知氧气分压的参比电极，另一个的参比电极，另一个“半电池半电池”是含氧量未知的测是含氧量未知的测量电极。量电极。uB B、当两侧气体中的、当两侧气体中的O O2 2浓度浓度 1 1、 2 2不同时，则在两电不同时，则在两电极之间出现电势，称为氧浓差电势。极之间出现电势，称为氧浓差电势。uC C、氧浓差电势在一定温度下，只与两侧气体中的、氧浓差电势在一定温度下，只与两侧气体中的氧含量（浓度）有关。氧含量（浓度）有关。uD D、如果一侧氧浓度不变，另一侧氧浓度变化，即、如果一侧氧浓度不变，另一侧氧浓度变化，即可通过测量输出电势来测量另一侧含氧量。可通过测量输出电势来测量另一侧含氧量。小结32氧化锆式氧量分析仪结构原理图氧化锆式氧量分析仪结构原理图220V220V温控装温控装置置阻抗变阻抗变换器换器显示仪显示仪氧化铝管氧化铝管氧化锆管氧化锆管铂铑电偶铂铑电偶氧量变送器氧量变送器多孔型铂电极多孔型铂电极电炉电炉一、基本结构一、基本结构进气进气主要由主要由氧化锆氧量传感器氧化锆氧量传感器、温度控制、显示仪表等组成温度控制、显示仪表等组成 33氧量变送器氧量变送器氧量传感器氧量传感器输出单元输出单元进气进气主主控控系系统统模模/ /数数转转换换电电路路（A/DA/D）氧化锆管氧化锆管电电压压跟跟随随放大器放大器显示器单元显示器单元热电偶热电偶电电压压跟跟随随放大器放大器模模/ /数数转转换换电电路路（A/DA/D）标准信号标准信号电压信号电压信号电压信号电压信号记录仪单元记录仪单元温度控制信号温度控制信号定温电炉定温电炉智能型氧化锆氧量分析仪工作示意图智能型氧化锆氧量分析仪工作示意图以以单单片片机机为为核核心心，主主要要由由氧氧化化锆锆氧氧量量传传感感器器、氧量变送器氧量变送器及及输出单元输出单元组成。组成。智能型氧量传感器结构：智能型氧量传感器结构：344123参比气(a)4123(b)52413(c)二、氧化锆探头的安装二、氧化锆探头的安装 （a a）插入式；（）插入式；（b b）附壁式；）附壁式； （c c）抽出式）抽出式 1 1炉壁；炉壁； 2 2氧化锆探头；氧化锆探头；3 3过滤器；过滤器；4 4泵；泵；5 5水封水封35影响氧化锆氧量计的因素：影响氧化锆氧量计的因素：(1) (1) 内外电极温度不等带来的附加误差；内外电极温度不等带来的附加误差；(2) (2) 烟道中烟气气压与空气气压不相同收起的误差；烟道中烟气气压与空气气压不相同收起的误差；(3) (3) 烟气中烟气中SOSO2 2和和SOSO3 3对探头的腐蚀作用；对探头的腐蚀作用；(4) (4) 电极老化；电极老化；(5) (5) 烟气灰尘沉积在电极上。烟气灰尘沉积在电极上。36氧量显示仪氧量显示仪平炉平炉上升上升烟道烟道烟气抽引烟气抽引导线导线检测器检测器烟气烟气压缩气体入口压缩气体入口排放排放喷射泵喷射泵取样器取样器水冷套管水冷套管烟道壁烟道壁炼钢炉氧量在线分析系统示意图炼钢炉氧量在线分析系统示意图37色谱分析仪色谱分析仪u色谱分析仪是一种色谱分析仪是一种分析速度快，灵敏度高，操分析速度快，灵敏度高，操作方便作方便的多组分仪器的多组分仪器。v随随着着现现代代物物理理、电电子子学学及及计计算算机机的的不不断断发发展展，现现已已形形成成了了气气相相色色谱谱、液液相相色色谱谱、离离子子色谱以及光色谱色谱以及光色谱等多种色谱分离技术。等多种色谱分离技术。38 第第一一步步：将将混混合合在在待待分分析析物物质质中中的的各各种种组组分分进行分离；进行分离； 第第二二步步：将将已已经经分分离离开开的的各各单单一一组组分分依依次次进进行行检检测测，在在记记录录器器上上可可得得到到依依检检测测到到的的先先后后次次序序不不同同而而排排列列起起来来的的峰峰状状曲曲线线，据据此此进进行行定定性性分分析与定量分析。析与定量分析。工作原理工作原理色谱仪基本分析过程可分为两步：色谱仪基本分析过程可分为两步：39气相色谱仪结构气相色谱仪结构u气相色谱仪的主体为气相色谱仪的主体为分离分离及及检测检测两大系统。两大系统。最常用的分离系统是色谱柱。最常用的分离系统是色谱柱。u色谱柱的分离系统由三个基本部分构成：色谱柱的分离系统由三个基本部分构成：色色谱柱管、流动相、固定相谱柱管、流动相、固定相。40色色 谱谱峰度峰度组分浓度组分浓度时时间间A AB BC C检测器检测器色谱柱色谱柱载气载气样品样品载载气气混合气体在色谱柱中分离过程示意图混合气体在色谱柱中分离过程示意图A AB BC C由于固定相对各组分的吸附和溶解能力不同由于固定相对各组分的吸附和溶解能力不同, ,因此各因此各组分在色谱柱中的速度就不同组分在色谱柱中的速度就不同, ,经过一定柱长后经过一定柱长后, ,便便彼此分离彼此分离. .41检测系统检测系统检测器检测器的任务的任务 ： 将将随载气而来的，已在色谱柱中分离的各组随载气而来的，已在色谱柱中分离的各组分依次地逐个地检测出来，并在记录仪上留下相分依次地逐个地检测出来，并在记录仪上留下相应的色谱峰。应的色谱峰。气相气相色谱最常用的检测器色谱最常用的检测器有：有：热导检测器热导检测器（TCDTCD），火焰电离检测器（火焰电离检测器（FIDFID）。）。 42v热热 导导 检检 测测 器器（TCDTCD） v火焰电力检测器火焰电力检测器（FIDFID） TCDTCD比较两种电流的热导率比较两种电流的热导率。两种气流是纯的载气和带样。两种气流是纯的载气和带样品成分的载气。这种检测器有一个电加热的热丝，因此热品成分的载气。这种检测器有一个电加热的热丝，因此热丝比检测器本体要热。当参比气和不含样品的载气交替通丝比检测器本体要热。当参比气和不含样品的载气交替通过时，热丝温度保持恒定。当加上加上样品时，为保持热过时，热丝温度保持恒定。当加上加上样品时，为保持热丝温度恒定其电流会有变化，每秒钟两种电流在热丝上切丝温度恒定其电流会有变化，每秒钟两种电流在热丝上切换换5 5次，电流的差别被测量并记录下来。次，电流的差别被测量并记录下来。氢气氢气- -空气火焰本身只产生少许离子，但是有机化合物燃烧空气火焰本身只产生少许离子，但是有机化合物燃烧时，产生的离子数量增加。极化电压把这下离子吸引到火时，产生的离子数量增加。极化电压把这下离子吸引到火焰附近的收集极上。产生的电流与燃烧的样品量成正比。焰附近的收集极上。产生的电流与燃烧的样品量成正比。 43激光在线气体分析仪激光在线气体分析仪DLASDLAS的定义的定义 半导体激光吸收光谱技术（半导体激光吸收光谱技术（DLASDLAS）是利用）是利用激光能量被激光能量被气体分子气体分子“选频选频”吸收形成吸收吸收形成吸收光谱光谱的原理来测量气体浓度的一种技术。的原理来测量气体浓度的一种技术。 44DLAS技术特点 单线光谱利用激光良好单线，避免气体交叉单线光谱利用激光良好单线，避免气体交叉 吸收干扰吸收干扰 w 定量光谱利用定量光谱数据和展宽补偿算法，实现高温、高压环境下直接测量定量光谱利用定量光谱数据和展宽补偿算法，实现高温、高压环境下直接测量45测量气体气体气体测量下限测量下限波长范围波长范围气体气体测量下限测量下限波长范围波长范围O20.01% Vol.可见光可见光HCl0.01 ppm近红外近红外CO40 ppm近红外近红外NH30.1 ppm近红外近红外CO220 ppm近红外近红外CH410 ppm近红外近红外H2O0.03 ppm近红外近红外C2H20.1 ppm近红外近红外H2S2 ppm近红外近红外HF0.01 ppm近红外近红外 其它气体其它气体NO、NO2、C2H4、C2H6、HCN等等46工作过程工作过程 半半导导体体激激光光器器发发射射出出的的特特定定波波长长的的激激光光束束穿穿过过被被测测气气体体时时，被被测测气气体体对对激激光光束束进进行行吸吸收收导导致致激激光光强强度度产产生生衰衰减减，激激光光强强度度的的衰衰减减与与被被测测气气体体含含量量成成正正比比，因因此此，通通过过测测量量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。47热导式气体分析仪热导式气体分析仪 p检测原理检测原理p基于待测组分的导热系数被测气体中其它组分基于待测组分的导热系数被测气体中其它组分有明显的差异有明显的差异p表征物质导热能力大小的物理参数是导热系数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，反之不易越大，说明该物质容易导热，反之不易导热导热48p实验证明，对于混合物，其导热系数实验证明，对于混合物，其导热系数可用下式计算可用下式计算 其中其中i i第第i i组分的导热系数组分的导热系数 C Ci i第第i i组分所占的百分含量组分所占的百分含量p由于氢气的导热系数是其他气体的好多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倍的缘故，所以这方法最适合用于氢气含量的检测含量的检测 49p热导式气体分析仪热导式气体分析仪p热导式气体分析仪由传感器（常称为热导检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。源和温度控制器等组成。 热导池是将混合气体热导池是将混合气体 的导热系数的变化转换的导热系数的变化转换 为电阻值变化的关键部件为电阻值变化的关键部件 热导池结构 5051溶液成份分析溶液成份分析u电导式浓度仪：电导式浓度仪： 通过测量溶液的电导率而间接地通过测量溶液的电导率而间接地获得溶液的浓度。获得溶液的浓度。52u电磁式浓度仪：电磁式浓度仪： 基于法拉第电磁感应原理。基于法拉第电磁感应原理。53u密度式浓度仪：密度式浓度仪： 基于阿基米德原理。基于阿基米德原理。54u核辐射式浓度仪：核辐射式浓度仪： 基于朗伯基于朗伯- -贝尔定理。贝尔定理。55物性测量仪表物性测量仪表u工业酸度计：工业酸度计： 就是检测溶液中就是检测溶液中H H+ +浓度的仪器。浓度的仪器。56u湿度检测仪表：湿度检测仪表： 自动干湿球湿度计自动干湿球湿度计 红外线水分测量仪红外线水分测量仪 陶瓷湿敏传感器陶瓷湿敏传感器57成份在线检测中应注意的事项：成份在线检测中应注意的事项：u取样及预处理取样及预处理u滞后问题滞后问题u分析仪的标定分析仪的标定u仪器的维护仪器的维护