常見(jiàn)氣體分析儀的種類及原理如下:
1.電化學(xué)分析儀器
包括采用固體電解質(zhì)的氧化鋯氧分析儀器和采用液體電解質(zhì)的燃料電池式氧分析儀器。
1.1氧化鋯氧分析儀器
由于氧化鋯探頭具有耐高溫的特點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于鍋爐經(jīng)濟(jì)燃燒場(chǎng)合。
(1)工作原理
以氧化鋯作固體電介質(zhì),高溫下的電介質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時(shí)形成濃差電池,濃差電池
產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與兩側(cè)氧濃度有關(guān),如果一側(cè)氧濃度固定,即可通過(guò)測(cè)量輸出電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量另
一側(cè)的氧含量。
(2)分類
1)直插式氧化鋯氧分析儀器(大量使用)
① 中低溫直插式氧化鋯探頭
這種探頭適用于煙氣溫度0-650℃(最佳煙氣溫度350-550℃)的場(chǎng)合,探頭自
帶加熱爐。主要用于火電廠鍋爐、小型工業(yè)爐等,是用量最大的一種探頭
② 帶導(dǎo)流管的直插式氧化鋯探頭
這也是一種中、低溫直插式氧化鋯探頭,不同的是探頭較短(400mm - 600mm)
并帶有一根長(zhǎng)的導(dǎo)流管,先把煙氣引導(dǎo)爐壁附近,然后用探頭測(cè)量。主要用于大型、爐壁較
厚的加熱爐。燃油爐適合用,但燃煤爐不適合。(易出現(xiàn)灰堵)
③ 高溫直插式氧化鋯探頭
這類探頭不帶加熱爐,靠高溫?zé)煔饧訜?,適用于700-900℃的煙氣測(cè)量,主要用
于電廠、石化廠等高溫?zé)煔鈭?chǎng)合。
2)抽取式氧化鋯氧分析儀器
這類分析儀器主要是把煙氣抽出后進(jìn)行分析。用于煙氣溫度在700-1400℃的場(chǎng)
合。
要求使用在燃油爐和煙塵含量較小的燃煤爐。
(3)直插式氧化鋯氧分析儀器結(jié)構(gòu)組成
它是由氧化鋯探頭(檢測(cè)器)和轉(zhuǎn)換器(二次表)兩部分組成,有一體式的和
分離式的機(jī)構(gòu)。一體式是指檢測(cè)器和二次表連在一起安裝,分離式就是檢測(cè)器和二次表分開(kāi)
安裝。
檢測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度(mm):180、400、600、800、1000、1200等
1.2燃料電池式氧分析儀器
燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置,其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)
兩個(gè)電極(負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。
(1)燃料電池的分類
其可分為液體燃料電池和固體燃料電池,廣泛適合測(cè)微量氧和常量氧。
1)液體燃料電池的分類
液體燃料電池中根據(jù)電解液的性質(zhì),可分為堿性液體燃料電池和酸性液體燃料
電池。
① 堿性液體燃料電池氧傳感器
由銀陰極+鉛陰極+KOH堿性電解液組成,試用一般場(chǎng)合,即可測(cè)常量氧也可測(cè)
微量氧。但不適合含有酸性成份的氣體測(cè)量(如CO2、H2S、Cl2、SO2、NOX等),會(huì)引起酸
堿中和反應(yīng),造成電解池性能衰變,響應(yīng)時(shí)間變慢,靈敏度降低等現(xiàn)象。
② 酸性液體燃料電池氧傳感器
由金陰極+鉛陽(yáng)極(或石墨陽(yáng)極等)+醋酸電解液組成,適用于被測(cè)氣體中含
有酸性成分的場(chǎng)合,值能測(cè)常量氧。
2)固體燃料電池氧傳感器
1.3電解池式氧分析儀器
此類產(chǎn)品可以達(dá)到PPb級(jí)痕量的測(cè)量,做為了解。
2.熱導(dǎo)式氣體分析儀器
熱導(dǎo)式氣體分析儀器是根據(jù)各種物質(zhì)導(dǎo)熱性能的不同,通過(guò)測(cè)量混合氣體熱導(dǎo)率的變化來(lái)分
析氣體組成的儀器。檢測(cè)器部分為惠斯頓電橋,通過(guò)比較待測(cè)樣品氣體與參比氣體(一般選
擇空氣)之間的熱導(dǎo)差異,從而得出被測(cè)樣氣的濃度。
2.1分析儀器組成和工作原理
熱導(dǎo)式氣體分析儀器的組成可劃分為熱導(dǎo)檢測(cè)器和電路兩大部分。熱導(dǎo)檢測(cè)器由熱導(dǎo)池和測(cè)
量電橋構(gòu)成,熱導(dǎo)池作為測(cè)量電橋的橋臂連接在橋路中,所以兩者是密不可分的。電路部分
包括穩(wěn)壓電源、恒溫控制器、信號(hào)放大電路、線性化電路和輸出電路。
2.2 適用場(chǎng)合
熱導(dǎo)式分析儀器是測(cè)量(熱導(dǎo)率相差甚大的)兩種混合氣體中某一組份的有效方法。主要用
來(lái)測(cè)量H2,也長(zhǎng)用于測(cè)量CO2、SO2、Ar的含量。如下場(chǎng)合:
氨廠合成氣中的H2含量測(cè)量
加氫裝置中H2純度測(cè)量
硫酸及磷肥生產(chǎn)流程中SO2含量測(cè)量
空氣分離裝置中Ar含量測(cè)量
電解水制氫、氧過(guò)程中純H2中O2和純O2中H2的測(cè)量
氯氣生產(chǎn)流程中CL2中H2的測(cè)量
氫冷發(fā)電機(jī)組中H2、CO2含量的檢測(cè)
2.3常見(jiàn)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)
氣體名稱 空氣 N2 O2 CO CO2 H2 SO2 NH3
相對(duì)熱導(dǎo) 1.000 0.996 1.013 0.996 0.605 7.135 0.334 0.897
絕對(duì)熱導(dǎo) 5.83 5.81 5.89 5.63 3.50 41.60 2.04 5.20
3微量水分析儀器
3.1濕度
依據(jù)國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范《常用濕度計(jì)量名詞術(shù)語(yǔ)》,把液體或固體物質(zhì)中水的含量定義為水
分。把氣體中水蒸氣的含量定義為濕度。
當(dāng)氣體中水蒸汽的含量低于-20℃露點(diǎn)是(在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為1020ppmV),工業(yè)中習(xí)慣稱為
微量水分(trace water),而不叫濕度。
下面主要說(shuō)明常用的電容式微量水分析儀。
3.2電容式微量水分析儀
目前常用氧化鋁濕敏傳感器和高分子薄膜傳感器。
主要是由多孔氧化鋁層或高分子薄膜層吸附水分,從而改變電容傳感器的介電常數(shù),而所吸
收水的量與電容的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。通過(guò)測(cè)量電容的變化可以得出被測(cè)氣體中所含微量水分
的濃度。
注意事項(xiàng):電容式傳感器對(duì)粉塵雜質(zhì)、腐蝕性介質(zhì)及油脂的污染比較敏感。測(cè)量過(guò)程中選取
的連接管路要求管路內(nèi)壁比較光滑的材質(zhì)管路,常選用聚四氟乙烯、銅管、內(nèi)壁光滑的不銹
鋼材質(zhì)的取樣管路。
3.3微量水分析儀分類
(1)常壓露點(diǎn)儀:在常溫、常壓環(huán)境中分析的露點(diǎn)儀器。在壓力比較大的情況下采取減壓
的措施,達(dá)到低壓測(cè)量的要求。
(2)壓力露點(diǎn)儀:被測(cè)氣體具有一定高的壓力,在傳感器所能承受的壓力范圍內(nèi)直接與被
測(cè)氣體接觸來(lái)測(cè)量的方式叫做壓力測(cè)量。而壓力露點(diǎn)儀指?jìng)鞲衅魈筋^部分直接與被測(cè)氣體接
觸測(cè)量,測(cè)量的值實(shí)際是壓力露點(diǎn)值。(變送器+二次顯示表)
3.4微量水分儀的校準(zhǔn)方法
(1)用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器校準(zhǔn)
微量水分標(biāo)準(zhǔn)氣體不宜壓縮裝瓶,也不宜用鋼瓶盛裝和存放,因?yàn)楹苋菀壮霈F(xiàn)液化
、分層、吸附、冷凝等現(xiàn)象,所以只能現(xiàn)配現(xiàn)用。采用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器配置。
(2)用高精度儀器校準(zhǔn)
用高精度的儀器作標(biāo)準(zhǔn)儀器與微量水分析儀同時(shí)測(cè)量同一樣品的水分含量,兩者之間進(jìn)
行比較。常用來(lái)作標(biāo)準(zhǔn)的儀器是冷鏡式露點(diǎn)儀器。
4.光學(xué)分析儀器
4.1紅外線氣體分析儀器
(1)測(cè)量原理
(2)類型
① 是否把紅外光變成單色光來(lái)劃分,可分為不分光型(非色散型)和分光型(
色散型)
不分光型(NDIR)光源發(fā)出的連續(xù)光譜全部投射到被測(cè)樣品上,待測(cè)組分吸收其特
征吸收波帶的紅外光。因此NDIR型儀器具有較高的靈敏度和較高的信噪比、良好的穩(wěn)定性。
但缺點(diǎn)是待測(cè)樣品中有重疊的吸收峰時(shí),會(huì)給測(cè)量帶來(lái)干擾,造成測(cè)量誤差。
分光型(CDIR)采用一套分光系統(tǒng),使通過(guò)測(cè)量氣室的輻射光譜與待測(cè)組分的特征
吸收光譜相吻合。優(yōu)點(diǎn)是選擇性好,靈敏度較高,缺點(diǎn)是分光后光束能量很小,分光系統(tǒng)任
一元件的微小位移都會(huì)影響分光的波長(zhǎng)。
② 從光學(xué)系統(tǒng)劃分,可分為雙光路和單光路
雙光路 一個(gè)光源或兩個(gè)光源發(fā)出兩路彼此平行的紅外光束,分別通過(guò)幾何光路相
同的分析氣室、參比氣室后進(jìn)入檢測(cè)器。
單光路 從光源發(fā)出的單束紅外光,只通過(guò)一個(gè)幾何光路,即通過(guò)干涉濾光片或?yàn)V
波氣室調(diào)制成不同波長(zhǎng)的紅外光束,之后,到檢測(cè)器接收端接收到兩個(gè)不同波長(zhǎng)的紅外光束
,但光束到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間不同。
(3)特點(diǎn)
① 能測(cè)量多種氣體 除了單原子的惰性氣體(He、Ne、Ar等)和具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)無(wú)極性的雙原
子分子氣體(N2、H2、O2、Cl2等)外,CO、CO2、NO、NO2、SO2、NH3、CH4、C2H4等烷烴
、烯烴、和其他烴類有機(jī)物,都可以用紅外線氣體分析儀器測(cè)量。
② 測(cè)量范圍寬 下限PPM的濃度,上限達(dá)到100%。
③ 靈敏度高 氣體有微小變化都能分辨出來(lái)。
④ 反應(yīng)快 響應(yīng)時(shí)間T90一般在45秒以內(nèi)。
⑤ 選擇性好 適用于多組分混合氣中的一種或多種組分的測(cè)量。對(duì)于混合氣的組成成分及變
化的要求不嚴(yán)格。
4.2紅外線檢測(cè)器分類
(1)薄膜電容檢測(cè)器
又稱薄膜微音器,由金屬薄膜片動(dòng)極和定極組成電容器,當(dāng)接收氣室內(nèi)的氣體壓力
受紅外輻射能的影響而變化時(shí),推動(dòng)電容動(dòng)片相對(duì)于定片移動(dòng),把被測(cè)組分濃度變化轉(zhuǎn)變成
電容量變化。
薄膜電容檢測(cè)器是紅外線分析儀器長(zhǎng)期使用的傳統(tǒng)檢測(cè)器,目前使用較多。
① 優(yōu)點(diǎn):溫度變化影響小、選擇性好、靈敏度高,必須密封按交流調(diào)制方式工作。
② 缺點(diǎn):薄膜易受機(jī)械震動(dòng)的影響,造成接收氣室漏氣,以及調(diào)制頻率不能提高,
放大器制作比較困難,體積較大等。
(2)微流量檢測(cè)器
利用敏感元件的熱敏特性測(cè)量微小氣體流量變化的新型檢測(cè)器。
(3)熱電檢測(cè)器又名熱電偶檢測(cè)器
(4)光電導(dǎo)檢測(cè)器(光敏電阻)
采用半導(dǎo)體光電效應(yīng)的原理制成的
4.3紅外線測(cè)量的交叉干擾
測(cè)量過(guò)程中,各組分間有重疊的吸收峰,這樣會(huì)給測(cè)量帶來(lái)干擾,而消除這種干擾
,則是儀器中的關(guān)鍵之一,消除交叉干擾的措施可采取串聯(lián)型檢測(cè)器外,主要是采用干涉濾
光片和濾波氣室對(duì)紅外線光進(jìn)行濾波處理。弊端會(huì)降低儀器的靈敏