制冷與低溫測(cè)試技術(shù) 氣體組分測(cè)量與分析

2023/11/27制冷與低溫測(cè)試技術(shù)

組分測(cè)量第1節(jié)概述常見的組分有:CO、HC、SO2

、CO2、N2、O2測(cè)量點(diǎn)的設(shè)置要得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，不僅要有精確的儀器，還要保證用來分析的氣體具有代表性。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于大截面的排放通道，截面上的氣體組分及其分布是不均勻的，存在明顯的分層現(xiàn)象，因此，最好設(shè)置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，然后取各點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的平均值。對(duì)粘性流體，管道內(nèi)各截面上的速度是不相同的。測(cè)量點(diǎn)的設(shè)置第2節(jié)色譜分析儀(chromatogram)1基本原理2氣相色譜儀的系統(tǒng)組成3組分定性分析4組分含量檢測(cè)器

1基本原理

被分析的混合物在流動(dòng)氣體或液體（稱流動(dòng)相）的推動(dòng)下，流經(jīng)一根裝有填充物（稱固定相）的管子（稱色譜儀），由于固定相對(duì)不同的組分具有不同的吸附或溶解能力，因此，混合物經(jīng)過色譜柱后，各種組分在流動(dòng)相和固定相中形成的含量分配關(guān)系不同，因此各組分在色譜柱中的運(yùn)行速度就不同，最終導(dǎo)致從色譜柱流出的時(shí)間不同，經(jīng)過一定的柱長后，便彼此分離，按順序離開色譜柱進(jìn)入檢測(cè)器，從而達(dá)到組分分離的目的。

1基本原理

色譜分析分為液相色譜分析和氣相色譜分析兩種。液相色譜分析用液體作為流動(dòng)相，氣相色譜分析用氣體作為流動(dòng)相，通常稱氣體流動(dòng)相為載氣。

1基本原理

色譜柱中的固定相有固態(tài)和液態(tài)兩種。因此，以氣相色譜分析為例，有氣---固色譜和氣---液色譜。氣---固色譜利用固態(tài)填充物對(duì)不同組分吸附能力的差別進(jìn)行組分分離，氣---液色譜利用液態(tài)填充物對(duì)不同組分溶解度的差別進(jìn)行組分分離。2氣相色譜儀的系統(tǒng)組成

載氣源：載氣就是氣體流動(dòng)相，用來輸送被測(cè)混合物。2氣相色譜儀的系統(tǒng)組成

色譜柱：一般用玻璃管或不銹鋼管制成，內(nèi)部填充的固定相根據(jù)被測(cè)組分加以選擇。

2氣相色譜儀的系統(tǒng)組成檢測(cè)器：色譜柱分離出來的各種組分被載氣依次送入檢測(cè)器，由檢測(cè)器完成含量測(cè)定。3組分定性分析

利用色譜進(jìn)行混合物組分判斷的基本依據(jù)是色譜流出曲線.常用的方法有兩種:3.1保留時(shí)間分析3.2加入純物質(zhì)對(duì)比分析

3.1保留時(shí)間分析保留時(shí)間是指被測(cè)組分開始進(jìn)入色譜柱到流出色譜柱后出現(xiàn)濃度最大值所需的時(shí)間,反映組分在色譜柱中滯留的時(shí)間長短.分析:將實(shí)際測(cè)量得到的保留時(shí)間與已經(jīng)建成的組分---保留時(shí)間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較,搜索相同保留時(shí)間對(duì)應(yīng)的組分即為待測(cè)組分.這種方法通常用來判別混合物中是否含有某種特定的成分。具體做法是：首先測(cè)取被測(cè)混合物的色譜峰圖，然后在被測(cè)混合物中加入特定組分的純物質(zhì)，測(cè)取新的色譜峰圖。

3.2加入純物質(zhì)對(duì)比分析比較前后兩幅色譜峰圖，如果原來圖中的某一峰值在新圖中獲得增高，則說明被測(cè)混合物中含有特定組分；如果在新的圖中出現(xiàn)了原來圖中不存在的峰，則說明被測(cè)混合物中不含有特定組分。

3.2加入純物質(zhì)對(duì)比分析4組分含量檢測(cè)器4.1熱導(dǎo)檢測(cè)器4.2氫火焰電離檢測(cè)器4.1熱導(dǎo)檢測(cè)器熱導(dǎo)檢測(cè)器是利用被測(cè)組分和載氣的熱導(dǎo)系數(shù)不同而響應(yīng)的濃度型檢測(cè)器。通常采用熱導(dǎo)率較大的H2或He作為載氣。工作時(shí)，流經(jīng)參比室的是純載氣，而流經(jīng)測(cè)量室的是從色譜柱流出的氣體（載氣與被測(cè)的組分混合物）。測(cè)量室和參比室內(nèi)分別置有阻值相等的熱敏電阻R1和R3。熱敏電阻R1和R3是鎢絲或鉑絲，以下稱為熱絲。R1和R3分別接在測(cè)量電橋兩個(gè)相鄰的臂上。電橋的另外兩個(gè)橋臂為固定電阻R2和R4，橋路用恒定電源供電。在非測(cè)量狀態(tài)下，電橋平衡。通常熱絲的長徑比很大（一般大于2000）。測(cè)量時(shí)，純載氣與從色譜柱流出的氣體均以擴(kuò)散的方式進(jìn)入?yún)⒈仁液蜏y(cè)量室，流經(jīng)熱絲的速度很小。另外，參比室和測(cè)量室的壁面與熱絲之間的溫差小于200℃。因此認(rèn)為：熱絲R1及R3與周圍氣體之間的對(duì)流換熱及其與周圍壁面之間的輻射換熱可以忽略。熱絲主要是通過周圍氣體以熱傳導(dǎo)的方式向外散熱。R1的熱狀態(tài)主要取決于色譜柱流出的氣體的熱傳導(dǎo)性能R3的熱狀態(tài)主要取決于純載氣的熱傳導(dǎo)性能當(dāng)兩路氣體的熱傳導(dǎo)性能存在差異時(shí)，R1和R3之間因?yàn)樯岢潭炔灰粯佣霈F(xiàn)電阻差值，致使電橋失去平衡。參比室內(nèi)純載氣的熱傳導(dǎo)性能是確定不變的，而測(cè)量室內(nèi)被測(cè)氣體的熱傳導(dǎo)性能隨組分含量改變而變化。因此，參比室和測(cè)量室內(nèi)氣體熱傳導(dǎo)性能的差別大小與被測(cè)氣體組分含量有關(guān)。被測(cè)氣體組分含量越大，R1和R3的電阻差值越大，電橋的輸出越大。因此，通過測(cè)量電橋的輸出信號(hào)就可以確定被測(cè)氣體組分含量的大小4.2氫火焰電離檢測(cè)器氫火焰電離檢測(cè)器對(duì)無機(jī)組分不靈敏，主要用于有機(jī)組分的測(cè)量，特別用于碳?xì)浠衔锏暮繙y(cè)量。被測(cè)氣體由載氣推動(dòng)進(jìn)入噴嘴與H2混合，混合后的氣體在噴嘴出口處噴出時(shí)，在空氣助燃下由電熱絲點(diǎn)燃。在燃燒火焰中碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生離子和電子，其數(shù)目隨碳?xì)浠衔锼珻原子數(shù)目的增加而增加。這些離子和電子在周圍電場(chǎng)（收集電極和底電極之間加有100～300V的電壓）的作用下，按一定的方向運(yùn)動(dòng)而形成電流，電流的大小即反映碳?xì)浠衔锏暮俊５?節(jié)紅外氣體分析儀

氣體對(duì)紅外線進(jìn)行選擇性吸收，當(dāng)被測(cè)氣體通過測(cè)量管道時(shí)吸收紅外光源發(fā)出的特定頻率光（與被測(cè)氣體成分有關(guān)）使光強(qiáng)衰減，測(cè)出光強(qiáng)的衰減程度即確定了被測(cè)氣體的濃度。

氣體對(duì)一定波長的紅外輻射的吸收強(qiáng)度與氣體含量之間的關(guān)系第3節(jié)紅外氣體分析儀I0為紅外光源投射到被測(cè)氣體的輻射強(qiáng)度Kλ為氣體對(duì)波長為λ的紅外輻射吸收系數(shù)C為被測(cè)氣體組分的含量L為紅外輻射透過的氣體厚度I為經(jīng)氣體吸收后透射的紅外輻射強(qiáng)度第4節(jié)氧含量測(cè)量1氧化鋯氧量分析儀的基本工作原理

2氧化鋯氧量分析儀測(cè)量系統(tǒng)1氧化鋯氧量分析儀的基本工作原理氧化鋯氧化鋯在常溫下具有單斜晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度升高到1500℃變?yōu)榱⒎骄w，同時(shí)有7%的體積收縮。因此氧化鋯晶體隨著溫度變化是不穩(wěn)定的。在氧化鋯晶體中加入少量的氧化鈣或氧化釔,再經(jīng)過高溫處理，則其晶體變?yōu)椴浑S溫度變化的螢石型立方晶體。普通氧化鋯晶體中氧離子空穴含量很小，即使高溫能增加氧離子空穴，但其含量仍然很小。

在氧化鋯晶體中加入少量的氧化鈣或氧化釔,在晶體中將產(chǎn)生一些氧離子空穴.

如一個(gè)氧化鈣分子（CaO)取代了一個(gè)氧化鋯分子(ZrO2)

，由于一個(gè)鈣離子只與一個(gè)氧離子結(jié)合，晶格中就會(huì)留下一個(gè)氧離子空穴。這種有氧離子空穴的材料在600～800℃溫度時(shí)，具有導(dǎo)電特性，被稱為固體電解質(zhì)。氧化鋯管的結(jié)構(gòu)在氧化鋯電解質(zhì)(ZrO2管)的兩側(cè)面分別燒結(jié)上多孔鉑（Pt）電極工作過程被測(cè)氣體(煙氣)通過檢測(cè)器(傳感器)過濾器，進(jìn)入氧化鋯管的外側(cè)，參比氣體(空氣)通過自然對(duì)流進(jìn)入檢測(cè)器的內(nèi)側(cè)。

工作過程當(dāng)鋯管內(nèi)外側(cè)的氧濃度不同時(shí)，在氧化鋯鋯管內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生氧濃差電動(dòng)勢(shì)(在參比氣體確定情況下，氧化鋯檢測(cè)器輸出的氧濃差電動(dòng)勢(shì)與檢測(cè)器工作溫度和被測(cè)氣體濃度成函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系)。工作過程該氧濃差電動(dòng)勢(shì)經(jīng)顯示儀表(變送器)轉(zhuǎn)換成與被測(cè)煙氣含氧量成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供顯示和輸出。

氧濃差電勢(shì)的產(chǎn)生管內(nèi)外兩側(cè)氣體中的氧分子被金屬鉑吸附,并在其催化作用下得到電子、成為氧離子O2-進(jìn)入氧化鋯離子空穴中，而在金屬鉑表面上留下過剩的正電荷。氧濃差電勢(shì)的產(chǎn)生同時(shí)，氧化鋯中的氧離子O2-也會(huì)失去電子成為氧分子回到空氣或煙氣中。當(dāng)固體電解質(zhì)中氧離子濃度一定時(shí)，氣體中的氧分子濃度越大，這種轉(zhuǎn)移越多。氧濃差電勢(shì)的產(chǎn)生當(dāng)這兩種以相反方向進(jìn)行轉(zhuǎn)移的過程最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，金屬鉑帶正電荷而氧化鋯帶負(fù)電荷，兩者之間具有靜電吸引作用，氧濃差電勢(shì)的產(chǎn)生這種作用不是均勻的分布在氧化鋯固體電解質(zhì)中，而是較多的氧離子聚集在鉑金屬表面附近，形成雙電層，金屬鉑與氧化鋯之間產(chǎn)生電位差，該電位差稱為電極電位。氧濃差電勢(shì)的產(chǎn)生在一定溫度下，當(dāng)電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時(shí)，由于空氣側(cè)鉑電極電位高于煙氣側(cè)鉑電極電位,兩者之間便產(chǎn)生了電位差,構(gòu)成氧濃差電池.氧濃差電勢(shì)的產(chǎn)生正極空氣參比側(cè)：O2+4e——2O2-負(fù)極煙氣測(cè)量側(cè)：2O2-－4e——O2氧濃差電勢(shì)的產(chǎn)生由于大量的正電荷通過導(dǎo)線由正極流向負(fù)極,使正極正電荷減少,負(fù)極正電荷增多,破壞了正負(fù)電極間的正逆反應(yīng)平衡,空氣側(cè)將有更多的氧分子變成離子進(jìn)入氧化鋯中,而氧化鋯中將有更多的氧離子失去電子變成氧分子進(jìn)入空氣中.宏觀結(jié)論在一定溫度下，當(dāng)電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時(shí)，高濃度側(cè)(空氣)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結(jié)合形成氧離子O2-，使該電極帶正電，O2-離子通過電解質(zhì)中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(cè)的Pt電極上放出電子，轉(zhuǎn)化成氧分子，使該電極帶負(fù)電。宏觀結(jié)論氧濃差電池總反應(yīng)的效果是含氧量高一側(cè)的氧氣變?yōu)檠蹼x子向含氧量低的一側(cè)移動(dòng),即具有氧離子空穴的氧化鋯材料可將氧氣以氧離子的方式從空氣側(cè)傳導(dǎo)至煙氣側(cè).這樣在兩個(gè)電極間便產(chǎn)生了一定的電動(dòng)勢(shì)，氧化鋯電解質(zhì)、Pt電極及兩側(cè)不同氧濃度的氣體組成氧探頭即所謂氧化鋯濃差電池。兩級(jí)之間的電動(dòng)勢(shì)E可由能斯特公式求得：

式中，E―濃差電池輸出，mVn―電子轉(zhuǎn)移數(shù)，在此為4R—理想氣體常數(shù)，8.314W·S／molT—絕對(duì)溫度（K）F—法拉第常數(shù)，96500C;P2——參比氣體氧濃度百分?jǐn)?shù)P1——待測(cè)氣體氧濃度百分?jǐn)?shù)該分式是氧探頭測(cè)氧的基礎(chǔ)，當(dāng)氧化鋯管處的溫度被加熱到600℃～1400℃時(shí)，高濃度側(cè)氣體用已知氧濃度的氣體作為參比氣，如用空氣，則P2=20.6%，將此值及公式中的