[過程控制系統(tǒng)與儀表]第2章_檢測(cè)儀表_2.5_2.6

1、過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 液位：液位：容器中液體介質(zhì)的高低容器中液體介質(zhì)的高低 料位：料位：容器中固體物質(zhì)的堆積高度容器中固體物質(zhì)的堆積高度 界面：兩種密度不同液體介質(zhì)的分界面的界面：兩種密度不同液體介質(zhì)的分界面的高度高度 2.5 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表 物位測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位。例如物位測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位。例如 蒸汽鍋爐運(yùn)行時(shí)，如果汽包水位過低，就會(huì)危及鍋蒸汽鍋爐運(yùn)行時(shí)，如果汽包水位過低，就會(huì)危及鍋 爐的安全，造成嚴(yán)重事故。爐的安全，造成嚴(yán)重事故。 2.5.1概述概述 物位的含義包括：物位的含義包括： 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表

2、第第2章章 物位測(cè)量?jī)x表可分為下列幾種類型。物位測(cè)量?jī)x表可分為下列幾種類型。 1. 靜壓式物位測(cè)量靜壓式物位測(cè)量 利用液體或物料對(duì)某定點(diǎn)產(chǎn)生的壓力隨液位利用液體或物料對(duì)某定點(diǎn)產(chǎn)生的壓力隨液位 高度而變化的原理而工作。高度而變化的原理而工作。 2浮力式物位測(cè)量浮力式物位測(cè)量 利用浮子所受的浮力隨液位高度而變化的原利用浮子所受的浮力隨液位高度而變化的原 理工作。理工作。 3. 電氣式物位測(cè)量電氣式物位測(cè)量 利用敏感元件將物位的變化轉(zhuǎn)換為電量參數(shù)利用敏感元件將物位的變化轉(zhuǎn)換為電量參數(shù) 的變化，而得知物位。的變化，而得知物位。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 4. 核輻射式物位測(cè)量核

3、輻射式物位測(cè)量 利用核輻射線穿透物料時(shí)，核輻射線的透射利用核輻射線穿透物料時(shí)，核輻射線的透射 強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度而變化的原理進(jìn)行測(cè)量。強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度而變化的原理進(jìn)行測(cè)量。 5. 聲學(xué)式物位測(cè)量聲學(xué)式物位測(cè)量 測(cè)量超聲波在物質(zhì)中傳播時(shí)間的長(zhǎng)短，據(jù)此測(cè)量超聲波在物質(zhì)中傳播時(shí)間的長(zhǎng)短，據(jù)此 可測(cè)出物位?？蓽y(cè)出物位。 6. 光學(xué)式物位測(cè)量光學(xué)式物位測(cè)量 利用光波在傳播中可被不同的物質(zhì)界面遮斷利用光波在傳播中可被不同的物質(zhì)界面遮斷 和反射的原理測(cè)量物位。和反射的原理測(cè)量物位。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 靜壓式液位變送器靜壓式液位變送器 浮球液位變送器浮球液位變送器 浮球液位變

4、送器浮球液位變送器 靜壓式液位變送器靜壓式液位變送器 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 電容式物位變送器電容式物位變送器 超聲波物位變送器超聲波物位變送器 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 p1= H g + p2 p = p1-p2= H g 式中：式中： H液位高度；液位高度； 介質(zhì)密度；介質(zhì)密度； g重力加速度。重力加速度。 p2 p1 2.5.2差壓式液位變送器差壓式液位變送器 利用測(cè)量容器底部和頂部的壓差測(cè)液位。利用測(cè)量容器底部和頂部的壓差測(cè)液位。 2.5.2.1 測(cè)量原理測(cè)量原理 設(shè)容器上部空間為干燥氣體，其壓力為設(shè)容器上部空間為干燥氣體，其壓力為p

5、2，下，下 部取壓點(diǎn)壓力為部取壓點(diǎn)壓力為p2 ，則：，則： 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 若被測(cè)容器是敞口的，則氣相壓力為大氣壓，若被測(cè)容器是敞口的，則氣相壓力為大氣壓， 只需將差壓變送器的負(fù)壓室通大氣，或用壓力變送只需將差壓變送器的負(fù)壓室通大氣，或用壓力變送 器、或用壓力表即可測(cè)量。因?yàn)閴毫ψ兯推骱蛪毫ζ鳌⒒蛴脡毫Ρ砑纯蓽y(cè)量。因?yàn)閴毫ψ兯推骱蛪毫?表都是測(cè)量與大氣壓之差。表都是測(cè)量與大氣壓之差。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.5.2.2零點(diǎn)遷移零點(diǎn)遷移 理想測(cè)量條件下，液位理想測(cè)量條件下，液位H=0時(shí)，變送器的輸入壓時(shí)，變送器的輸入壓 差信號(hào)差信號(hào)

6、P=0，差壓變送器的輸出為零點(diǎn)信號(hào)，差壓變送器的輸出為零點(diǎn)信號(hào)4mA。 零點(diǎn)是對(duì)齊的：零點(diǎn)是對(duì)齊的： H0時(shí)，時(shí)， p = H g =0， I0=4mA 應(yīng)用時(shí)，由于差壓變送應(yīng)用時(shí)，由于差壓變送 器安裝的實(shí)際情況限制，測(cè)器安裝的實(shí)際情況限制，測(cè) 量零點(diǎn)很難對(duì)齊，需要對(duì)差量零點(diǎn)很難對(duì)齊，需要對(duì)差 壓變送器的零點(diǎn)進(jìn)行遷移。壓變送器的零點(diǎn)進(jìn)行遷移。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 p = p1-p2 = ( h1 2g + H 1g + p0 ) ( h2 2g + p0 ) = H 1g - ( h2- h1) 2g 1、負(fù)遷移、負(fù)遷移 如圖所示，變送器和容器之間用隔離罐隔離時(shí)：

7、如圖所示，變送器和容器之間用隔離罐隔離時(shí)： 當(dāng)當(dāng) H =0時(shí)，時(shí)， p = - ( h2 - h1) 2g 此時(shí)，變送器應(yīng)輸此時(shí)，變送器應(yīng)輸 出出4mA以下，但變送器以下，但變送器 的輸出只能是的輸出只能是420mA 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 v 零點(diǎn)遷移的方法是，另加零點(diǎn)遷移的方法是，另加 ( h2- h1) 2g 信號(hào)，信號(hào)，抵抵 消消( h2- h1) 2g的影響。使：的影響。使：H =0 時(shí)，時(shí)， p =0 H p 0 I/mA p 4 20 I/mA p 4 20 H p 0 遷移前遷移前 遷移后遷移后 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2、正

8、遷移、正遷移 有時(shí)變送器不能和容器底部安裝在同一水平面有時(shí)變送器不能和容器底部安裝在同一水平面 上。如圖所示，有：上。如圖所示，有：P = Hg hg H=0 時(shí)，時(shí)，P =hg H p 0 I/mA p 4 20 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 遷移的目的：遷移的目的： 使變送器輸出的起點(diǎn)與被測(cè)量起點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。使變送器輸出的起點(diǎn)與被測(cè)量起點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。 遷移同時(shí)改變了測(cè)量范圍的上下限，相當(dāng)于測(cè)遷移同時(shí)改變了測(cè)量范圍的上下限，相當(dāng)于測(cè) 量范圍向正方向或負(fù)方向的平移。量范圍向正方向或負(fù)方向的平移。 此時(shí)需要遷移此時(shí)需要遷移hg H p 0H p 0 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀

9、表 第第2章章 例如，某差壓變送器的測(cè)量范圍為例如，某差壓變送器的測(cè)量范圍為050MPa， 對(duì)應(yīng)輸出從對(duì)應(yīng)輸出從4mA變化到變化到20mA，這是無遷移的情況，這是無遷移的情況， 如圖如圖2.57中曲線中曲線a所示。若因安裝的原因：所示。若因安裝的原因： H=0時(shí)，時(shí)， P=10 MPa， 則需負(fù)遷移。則需負(fù)遷移。 H=0時(shí)，時(shí)， P=10 MPa， 則需正遷移。則需正遷移。 無遷移無遷移 負(fù)遷移負(fù)遷移 正遷移正遷移 -1050 c a b 20 4 0 I0/mA P/MPa-10 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.5.2.3用法蘭式差壓變送器測(cè)量液位用法蘭式差壓變送器測(cè)量

10、液位 在測(cè)量含有結(jié)晶顆粒、有腐蝕性、粘度大、易凝在測(cè)量含有結(jié)晶顆粒、有腐蝕性、粘度大、易凝 固等液體液位時(shí)，引壓管線可能被腐蝕、被堵塞?？晒痰纫后w液位時(shí)，引壓管線可能被腐蝕、被堵塞?？?使用加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器。使用加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器。 插入式法蘭插入式法蘭平法蘭平法蘭 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.5.3電容式物位變送器電容式物位變送器 利用電容器的極板之間介質(zhì)變化時(shí)，電容量也利用電容器的極板之間介質(zhì)變化時(shí)，電容量也 相應(yīng)變化的原理測(cè)物位?？蓽y(cè)量液位、料位和兩種相應(yīng)變化的原理測(cè)物位。可測(cè)量液位、料位和兩種 不同液體的分界面。不同液體的分界面。 測(cè)量原

11、理測(cè)量原理 圓柱形電容器的電容量為圓柱形電容器的電容量為 d D L C ln = 2 2 L D d 為介電系數(shù)為介電系數(shù) 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 H = 0時(shí)：時(shí)： H0時(shí)：時(shí)： C = d D 2H ln d D 2(L-H)0 ln d D 2H(-0 ) C = C C0 ln = 設(shè)空氣的介電系數(shù)為設(shè)空氣的介電系數(shù)為0， ，被測(cè)物料的介電系數(shù)為 被測(cè)物料的介電系數(shù)為 d D 2L0 C0 ln = = kH L D d 0 H 電容的變化量電容的變化量 與液位成正比。與液位成正比。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 0 2.5.3.1液位的

12、檢測(cè)液位的檢測(cè) 對(duì)非導(dǎo)電介質(zhì)液位的測(cè)量，用雙電極式。對(duì)導(dǎo)電對(duì)非導(dǎo)電介質(zhì)液位的測(cè)量，用雙電極式。對(duì)導(dǎo)電 介質(zhì)液位測(cè)量，金屬容器的外壁即是電容的外電極。介質(zhì)液位測(cè)量，金屬容器的外壁即是電容的外電極。 2.5.3.2料位的檢測(cè)料位的檢測(cè) 和導(dǎo)電介質(zhì)液位測(cè)量一樣，用單電極式。和導(dǎo)電介質(zhì)液位測(cè)量一樣，用單電極式。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 測(cè)量電容量可用交流電橋，也可用其他方法測(cè)測(cè)量電容量可用交流電橋，也可用其他方法測(cè) 定。例如充放電法。定。例如充放電法。 如圖所示，用振蕩器給液位電容如圖所示，用振蕩器給液位電容Cx加上幅度和加上幅度和 頻率恒定的矩形波。若矩形波的周期頻率恒定的

13、矩形波。若矩形波的周期T遠(yuǎn)大于充放遠(yuǎn)大于充放 電回路的時(shí)間常數(shù)，則每個(gè)周期都有電荷電回路的時(shí)間常數(shù)，則每個(gè)周期都有電荷 Q=CxE 對(duì)對(duì)Cx 充放電，二極管將充電和放電電流檢波，可用充放電，二極管將充電和放電電流檢波，可用 微安表測(cè)得平均電流。微安表測(cè)得平均電流。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 可見，充電可見，充電(或放電或放電)的平均電流的平均電流 與液位電容成正比，微安表的讀數(shù)可與液位電容成正比，微安表的讀數(shù)可 反映液面的高低。反映液面的高低。 EfC T EC I x x 流過微安表的平均電流為：流過微安表的平均電流為： 式中，式中， E矩形波電壓幅度，矩形波電壓幅度

14、， f 矩形波頻率矩形波頻率 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.5.4 超聲波液位計(jì)超聲波液位計(jì) 利用超聲波在液體中傳播有較好的方向性，利用超聲波在液體中傳播有較好的方向性， 且傳播過程中能量損失較少，遇到分界面時(shí)能反且傳播過程中能量損失較少，遇到分界面時(shí)能反 射的特性，可用回聲測(cè)距的原理，測(cè)定超聲波發(fā)射的特性，可用回聲測(cè)距的原理，測(cè)定超聲波發(fā) 射后遇液面反射回來的時(shí)間，以確定液面的高度。射后遇液面反射回來的時(shí)間，以確定液面的高度。 vtH 2 1 若速度若速度v為已知常數(shù)，便可測(cè)為已知常數(shù)，便可測(cè) 時(shí)間時(shí)間 t 算出液面高度算出液面高度H。 v超聲波在液體超聲波在液體 中

15、的傳播速度中的傳播速度 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 若測(cè)料位，則超聲波若測(cè)料位，則超聲波 物位計(jì)安裝在容器頂部。物位計(jì)安裝在容器頂部。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.6 成分檢測(cè)及儀表成分檢測(cè)及儀表 所謂成分，是指在多種物質(zhì)的混合物中某一所謂成分，是指在多種物質(zhì)的混合物中某一 種物質(zhì)所占的比例。種物質(zhì)所占的比例。 在生產(chǎn)中經(jīng)常需要在線實(shí)時(shí)檢測(cè)物料的成分。在生產(chǎn)中經(jīng)常需要在線實(shí)時(shí)檢測(cè)物料的成分。 例如在鍋爐燃燒控制中，必須根據(jù)煙道氣的含氧量例如在鍋爐燃燒控制中，必須根據(jù)煙道氣的含氧量 變化，隨時(shí)調(diào)節(jié)助燃空氣的供給量，以獲得最高的變化，隨時(shí)調(diào)節(jié)助燃空氣

16、的供給量，以獲得最高的 熱效率。熱效率。 成分檢測(cè)項(xiàng)目繁雜，此處只介紹幾種在過程成分檢測(cè)項(xiàng)目繁雜，此處只介紹幾種在過程 控制中常用的成分檢測(cè)儀表。控制中常用的成分檢測(cè)儀表。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2 P2 空空 氣氣 1 P1 煙煙 氣氣 鉑電極鉑電極 ZrO2 O2- O2- O2- O2- O2- E E 在固態(tài)電解質(zhì)氧化鋯在固態(tài)電解質(zhì)氧化鋯 （ZrO2）中摻入一定比例的）中摻入一定比例的 氧化鈣（氧化鈣（CaO）或氧化釔）或氧化釔 （Y2O3）時(shí)，四價(jià)鋯的電子）時(shí)，四價(jià)鋯的電子 被二價(jià)鈣或三價(jià)釔所置換，被二價(jià)鈣或三價(jià)釔所置換， 形成氧離子空穴。在氧化鋯形成氧離

17、子空穴。在氧化鋯 兩側(cè)各燒結(jié)一層多孔的鉑電兩側(cè)各燒結(jié)一層多孔的鉑電 極，就構(gòu)成氧濃差電池。極，就構(gòu)成氧濃差電池。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 氧化鋯測(cè)氧原理可歸結(jié)為氧化鋯測(cè)氧原理可歸結(jié)為 “氧濃差電池氧濃差電池”的形成的形成 過程。氧化鋯外側(cè)為被測(cè)煙氣，氧含量約為過程。氧化鋯外側(cè)為被測(cè)煙氣，氧含量約為46，其，其 氧分壓為氧分壓為P1，氧濃度為，氧濃度為1；內(nèi)側(cè)為參比氣體，如空氣，；內(nèi)側(cè)為參比氣體，如空氣， 氧含量氧含量20.8，其氧分壓為，其氧分壓為P2，氧濃度為，氧濃度為2。 E 2 P2 空空 氣氣 1 P1 煙煙 氣氣 O2- O2- O2- O2- O2- 當(dāng)溫

18、度達(dá)當(dāng)溫度達(dá)600以上時(shí)，空以上時(shí)，空 穴型氧化鋯就成為良好的穴型氧化鋯就成為良好的 氧離子導(dǎo)體。氧氣能夠以氧離子導(dǎo)體。氧氣能夠以 離子形式從濃度高的一側(cè)離子形式從濃度高的一側(cè) 向濃度低的一側(cè)擴(kuò)散。向濃度低的一側(cè)擴(kuò)散。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 氧分子從鉑電極處得到電子成為氧離子進(jìn)入氧氧分子從鉑電極處得到電子成為氧離子進(jìn)入氧 化鋯空穴，高氧側(cè)鉑電極失去電子而帶正電?；喛昭?，高氧側(cè)鉑電極失去電子而帶正電。 O2+4e2O2- 還原反應(yīng) 還原反應(yīng) 當(dāng)氧離子通過氧化鋯到達(dá)當(dāng)氧離子通過氧化鋯到達(dá) 低氧側(cè)時(shí)，氧離子將電子還給低氧側(cè)時(shí)，氧離子將電子還給 鉑電極變成氧分子進(jìn)入煙氣，

19、鉑電極變成氧分子進(jìn)入煙氣， 低氧側(cè)鉑電極因得到電子而帶低氧側(cè)鉑電極因得到電子而帶 負(fù)電。負(fù)電。 2O2-O2+4e 氧化反應(yīng)氧化反應(yīng) 2 P2 空空 氣氣 1 P1 煙煙 氣氣 O2- O2- O2- O2- O2- E 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 式中：式中： R 氣體常數(shù)；氣體常數(shù)； F 法拉弟常數(shù)；法拉弟常數(shù)； n 一個(gè)氧分子攜帶電子數(shù)（一個(gè)氧分子攜帶電子數(shù)（n4）；）； T 氣體絕對(duì)溫度；氣體絕對(duì)溫度； P1、P2 被測(cè)氣體與參比氣體的氧分壓。被測(cè)氣體與參比氣體的氧分壓。 根據(jù)根據(jù)Nernst方程，氧濃差電勢(shì)方程，氧濃差電勢(shì)E可以表示為：可以表示為： 2 1 PR

20、T E=ln nFP 2 P2 空空 氣氣 1 P1 煙煙 氣氣 O2- O2- O2- O2- O2- E 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 由于在混合氣體中，某氣體組的分壓力和總壓由于在混合氣體中，某氣體組的分壓力和總壓 力之比與容積成分（即濃度）成正比，力之比與容積成分（即濃度）成正比，有：有： 11 1 PV PV 22 2 PV PV 代入代入Nernst方程，氧濃差方程，氧濃差 電勢(shì)電勢(shì)E為為 2 P2 空空 氣氣 1 P1 煙煙 氣氣 O2- O2- O2- O2- O2- E 22 11 PRTRT E=lnln nFPnF 可見，氧濃差電勢(shì)是煙氣含氧量可見，氧

21、濃差電勢(shì)是煙氣含氧量1的單值函數(shù)。的單值函數(shù)。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 1、溫度、溫度T恒定在恒定在600以上。為此，可在氧化鋯探以上。為此，可在氧化鋯探 頭內(nèi)安裝加熱器。頭內(nèi)安裝加熱器。 2、空氣的氧含量恒定。為此，探頭空氣口可安裝、空氣的氧含量恒定。為此，探頭空氣口可安裝 空氣泵，以保證探頭內(nèi)空氣新鮮，含量等于空氣泵，以保證探頭內(nèi)空氣新鮮，含量等于20.8 3、參比氣體與被測(cè)氣體壓力相等，才能用濃度來、參比氣體與被測(cè)氣體壓力相等，才能用濃度來 代替氧分壓。代替氧分壓。 此外，此外，E與與1呈非線性關(guān)系，必須經(jīng)線性化電呈非線性關(guān)系，必須經(jīng)線性化電 路處理。路處理。

22、2 1 RT E=ln nF 關(guān)系穩(wěn)定的必要條件是：關(guān)系穩(wěn)定的必要條件是： 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.6.1.2 傳感器結(jié)構(gòu)傳感器結(jié)構(gòu) 1、抽吸定溫式、抽吸定溫式 氧化鋯探頭帶有加熱裝置氧化鋯探頭帶有加熱裝置 和測(cè)溫元件。將被測(cè)氣體加熱和測(cè)溫元件。將被測(cè)氣體加熱 到定值溫度，以便準(zhǔn)確測(cè)量。到定值溫度，以便準(zhǔn)確測(cè)量。 煙氣煙氣 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2、直插補(bǔ)償式、直插補(bǔ)償式 如果被測(cè)氣體溫度達(dá)如果被測(cè)氣體溫度達(dá) 560以上，則氧化鋯探以上，則氧化鋯探 頭不設(shè)加熱裝置，直接安裝在煙道內(nèi)。但要裝測(cè)溫頭不設(shè)加熱裝置，直接安裝在煙道內(nèi)。但要裝測(cè)溫

23、 元件，測(cè)被測(cè)氣體溫度，以便在后級(jí)電路中對(duì)溫度元件，測(cè)被測(cè)氣體溫度，以便在后級(jí)電路中對(duì)溫度 變化進(jìn)行補(bǔ)償。變化進(jìn)行補(bǔ)償。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.6.2 2.6.2 氣相色譜分析儀氣相色譜分析儀 色譜分析法是近年來獲得迅速發(fā)展的一種分色譜分析法是近年來獲得迅速發(fā)展的一種分 離分析技術(shù)，其特點(diǎn)是分離能力強(qiáng)，分析靈敏度離分析技術(shù)，其特點(diǎn)是分離能力強(qiáng)，分析靈敏度 高、速度快和樣品用量少。高、速度快和樣品用量少。 例如分析石油產(chǎn)品時(shí)，一次可分離分析一百例如分析石油產(chǎn)品時(shí)，一次可分離分析一百 多種組分；在分析超純氣體時(shí)，可鑒定出多種組分；在分析超純氣體時(shí)，可鑒定出1ppm

24、（ppm為濃度單位，表示百萬分之為濃度單位，表示百萬分之），甚至），甚至 01ppb（ppb表示十億分之一）的組分；因此，表示十億分之一）的組分；因此， 目前被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、食目前被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、食 品等生產(chǎn)及科研中。品等生產(chǎn)及科研中。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 植物色素植物色素+ +石油醚石油醚 石油醚石油醚 色譜分析法得名于色譜分析法得名于1906年年 把溶有植物色素的石油醚把溶有植物色素的石油醚倒入裝倒入裝 有碳酸鈣吸附劑豎直玻璃管中有碳酸鈣吸附劑豎直玻璃管中 再倒入純的石油醚幫助它自由流下再倒入純的石油醚幫助它自由流下 看

25、到分離開的一層層不同顏色的譜帶看到分離開的一層層不同顏色的譜帶 碳酸鈣對(duì)不同的植物碳酸鈣對(duì)不同的植物 色素吸附能力不同色素吸附能力不同 固定相固定相 移動(dòng)相移動(dòng)相 碳碳 酸酸 鈣鈣 吸吸 附附 劑劑 2.6.2.12.6.2.1色譜分析原理色譜分析原理 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 這種分離分析方法被稱為色層分析法或色譜這種分離分析方法被稱為色層分析法或色譜 分析法。分析法。凡移動(dòng)相是液態(tài)的稱為液相色譜，移動(dòng)相凡移動(dòng)相是液態(tài)的稱為液相色譜，移動(dòng)相 是氣態(tài)的稱為氣相色譜。是氣態(tài)的稱為氣相色譜。 隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，色譜分析法色譜分析法被擴(kuò)展到被擴(kuò)展到 無色

26、物質(zhì)的分離，分離后各組分的檢測(cè)也不再限于無色物質(zhì)的分離，分離后各組分的檢測(cè)也不再限于 用肉眼觀察顏色，所以用肉眼觀察顏色，所以“色譜色譜”這個(gè)名字漸漸失去這個(gè)名字漸漸失去 了它原來的含義。因?yàn)榉蛛x方法仍是原來的原理，了它原來的含義。因?yàn)榉蛛x方法仍是原來的原理， 所以至今仍使用這個(gè)歷史名稱。所以至今仍使用這個(gè)歷史名稱。 實(shí)用的氣相色譜儀由色譜柱、檢測(cè)器及載氣、實(shí)用的氣相色譜儀由色譜柱、檢測(cè)器及載氣、 采樣等輔助裝置組成。采樣等輔助裝置組成。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 色譜柱色譜柱 一般的一般的色譜柱色譜柱，是在直徑約，是在直徑約36mm、長(zhǎng)約長(zhǎng)約1 4m的玻璃或金屬細(xì)管中

27、，填裝固體吸附劑顆粒構(gòu)的玻璃或金屬細(xì)管中，填裝固體吸附劑顆粒構(gòu) 成。稱為固定相。常用的固體吸附劑有氧化鋁、硅成。稱為固定相。常用的固體吸附劑有氧化鋁、硅 膠、活性炭、分子篩等。膠、活性炭、分子篩等。 用氫、氮、空氣等用氫、氮、空氣等 作作“載氣載氣”，運(yùn)載被分，運(yùn)載被分 析樣氣通過固定相。載析樣氣通過固定相。載 氣和被分析樣氣稱為移氣和被分析樣氣稱為移 動(dòng)相。動(dòng)相。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 分離過程分離過程 設(shè)樣氣中有設(shè)樣氣中有A、B、C三種不同的成分。三種不同的成分。 從色譜柱分離從色譜柱分離 原理可知，被分析的原理可知，被分析的 樣氣應(yīng)當(dāng)是脈沖式輸樣氣應(yīng)當(dāng)是脈沖式

28、輸 入，在載氣的推動(dòng)下入，在載氣的推動(dòng)下 通過色譜柱。在流動(dòng)通過色譜柱。在流動(dòng) 的過程中，吸附性小的過程中，吸附性小 的成分前進(jìn)速度快，的成分前進(jìn)速度快， C、B、A各組分依各組分依 次從色譜柱流出。次從色譜柱流出。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 樣氣中樣氣中A、B、C三種不同的成分，經(jīng)色譜柱分離三種不同的成分，經(jīng)色譜柱分離 后，依次進(jìn)入檢測(cè)器。檢測(cè)器輸出隨時(shí)間變化的曲后，依次進(jìn)入檢測(cè)器。檢測(cè)器輸出隨時(shí)間變化的曲 線稱為色譜流出曲線或色譜圖，線稱為色譜流出曲線或色譜圖， 色譜圖上色譜圖上 三個(gè)峰的面積三個(gè)峰的面積 （或高度）分（或高度）分 別代表相應(yīng)組別代表相應(yīng)組 分在樣品

29、中的分在樣品中的 濃度大小。濃度大小。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.6.2.2 2.6.2.2 檢測(cè)器檢測(cè)器 檢測(cè)器的作用是將由色譜柱分離開的各組分進(jìn)檢測(cè)器的作用是將由色譜柱分離開的各組分進(jìn) 行定量的測(cè)定。行定量的測(cè)定。從理論上說，各組分與載氣的任何從理論上說，各組分與載氣的任何 物理或化學(xué)性質(zhì)的差別都可作為檢測(cè)的依據(jù)。但使物理或化學(xué)性質(zhì)的差別都可作為檢測(cè)的依據(jù)。但使 用最多的是熱導(dǎo)式檢測(cè)器和氫火焰電離檢測(cè)器。用最多的是熱導(dǎo)式檢測(cè)器和氫火焰電離檢測(cè)器。 熱導(dǎo)式檢測(cè)器熱導(dǎo)式檢測(cè)器 氫火焰電離檢測(cè)器氫火焰電離檢測(cè)器 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 如下表

30、列出在如下表列出在0時(shí)，以空氣導(dǎo)熱系數(shù)為基準(zhǔn)時(shí)，以空氣導(dǎo)熱系數(shù)為基準(zhǔn) 的一些氣體的相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)值。的一些氣體的相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)值。 q例：熱導(dǎo)式檢測(cè)器的工作原理例：熱導(dǎo)式檢測(cè)器的工作原理 熱導(dǎo)式檢測(cè)器就是一臺(tái)氣體分析儀。根據(jù)不同熱導(dǎo)式檢測(cè)器就是一臺(tái)氣體分析儀。根據(jù)不同 種類的氣體具有不同的熱傳導(dǎo)能力的特性，通過導(dǎo)種類的氣體具有不同的熱傳導(dǎo)能力的特性，通過導(dǎo) 熱能力的差異來分析氣體的組分和含量。熱能力的差異來分析氣體的組分和含量。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 熱導(dǎo)式檢測(cè)器主要由熱導(dǎo)池和檢測(cè)電橋構(gòu)成。熱導(dǎo)式檢測(cè)器主要由熱導(dǎo)池和檢測(cè)電橋構(gòu)成。 熱導(dǎo)池是用銅塊或不銹鋼做成的均勻?qū)狍w

31、。熱導(dǎo)池是用銅塊或不銹鋼做成的均勻?qū)狍w。 內(nèi)設(shè)測(cè)量室和參比室，四根鉑絲被置于其中，內(nèi)設(shè)測(cè)量室和參比室，四根鉑絲被置于其中，R1、 R3裝在測(cè)量室中，裝在測(cè)量室中， R2、R4裝在參比室中構(gòu)成電橋。裝在參比室中構(gòu)成電橋。 熱電阻通電后熱電阻通電后 發(fā)熱，其散熱快慢發(fā)熱，其散熱快慢 取決于周圍氣體的取決于周圍氣體的 導(dǎo)熱能力，而氣體導(dǎo)熱能力，而氣體 的導(dǎo)熱能力取決于的導(dǎo)熱能力取決于 氣體的組分。氣體的組分。 純載氣純載氣樣氣樣氣 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 純載氣純載氣樣氣樣氣 電阻絲產(chǎn)生的熱量只能通過周圍氣體傳至熱導(dǎo)池電阻絲產(chǎn)生的熱量只能通過周圍氣體傳至熱導(dǎo)池 四壁，再通

32、過銅塊向外傳導(dǎo)。銅塊很厚，導(dǎo)熱能力很四壁，再通過銅塊向外傳導(dǎo)。銅塊很厚，導(dǎo)熱能力很 均勻，測(cè)量室和參比室的溫度差異只能是由被測(cè)氣體均勻，測(cè)量室和參比室的溫度差異只能是由被測(cè)氣體 和參比氣體的導(dǎo)熱系數(shù)不同造成。和參比氣體的導(dǎo)熱系數(shù)不同造成。 測(cè)量室通入測(cè)量室通入 從色譜柱來的由從色譜柱來的由 載氣推動(dòng)著的樣載氣推動(dòng)著的樣 氣，參比室內(nèi)通氣，參比室內(nèi)通 入純載氣。入純載氣。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 當(dāng)色譜柱出來的載氣不含樣氣分離組分時(shí)，兩個(gè)當(dāng)色譜柱出來的載氣不含樣氣分離組分時(shí)，兩個(gè) 測(cè)量室內(nèi)的氣體都是載氣，四個(gè)熱電阻的散熱條件相測(cè)量室內(nèi)的氣體都是載氣，四個(gè)熱電阻的散熱條件

33、相 同，溫度也相同，則電阻值也相同。同，溫度也相同，則電阻值也相同。 當(dāng)色譜柱出來的載氣中含有樣氣分離組分時(shí)，流當(dāng)色譜柱出來的載氣中含有樣氣分離組分時(shí)，流 過測(cè)量室的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化，過測(cè)量室的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化， 純載氣純載氣樣氣樣氣 熱電阻熱電阻R1、 R3和的和的R2、R4散散 熱條件不同，溫?zé)釛l件不同，溫 度也不同，則電度也不同，則電 阻值也不同。阻值也不同。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 檢測(cè)器測(cè)量電路由熱電阻檢測(cè)器測(cè)量電路由熱電阻R1、R3和和R2、R4構(gòu)成構(gòu)成 電橋。調(diào)節(jié)電橋。調(diào)節(jié)RS使電橋的供電電流達(dá)到要求值。當(dāng)色使電橋的供電電流達(dá)到要求值。當(dāng)色

34、譜柱出來的載氣不含樣氣分離組分時(shí)，調(diào)節(jié)譜柱出來的載氣不含樣氣分離組分時(shí)，調(diào)節(jié)R0使電使電 橋處于平衡狀態(tài)。橋處于平衡狀態(tài)。 V0 =0 當(dāng)色譜柱出來的載氣中含有樣氣分離組分時(shí)，當(dāng)色譜柱出來的載氣中含有樣氣分離組分時(shí)， 電橋失去平衡。電橋失去平衡。 V0 0 載氣中分離組分濃度載氣中分離組分濃度 越大，電橋輸出信號(hào)就越大，電橋輸出信號(hào)就 越大，經(jīng)放大、記錄下越大，經(jīng)放大、記錄下 的色譜峰值就越高。的色譜峰值就越高。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.6.2.3 2.6.2.3 載氣及進(jìn)樣裝置載氣及進(jìn)樣裝置 從色譜柱的分離原理可知，被分析的樣氣應(yīng)該從色譜柱的分離原理可知，被分析

35、的樣氣應(yīng)該 是脈沖式的定量輸入。進(jìn)一次樣氣，分析一次。進(jìn)是脈沖式的定量輸入。進(jìn)一次樣氣，分析一次。進(jìn) 樣時(shí)間周期應(yīng)足夠長(zhǎng)，以保證各組分從色譜柱流出樣時(shí)間周期應(yīng)足夠長(zhǎng)，以保證各組分從色譜柱流出 時(shí)不重疊。時(shí)不重疊。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 六通切換閥有六通切換閥有“取樣取樣”和和“分析分析”兩種位置，受兩種位置，受 定時(shí)裝置控制。當(dāng)閥處于定時(shí)裝置控制。當(dāng)閥處于“取樣取樣”位置時(shí)，閥內(nèi)氣路位置時(shí)，閥內(nèi)氣路 按紅線接通。樣氣與載氣的通路分別為：樣氣經(jīng)預(yù)處按紅線接通。樣氣與載氣的通路分別為：樣氣經(jīng)預(yù)處 理裝置連續(xù)通過取樣管，隨時(shí)準(zhǔn)備被取出分析；載氣理裝置連續(xù)通過取樣管，隨時(shí)準(zhǔn)

36、備被取出分析；載氣 經(jīng)減壓穩(wěn)流后，經(jīng)參比室通入色譜柱，再經(jīng)測(cè)量室放經(jīng)減壓穩(wěn)流后，經(jīng)參比室通入色譜柱，再經(jīng)測(cè)量室放 空?？铡?這時(shí)，這時(shí)，參比參比 室和測(cè)量室室和測(cè)量室 都是載氣，都是載氣， 檢測(cè)器輸出檢測(cè)器輸出 信號(hào)為零。信號(hào)為零。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 當(dāng)六通切換閥轉(zhuǎn)到當(dāng)六通切換閥轉(zhuǎn)到“分析分析”位置，閥內(nèi)藍(lán)線氣位置，閥內(nèi)藍(lán)線氣 路導(dǎo)通。路導(dǎo)通。載氣推動(dòng)留在定量取樣管中的樣氣進(jìn)入色載氣推動(dòng)留在定量取樣管中的樣氣進(jìn)入色 譜柱，經(jīng)分離后，各組分在載氣的攜帶下先后通過譜柱，經(jīng)分離后，各組分在載氣的攜帶下先后通過 檢測(cè)器的測(cè)量室。檢測(cè)器根據(jù)測(cè)量室與參比室中氣檢測(cè)器的測(cè)量室

37、。檢測(cè)器根據(jù)測(cè)量室與參比室中氣 體導(dǎo)熱系數(shù)的差別，產(chǎn)生輸出色譜圖。體導(dǎo)熱系數(shù)的差別，產(chǎn)生輸出色譜圖。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.6.3 紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀 根據(jù)不同的組分對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線具有選擇性根據(jù)不同的組分對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線具有選擇性 吸收的特征制成?？蓽y(cè)量吸收的特征制成?？蓽y(cè)量CO、CO2、NH3、甲烷、乙、甲烷、乙 炔、乙醇、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷等的含量。炔、乙醇、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷等的含量。 使用范圍寬，不僅可以分析氣體，也可分析溶液，

38、使用范圍寬，不僅可以分析氣體，也可分析溶液， 且靈敏度較高，反應(yīng)迅速，有著廣泛的應(yīng)用。且靈敏度較高，反應(yīng)迅速，有著廣泛的應(yīng)用。 2.6.3.1 工作原理工作原理 紅外線是指波長(zhǎng)為紅外線是指波長(zhǎng)為0.84 400m之間之間的不可見電的不可見電 磁波，在工業(yè)紅外線分析儀中，使用的紅外線波長(zhǎng)一磁波，在工業(yè)紅外線分析儀中，使用的紅外線波長(zhǎng)一 般在般在125m之間。之間。 可見光可見光紫外線紫外線紅外線紅外線 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 實(shí)驗(yàn)證明，除氦、氖、實(shí)驗(yàn)證明，除氦、氖、 氬等單原子惰性氬等單原子惰性氣體及氫、氣體及氫、 氧、氮、氯等具有對(duì)稱結(jié)氧、氮、氯等具有對(duì)稱結(jié) 構(gòu)的雙原

39、子氣體外，大部構(gòu)的雙原子氣體外，大部 分多原子氣體如分多原子氣體如CO、CO2、 CH 4 （甲烷）等，對(duì)（甲烷）等，對(duì)1 25m波長(zhǎng)范圍的紅外線都波長(zhǎng)范圍的紅外線都 有強(qiáng)烈的選擇性吸收的特有強(qiáng)烈的選擇性吸收的特 性。如圖，性。如圖，CO對(duì)波長(zhǎng)為對(duì)波長(zhǎng)為4.5 5m的紅外線具有強(qiáng)烈的紅外線具有強(qiáng)烈 的吸收作用。的吸收作用。 CH4 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 根據(jù)朗伯根據(jù)朗伯-貝爾定律，當(dāng)光通過吸收介質(zhì)時(shí)，其貝爾定律，當(dāng)光通過吸收介質(zhì)時(shí)，其 強(qiáng)度隨介質(zhì)的濃度和厚度按指數(shù)規(guī)律衰減。強(qiáng)度隨介質(zhì)的濃度和厚度按指數(shù)規(guī)律衰減。 cl eII 0 式中：式中： I0 射入時(shí)的光強(qiáng)；射

40、入時(shí)的光強(qiáng)； I 透出時(shí)的光強(qiáng)；透出時(shí)的光強(qiáng)； l 介質(zhì)厚度；介質(zhì)厚度； c 吸收介質(zhì)的濃度；吸收介質(zhì)的濃度； 吸收系數(shù)吸收系數(shù) 紅外線氣體分析儀就是根據(jù)這一定律，測(cè)某波紅外線氣體分析儀就是根據(jù)這一定律，測(cè)某波 長(zhǎng)紅外線的透射強(qiáng)度。從波長(zhǎng)光強(qiáng)被吸收的程度，長(zhǎng)紅外線的透射強(qiáng)度。從波長(zhǎng)光強(qiáng)被吸收的程度， 推知該組分在混合氣中的濃度。推知該組分在混合氣中的濃度。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.6.3.2 2.6.3.2 儀表結(jié)構(gòu)儀表結(jié)構(gòu) 用強(qiáng)度恒定的紅外線照射厚度確定的混合用強(qiáng)度恒定的紅外線照射厚度確定的混合氣體氣體 薄層，測(cè)量透射出來的某波長(zhǎng)紅外線的強(qiáng)度。薄層，測(cè)量透射出來的某波長(zhǎng)紅外線的強(qiáng)度。 用碳化硅白熾燈作為光源產(chǎn)生紅外線，經(jīng)反用碳化硅