气体分析仪器

气体分析仪的种类及原理

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常见气体分析仪的种类及原理如下:


1.电化学分析仪器  


     包括采用固体电解质的氧化锆氧分析仪器和采用液体电解质的燃料电池式氧分析仪器。  

1.1氧化锆氧分析仪器  

     由于氧化锆探头具有耐高温的特点,因此被广泛应用于锅炉经济燃烧场合。  

    (1)工作原理   

     以氧化锆作固体电介质,高温下的电介质两侧氧浓度不同时形成浓差电池,浓差电池  

产生的电动势与两侧氧浓度有关,如果一侧氧浓度固定,即可通过测量输出电动势来测量另  

一侧的氧含量。  

    (2)分类  

      1)直插式氧化锆氧分析仪器(大量使用)       

           ① 中低温直插式氧化锆探头           

          这种探头适用于烟气温度0-650℃(最佳烟气温度350-550℃)的场合,探头自  

带加热炉。主要用于火电厂锅炉、小型工业炉等,是用量最大的一种探头  

          ② 带导流管的直插式氧化锆探头  

          这也是一种中、低温直插式氧化锆探头,不同的是探头较短(400mm - 600mm)  

并带有一根长的导流管,先把烟气引导炉壁附近,然后用探头测量。主要用于大型、炉壁较  

厚的加热炉。燃油炉适合用,但燃煤炉不适合。(易出现灰堵)  

          ③ 高温直插式氧化锆探头  

          这类探头不带加热炉,靠高温烟气加热,适用于700-900℃的烟气测量,主要用  

于电厂、石化厂等高温烟气场合。  

       2)抽取式氧化锆氧分析仪器  

          这类分析仪器主要是把烟气抽出后进行分析。用于烟气温度在700-1400℃的场  

合。  

          要求使用在燃油炉和烟尘含量较小的燃煤炉。  

     (3)直插式氧化锆氧分析仪器结构组成  

          它是由氧化锆探头(检测器)和转换器(二次表)两部分组成,有一体式的和  

分离式的机构。一体式是指检测器和二次表连在一起安装,分离式就是检测器和二次表分开  

安装。  

          检测器标准长度(mm):180、400、600、800、1000、1200等  


1.2燃料电池式氧分析仪器  

       燃料电池其原理是一种电化学装置,其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负  

两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。  

      (1)燃料电池的分类  

       其可分为液体燃料电池和固体燃料电池,广泛适合测微量氧和常量氧。  

        1)液体燃料电池的分类  

           液体燃料电池中根据电解液的性质,可分为碱性液体燃料电池和酸性液体燃料  

电池。  

           ①  碱性液体燃料电池氧传感器  

            由银阴极+铅阴极+KOH碱性电解液组成,试用一般场合,即可测常量氧也可测  

微量氧。但不适合含有酸性成份的气体测量(如CO2、H2S、Cl2、SO2、NOX等),会引起酸  

碱中和反应,造成电解池性能衰变,响应时间变慢,灵敏度降低等现象。  

           ②  酸性液体燃料电池氧传感器  

            由金阴极+铅阳极(或石墨阳极等)+醋酸电解液组成,适用于被测气体中含  

有酸性成分的场合,值能测常量氧。  

           

        2)固体燃料电池氧传感器  

1.3电解池式氧分析仪器  

     此类产品可以达到PPb级痕量的测量,做为了解。    


2.热导式气体分析仪器  


热导式气体分析仪器是根据各种物质导热性能的不同,通过测量混合气体热导率的变化来分  

析气体组成的仪器。检测器部分为惠斯顿电桥,通过比较待测样品气体与参比气体(一般选  

择空气)之间的热导差异,从而得出被测样气的浓度。  

2.1分析仪器组成和工作原理  

热导式气体分析仪器的组成可划分为热导检测器和电路两大部分。热导检测器由热导池和测  

量电桥构成,热导池作为测量电桥的桥臂连接在桥路中,所以两者是密不可分的。电路部分  

包括稳压电源、恒温控制器、信号放大电路、线性化电路和输出电路。  

2.2 适用场合  

      热导式分析仪器是测量(热导率相差甚大的)两种混合气体中某一组份的有效方法。主要用  

来测量H2,也长用于测量CO2、SO2、Ar的含量。如下场合:  

      氨厂合成气中的H2含量测量  

      加氢装置中H2纯度测量  

      硫酸及磷肥生产流程中SO2含量测量  

      空气分离装置中Ar含量测量  

      电解水制氢、氧过程中纯H2中O2和纯O2中H2的测量  

      氯气生产流程中CL2中H2的测量  

      氢冷发电机组中H2、CO2含量的检测   

2.3常见气体的导热系数  

气体名称 空气 N2 O2 CO CO2 H2 SO2 NH3    

相对热导 1.000 0.996 1.013 0.996 0.605 7.135 0.334 0.897   

绝对热导 5.83 5.81 5.89 5.63 3.50 41.60 2.04 5.20   


3微量水分析仪器  


3.1湿度  

依据国家计量技术规范《常用湿度计量名词术语》,把液体或固体物质中水的含量定义为水  

分。把气体中水蒸气的含量定义为湿度。  

当气体中水蒸汽的含量低于-20℃露点是(在标准大气压下为1020ppmV),工业中习惯称为  

微量水分(trace water),而不叫湿度。  

下面主要说明常用的电容式微量水分析仪。  

3.2电容式微量水分析仪  

      目前常用氧化铝湿敏传感器和高分子薄膜传感器。  

      主要是由多孔氧化铝层或高分子薄膜层吸附水分,从而改变电容传感器的介电常数,而所吸  

收水的量与电容的对数成线性关系。通过测量电容的变化可以得出被测气体中所含微量水分  

的浓度。  

注意事项:电容式传感器对粉尘杂质、腐蚀性介质及油脂的污染比较敏感。测量过程中选取  

的连接管路要求管路内壁比较光滑的材质管路,常选用聚四氟乙烯、铜管、内壁光滑的不锈  

钢材质的取样管路。  

3.3微量水分析仪分类  

(1)常压露点仪:在常温、常压环境中分析的露点仪器。在压力比较大的情况下采取减压  

的措施,达到低压测量的要求。  

(2)压力露点仪:被测气体具有一定高的压力,在传感器所能承受的压力范围内直接与被  

测气体接触来测量的方式叫做压力测量。而压力露点仪指传感器探头部分直接与被测气体接  

触测量,测量的值实际是压力露点值。(变送器+二次显示表)  

    

3.4微量水分仪的校准方法  

(1)用标准发生器校准  

 微量水分标准气体不宜压缩装瓶,也不宜用钢瓶盛装和存放,因为很容易出现液化  

、分层、吸附、冷凝等现象,所以只能现配现用。采用标准发生器配置。  

(2)用高精度仪器校准  

   用高精度的仪器作标准仪器与微量水分析仪同时测量同一样品的水分含量,两者之间进  

行比较。常用来作标准的仪器是冷镜式露点仪器。  

   

4.光学分析仪器  


4.1红外线气体分析仪器  

  (1)测量原理  

      

  (2)类型  

  ① 是否把红外光变成单色光来划分,可分为不分光型(非色散型)和分光型(  

色散型)  

       不分光型(NDIR)光源发出的连续光谱全部投射到被测样品上,待测组分吸收其特  

征吸收波带的红外光。因此NDIR型仪器具有较高的灵敏度和较高的信噪比、良好的稳定性。  

但缺点是待测样品中有重叠的吸收峰时,会给测量带来干扰,造成测量误差。  

       分光型(CDIR)采用一套分光系统,使通过测量气室的辐射光谱与待测组分的特征  

吸收光谱相吻合。优点是选择性好,灵敏度较高,缺点是分光后光束能量很小,分光系统任  

一元件的微小位移都会影响分光的波长。  

     ② 从光学系统划分,可分为双光路和单光路  

       双光路  一个光源或两个光源发出两路彼此平行的红外光束,分别通过几何光路相  

同的分析气室、参比气室后进入检测器。  

       单光路  从光源发出的单束红外光,只通过一个几何光路,即通过干涉滤光片或滤  

波气室调制成不同波长的红外光束,之后,到检测器接收端接收到两个不同波长的红外光束  

,但光束到达检测器的时间不同。  

  (3)特点  

① 能测量多种气体 除了单原子的惰性气体(He、Ne、Ar等)和具有对称结构无极性的双原  

子分子气体(N2、H2、O2、Cl2等)外,CO、CO2、NO、NO2、SO2、NH3、CH4、C2H4等烷烃  

、烯烃、和其他烃类有机物,都可以用红外线气体分析仪器测量。  

② 测量范围宽 下限PPM的浓度,上限达到100%。  

③ 灵敏度高 气体有微小变化都能分辨出来。  

④ 反应快 响应时间T90一般在45秒以内。  

⑤ 选择性好 适用于多组分混合气中的一种或多种组分的测量。对于混合气的组成成分及变  

化的要求不严格。  

4.2红外线检测器分类  

  (1)薄膜电容检测器  

       又称薄膜微音器,由金属薄膜片动极和定极组成电容器,当接收气室内的气体压力  

受红外辐射能的影响而变化时,推动电容动片相对于定片移动,把被测组分浓度变化转变成  

电容量变化。  

       薄膜电容检测器是红外线分析仪器长期使用的传统检测器,目前使用较多。  

       ① 优点:温度变化影响小、选择性好、灵敏度高,必须密封按交流调制方式工作。  

       ② 缺点:薄膜易受机械震动的影响,造成接收气室漏气,以及调制频率不能提高,  

放大器制作比较困难,体积较大等。  

  (2)微流量检测器  

       利用敏感元件的热敏特性测量微小气体流量变化的新型检测器。  

  (3)热电检测器又名热电偶检测器  

  (4)光电导检测器(光敏电阻)  

       采用半导体光电效应的原理制成的 

4.3红外线测量的交叉干扰  

       测量过程中,各组分间有重叠的吸收峰,这样会给测量带来干扰,而消除这种干扰  

,则是仪器中的关键之一,消除交叉干扰的措施可采取串联型检测器外,主要是采用干涉滤  

光片和滤波气室对红外线光进行滤波处理。弊端会降低仪器的灵敏  


2018-01-25 11:46:02浏览次数:1068次
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