第17章 成分分析传感器 17.5.2.2 氧化锆氧分析仪的检测器
2
1 烟 气 3 4 5
传感器原理及应用
1—氧化锆管；2—陶瓷过滤管
温度 调 节 空 器 气 温度 显 示 仪 6
3—铂电极；4—热电偶 5—AI2O3陶瓷管；6—信号线
～
烟 气
被测烟气经过陶瓷过滤器后从氧化锆管外表面流过， 完成氧含量测量 为保证氧化锆电解质处于良好的氧导体状态， 其外表面装有加热电阻丝，设有温度自动控制系统
RT C0 E ln nF C1
C0，C1分别为参比气体与 被测气体中氧的含量
通过测量氧浓差电势即可求得待测气体中的氧含量
第17章 成分分析传感器
传感器原理及应用
17.5.2.2 氧化锆氧分析仪的检测器 利用氧化锆氧浓差电势测氧含量必需满足的条件有： ① 工作温度要恒定 ② 必须有参比气体，参比气体的氧含量要稳定不变。 二者氧含量差别越大，仪表灵敏度越高。 ③ 参比气体与检测气体总压力应该相等， 仪表可以直接以氧浓度刻度
第17章 成分分析传感器 17.5.2.2 氧化锆氧分析仪的检测器
传感器原理及应用
氧化锆管组成的一个氧浓差电池 当氧化锆两面的混合气体的氧分压不同时， 在两个电极之间就产生电动势，该电动势是 由于氧化锆固体电解质两侧的氧浓差所形成， 所以叫浓差电势。 氧离子从高浓度侧向低浓度侧转移而产生电势
第17章 成分分析传感器
第17章 成分分析传感器
传感器原理及应用
17.1 概述 按使用目的不同可分为定性成分分析仪表 和定量成分分析仪表； 按使用场合不同可分为实验室成分分析仪表、 过程成分分析仪表以及便携式成分分析仪表等
第17章 成分分析传感器 17.2 热导式气体分析仪 热学式气体分析仪
传感器原理及应用
利用不同气体导热特性不同的原理进行分析的 常用于分析混合气体中H2、CO2、NH3、SO2、 Ar等组分的百分含量
第17章 成分分析传感器
传感器原理及应用
17.1 概述 成分分析主要是用来检定、测量物质的组成和 特性，研究物质的结构
按工作原理、测试对象、使用目的及使用场合来进行分类 按测量原理不同可分为电化学式、热学式、磁学式、 射线式、光学式、电子光学式、离子光学式和色谱式等； 按测量对象不同可分为气体成分分析、 液体成分分析、金属成分分析和酸碱度分析仪表等
第17章 成分分析传感器
传感器原理及应用
17.2.3 测量电路 将待测组分含量的变化通过热导检测器 转换成电阻值变化，电阻的测量大多可采用电桥法。
当待测组分含量发生变化，即待分析气体的 导热系数变化，测量气室中的电阻丝的电阻值 Rm也发生变化，电桥失去平衡，桥路输出变化 反映待测组分含量的多少。 还可以采用双臂单电桥测量系统或采用双电桥测量
第17章 成分分析传感器 17.3.1 红外线气体分析仪的理论基础
传感器原理及应用
几种气体的吸收光谱
气体吸收红外辐射后温度会升高，压力增大。 气体吸收红外辐射越多，则温度升高也越多 红外线通过吸收物质前后其光强度将会发生变化， 光强度与被测组分浓度的关系服从朗伯—贝尔定律
第17章 成分分析传感器 17.3.1 红外线气体分析仪的理论基础
第17章 成分分析传感器
传感器原理及应用
17.4色谱分析仪 基于色谱法原理构成的分析仪器称为色谱仪 色谱仪能对被测样品进行全面的分析， 它能鉴定混合物是由哪些组分组成， 又能测出各组分的含量 17.4.1 检测原理 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以及测量值的大小 可确定混合物的组成以及各组分的浓度。 色谱分析法根据流动相的不同可分为 气相色谱法和液相色谱法两种
第17章 成分分析传感器 17.5.1.2 热磁式氧分析仪的检测器 ⑴ 内对流式检测器
5
传感器原理及应用
1-环形管；2-中间通道 3-显示仪表；4-被测气体入口
NR S
1
R2
1 2
ห้องสมุดไป่ตู้R3
4
3 R4
5-被测气体出口
E Rw
当环形气室中流动的温度为T0的气体流经强磁场附近时 在中间通道中自左向右形成一连续的气流， 这种现象称热磁对流现象，该气流称作磁风 若控制气样的流量、温度、压力和磁场强度等不变， 则磁风大小仅随气样中氧含量的变化而变。
第17章 成分分析传感器 ⑵ 外对流式检测器
传感器原理及应用
1-工作检测元件； 2-参比检测元件
被测气体直接与检测元件相接触， 热磁对流在检测元件外部形成 测量室中的气体不断地与主气道中的气体 进行热交换，形成了热磁对流。 被测气体中氧含量不同，就会有不同程度的 热磁对流，测量室中的测温元件有不同程度的散热
2 1 3 4 5 6 5 7
传感器原理及应用
1-光源；2-抛物体反射镜 3-同步电动机；4-切光片 5-滤波室；6-参比室
8 9
7-测量室；17-红外探测器；9-放大器
由红外线辐射光源、测量气样室、红外检测器及 电路等部分组成
第17章 成分分析传感器
传感器原理及应用
17.3.2 红外线气体分析仪的结构及原理 测量时(如分析CO气体的含量)，两束红外线经反射、 切光后射入测量气室和参比气室，由于测量气室中 含有一定量的CO气体，该气体对4.65μm的红外线 有较强的吸收能力，而参比气室中气体不吸收红外线， 这样射入红外探测器两个吸收气室的红外线光造成 能量差异，改变了薄膜电容两电极间的距离， 也就改变了电容C。被测气体的浓度愈大， 两束光强的差值也愈大，则电容的变化也愈大， 电容的变化量就反映了被分析气体中被测气体的浓度。 滤波气室：为了消除干扰气体对测量结果的影响
第17章 成分分析传感器
传感器原理及应用
17.5.1.1检测原理 ① 待测组分(氧气)较混合气体中其他组分的 磁化率大得多，并且在后者的磁化率近似相等 的情况下，混合气体的磁化率近似为待测组分的 磁化率与该组分所占浓度的乘积； ② 气体压力升高时，磁化率增大， 而温度升高时，其磁化率剧烈下降。 7.5.1.2 热磁式氧分析仪的检测器 检测器是热磁式气体氧分析仪的关键部件， 其作用是将混合气体中氧含量的变化转换 为电信号的变化。
第17章 成分分析传感器
目 录
传感器原理及应用
17.1 概述 17.2 热导式气体分析仪 17.3 红外线气体分析仪 17.4 色谱分析仪 17.5 氧分析仪 17.6 工业电导仪
第17章 成分分析传感器
目 录
传感器原理及应用
17.7 浓度计 17.8 PH计 17.9 硅酸根表 17.10 钠表 17.11 溶解氧表 17.12 成分分析仪表的选用
传感器原理及应用
17.5.2.2 氧化锆氧分析仪的检测器 在正极上氧分子得到电子成为氧离子， 在负极上氧离子失去电子成为氧分子 在两个电极间就产生氧浓差电势，氧浓差电势的大小 与两侧氧浓度有关
RT p0 E ln nF p1
E为氧浓差电势；R为理想气体常数 F为法拉第常数 T为绝对温度
假定参比侧与被测气体的总压力相等，则上式可改写为：
第17章 成分分析传感器
传感器原理及应用
17.3红外线气体分析仪 利用不同气体对不同波长的红外线 具有选择性吸收的特性来进行分析的 17.3.1 红外线气体分析仪的理论基础 利用气体对红外线的吸收特性来进行气体成分分析 各种气体对红外光谱范围内所有波长具有选择吸收能力 CO对波长为4.65μm的红外线具有最大的吸收； CO2对波长2.717μm和4.26μm红外线具有最大的吸收； CH4的特征吸收波长则为3.3μm和7.65μm
第17章 成分分析传感器
传感器原理及应用
⑴ 内对流式检测器 热磁对流的结果将带走电阻丝R1和R2上的 部分热量，由于冷气体先经R1处，R1上 被气体带走的热量要比R2上带走的热量多， 于是R1处的温度低于R2处的温度，电阻值R1<R2， 电桥就有一个不平衡电压输出。输出信号的大小 取决于R1和R2之间的差值，也即磁风的大小， 反映了混合气体中氧含量的多少。
第17章 成分分析传感器
传感器原理及应用
17.2.1工作原理 各种气体都具有一定的导热能力， 但是程度有一定差异，各有不同的导热系数。 对于多组分气体，由于组分含量的不同， 混合气体导热能力将会发生变化。 根据混合气体导热能力的差异， 就可实现气体组分的含量分析。 热导式气体分析仪是通过对混合气体的导热系数的 测量来分析待测组分的含量
第17章 成分分析传感器 17.2.2热导检测器
传感器原理及应用
直接测量气体的导热系数比较困难， 热导式分析仪大多是把导热系数的测量转变成电阻的测量， 将由于混合气体中待测组分含量变化所引起总的 导热系数的改变转换为电阻的变化
热导池结构
直通式结构
第17章 成分分析传感器
传感器原理及应用
17.2.2热导检测器 被测气体由小室下部引入，从小室上部排出， 热丝的热量通过混合气体向室壁传递。 热丝的热平衡温度将随被测气体的热导系数变化而改变。 热丝温度的变化使其电阻值亦发生变化， 通过电阻的变化可得知气体组分的变化
第17章 成分分析传感器
传感器原理及应用
17.5 氧分析仪 在很多生产过程，特别是燃烧过程和 氧化反应过程中，测量和控制混合气体中的 氧含量是非常重要的 氧含量分析方法有两种： 一种为物理分析法，如磁性氧分析仪 另一种为电化学法，如氧化锆氧分析仪。
第17章 成分分析传感器
传感器原理及应用
17.5 氧分析仪 17.5.1 热磁式氧分析仪 利用被测气体混合物中待测组分比其他气体 有高得多的磁化率以及磁化率随温度的升高而 降低等热磁效应来检测待测气体组分含量的 主要用来检测混合气体中的氧含量， 测量范围为0～100%，并具有反应快 和稳定性好等特点
第17章 成分分析传感器