传感器与检测技术 第八章 气体成分分析仪表与系统

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1、一、接触燃烧式气体传感器一、接触燃烧式气体传感器 1 1、检测原理、检测原理 可燃性气体可燃性气体( (H2、CO、CH4等等) )与空气中的氧接触，与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热发生氧化反应，产生反应热( (无焰接触燃烧热无焰接触燃烧热) )，使得作，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。 一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高( (低低于于10) )，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。性气体的浓度有关。 空气中可燃性气体

2、浓度愈大，氧化反应空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧燃烧)产生的反应热量产生的反应热量(燃烧热燃烧热)愈多，铂丝的温度变化愈多，铂丝的温度变化(增高增高)愈大，其电阻值增加的就越多愈大，其电阻值增加的就越多。 因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值阻变化值(R)，就可检测空气中可燃性气体，就可检测空气中可燃性气体的浓度。的浓度。二、半导体气体传感器二、半导体气体传感器 气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学

3、特性特性( (例如电导率例如电导率) )发生变化。目前流行的定性模型是：发生变化。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。 半导体陶瓷与气体接触时电阻发生变化：接触氧化性气体，电阻 接触还原性气体，电阻 浓度越大，电阻变化越大 第八章 气体成分分析一、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第六节 气体成分分析仪表 气体成分分析仪表的组成框图 采样装置预处理系统气体成分

4、分析仪表的组成框图采样系统传感器信号放大和处理单元显示单元控制单元第八章 气体成分分析仪表与系统 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第八章 气体成分分析仪表与系统二、氧量分析仪二、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八章 气体成分分析仪表与系统 氧化钙固溶在氧化锆中，其中Ca2置换了Zr4的位

5、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八章 气体成分分析仪表与系统 在电池的正极： 在电池的负极： 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pR21000Pa（视地区环境不同）2224OepORepOOx4222xRpOpO22xRppnFRTEln第八章 气体成分分析仪表与系统 氧化锆探头和变送器 氧化锆氧含量测量的检测器有各种的形式（形状） 在氧化锆检测器中，最重要的是控制氧化锆的工作温度：一般检

6、测器中均有恒温控制装置，以保证氧化锆工作在恒定的温度；另一方面，还要选取合适的温度值氧化锆探头第八章 气体成分分析仪表与系统三、热导式气体分析仪三、热导式气体分析仪 检测原理 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 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，反之不易导热第八章 气体成分分析仪表与系统实验证明，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 iiC第八章 气体成分分析仪表与系统 热导式气体分析仪 热导式气体分析仪由传感器

7、（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 热导池结构 第八章 气体成分分析仪表与系统 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 nccnrrttlQln2nRIQ2024. 0nntRR210第八章 气体成分分析仪表与系统 热平衡时QQ。如果混合气体的导热系数愈大，其

8、散热条件愈好，热平衡时的温度tn也愈小，反之，愈小，tn愈高，Rn愈大，从而通过电阻的变化测量导热系数电阻Rn的测量可通过电桥实现第六节 气体成分分析仪表四、红外式气体分析仪红外式气体分析仪 气体对红外线的吸收 红外线是指波长为0.761000m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。第八章 气体成分分析仪表与系统 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

9、气体吸收了红外线辐射以后，温度升高使压力（体积）增加 气体对红外线的吸收遵循朗伯比尔定律，即 clKeII0第八章 气体成分分析仪表与系统 检测原理 下面我们以CO2红外线气体成分检测器的工作原理。它是双光束测量系统，灯丝通电后发出两束强度几乎相等的红外线，波长一般在310m，灯丝一般采用镍铬合金丝。光路中装有切光片，可连续遮段光源 为了简便起见，首先讨论一下切光片不动，并且没有遮断光路的情况。一束红外线经过参比室，到达检测器的左气室；另一束经过工作气室，到达检测第八章 气体成分分析仪表与系统 器的右气室，检测器中间用一张铝箔和它旁边的铝合金柱体构成一个电容器，其中铝箔为动极，柱体作定极第八章

10、 气体成分分析仪表与系统 但是由于样气中气体浓度的变化而引起的检测器气室内温度或压力的变化是极小的，铝箔的位移只不过102m，相应的C变化显然也是极小的，因此要直接正确地测量C地改变量是极为困难的。为此在红外线气体分析器上在光源后面加了一个切光片。使进入参比气室和工作气室的红外线成为两束同步的断续红外辐射， 这种作用称为调制第八章 气体成分分析仪表与系统 假设被测气体中只有待测组分吸收特定波长的红外线。如果其他组分也对红外线有吸收，则情况就不一样了 背景气体吸收的红外光波长与待测气体的不一样第八章 气体成分分析仪表与系统 背景气体吸收的红外线波长与待测气体有部分重叠第八章 气体成分分析仪表与系

11、统五、色谱仪五、色谱仪 前面的成分分析方法有一个共同的特点，只能自动连续地分析混合气体中某一组分的含量，而色谱仪是一种能对混合物进行全面分析，能鉴定混合物是由哪些组分组成，并能测出各组分的含量。因此这种仪器得到广泛的应用。第八章 气体成分分析仪表与系统 检测原理 色谱分析方法是利用色谱柱将混合物各组分分离开来，然后按各组分从色谱柱出现的先后顺序分别测量，根据各组分出现的时间及测量值的大小可确定混合物的组成以及各组分的浓度。 固定相对某一组分的吸收能力越强，则流出柱口的时间越慢，如果在柱的出口处安装一个检测器，测出各组分的浓度，就可以得到一个色谱图。模型演示第八章 气体成分分析仪表与系统 色谱法

12、根据固定相和流动相的不同，可分为： 气液色谱 气固色谱 液液色谱 液固色谱气相色谱（流动相为气体）液相色谱（流动相为液体）气相色谱柱液相色谱柱第八章 气体成分分析仪表与系统 色谱图 色谱图是色谱定性定量分析的基础 色谱图的术语 基线 滞留时间 死时间 校正滞留时间 峰高第八章 气体成分分析仪表与系统 峰宽 半峰宽 峰面积 分辨力 气相色谱仪的定性和定量分析 定性分析 滞留时间方法 加纯物质方法 第八章 气体成分分析仪表与系统 定量分析 定量进样法 面积归一化法 外标法 计算机自动分析气相色谱仪用工作站气相色谱仪第八章 气体成分分析仪表与系统 仪器的组成 气相色谱仪主要由色谱柱、检测器、数据处理与显示记录装置以及其他配套部件组成载气源流量控制器进样装置色谱柱检测器气体流量计记录仪恒温箱