第4章 过程分析仪器.doc

第4章 过程分析仪器4.1 概述在许多工业生产的自动化系统中，需要的是最终产品的成分指标，然而多年来却一直使用温度、压力、流量等作为主要的检测及控制参量，这样往往使检测和控制的结果难以满足人们的期望分析仪器的使用会大大提高工业控制系统的水平，然而由于分析仪器检测对象的复杂性与采样技术的困难，以及对仪器高灵敏度和高可靠性的要求，致使分析仪器始终被放在离线分析的参考地位只是从20 世纪50 年代开始，微电子技术的发展、微处理器和计算机的广泛使用，使分析仪器在技术上有了飞速的发展，提高了精度和稳定性，缩短了分析时间目前在工业控制中，分析仪器已经成为不可缺少的手段分析仪器可以用来测量物质的组成和含量以及物质的各种物理特性分析仪器又可分为实验室分析仪器和过程分析仪器两大类过程分析仪器大多数是从实验室分析仪器演变而来的，但它们往往要求安装在现场，能够自动地连续取样，对试样进行预处理（抽吸、过滤、干燥等等），自动地进行分析、信号的处理和远传对过程分析仪器来讲最重要的是要求稳定、可靠、连续运行它们的精度往往比实验室分析仪器略低对于过程分析仪器，过去它的名称很多，有的叫“工业分析仪器”，还有的称为“流程分析仪器”或“分析仪器”。

1979 年11 月在中国仪器仪表学会分析仪器专业委员会成立大会上，经过专家们的讨论后，一致认为应当使用“过程分析仪器”最为恰当，这与国际上使用的“Process Analyzer”专用名词相对应分析仪器若按测量原理来分类共有8 种：（1）电化学式分析仪器，如电导式、电量式、电位式等；（2）热学式分析仪器，如热导式、热化学式、热谱式等；（3）磁式分析仪器，如磁性氧分析器、核磁共振波谱仪等；（4）光学式分析仪器，如吸收式光学分析仪、发射式光学分析仪等；（5）射线式分析仪器，如X 射线分析仪，γ射线分析仪、同位素分析仪等；（6）色谱分析仪器，如气相色谱仪、液相色谱仪等；（7）电子光学式和离子光学式分析仪器，如电子探针、质谱仪、离子探针等；（8）物性测量仪器，如水分计、粘度计、湿度计、密度计、酸度计、电导率测量仪以及石油产品的闪点、倾点、辛烷值测定仪等等上述仪表中只有一小部分可以做成过程分析仪器，绝大部分是实验室分析仪器过程分析仪器也分成两大类一类是气体分析器，它可以在一个多组分的混合气体中定性、定量地检测出一种或几种组分另一类是物性分析仪表，它可以测量介质的多种物性参数过程分析仪器在石油、化工、冶金、电力、食品、制药、轻工等行业以及环保工程、生物工程方面都有着广泛的用途，是自动化仪表的一个重要组成部分，它对于提高产品质量、降低能源消耗、保证生产安全、防止环境污染等方面都起着十分重要的作用。

例如：对工业窑炉烟气中含氧量的分析，就可以得到炉膛中过剩空气系数α 值的大小，进而调整锅炉的送风量，以保证最佳空气燃料比，这样就可以达到节约能源和减少环境污染的双重效果在化肥工业合成氨生产流程中，用工业气相色谱仪对变换器中的CO2 、CO 、N2和O2的含量进行分析，对变换效率进行监视，这对提高产量具有重要的作用在制药工业中，用pH 酸度计监视青霉素的发酵生产过程在水产养殖场中用溶解氧测量仪对水中含氧量进行监视，它们对生产过程的顺利进行都起着重要的作用现以乙烯生产装置为例，说明过程分析仪表的使用情况在世界范围内乙烯生产装置是石化工业中的领头装置，它将原料石脑油、加氢尾油和轻柴油经裂解、急冷、压缩和分离等过程加工成乙烯、丙烯、丁烯及辅助产品，然后再进行深加工变成合成纤维、合成塑料和合成橡胶三大合成材料所以乙烯的产品往往可以代表一个国家石化工业的水平在年产40 万吨乙烯生产装置中要采用下列过程分析仪器：工业色谱仪　　　　　　　　　　24 台套磁氧分析仪　　　　　　　　　　12 台套工业电导仪　　　　　　　　　　10 台套工业pH 计　　　　　　　　　　11 台套红外线分析仪　　　　　　　　　5 台套微量水分分析仪　　　　　　　　7 台套密度计　　　　　　　　　　　　3 台套粘度计　　　　　　　　　　　　1 台套可燃气体报警仪　　　　　　　　80 台套总共153 台套过程分析仪表的应用，为先进控制技术在乙烯装置上的应用提供了实时、准确的成分和物性参数数据，进一步实现了乙烯装置的优化操作、平衡运行、增加产量、降低能耗，为企业带来了巨大的经济效益。

下面将对工业上常用的过程分析仪器进行介绍4.2 热导式气体分析仪热导式气体分析仪属于热学式分析仪器中的一种它是历史最悠久的一种物理式的分析方法它的工作原理是利用气体体积的百分比含量与气体导热系数λ的关系这一物理特征进行分析的它可以测量混合气体中某一种组分的含量，这个组分称为待测组分4.2.1 测量原理热量的传递一般以三种方式进行：导热换热、对流换热和辐射换热固体、液体和气体都有导热换热的能力热传导是由分子振动的传递引起的，物体密度不同，导热换热能力也不同金属强于非金属，固体强于液体和气体，气体导热能力最弱物体的导热现象可以用傅立叶定理来描述如式（4-1）所示　　　 　　　　　　(4-1) 从上式可以看到物体之间导热换热量ΔQ 的大小与两物体之间的接触面积幼成正比，与时间Δt 成正比，与沿热传导方向上的温度梯度ΔT ／Δx成正比，且与物体的物理特性即导热系数这个成正比式中负号表示热量向温度降低的方向传递λ值的大小可以用实验的方法确定工程上常采用相对导热系数这个概念各种气体的导热系数与相同条件下空气导热系数的比值，称为该气体的相对导热系数（有时也简称导热系数）气体的导热系数随温度的升高而增大，当然也会随气体压力变化而变化。

因为气体在不同的压力下密度不同，导热系数必然也不相同，但在常压范围内，压力变化不大时，导热系数没有明显的变化部分气体对于空气的相对导热系数如表4-1 中所示从表4.1 中可以知道氢气（H2）的导热系数特别大，是一般气体的7 倍多此外，CO2、SO2、Ar等气体的导热系数比一般气体要小，大多数无机气体的导热系数与空气相近，近似为1使用热导式气体分析器主要用来分析一个混合气体中H2的含量，此外也可以用来分析CO2、S02 ，、NH3 和Ar 等气体的含量或上述气体中杂质的含量表4-1 部分气体的相对导热系数一个多组分的混合气体，它的平均导热系数λ如何确定？平均导热系数λm与被测组分的浓度Ci之间有什么样的确定关系？这种函数关系的确定有何先决条件？这些都是利用热导池发讯器进行测量的基础对于彼此之间不起化学反应的多种组分的混合气体，它的平均导热系数λm可以近似地用叠加法来计算，即 (4-2) 式中，λm── 混合气体的平均导热系数；λi── 混合气体中第i组分的导热系数；Ci ── 混合气体中第i组分的体积百分比含量我们设混合气体的待测组分i=1，其体积百分比含量为Ci 。

若混合气体中除待测组分外的其余气体（我们称之为背景气体）的导热系数基本相同，即：λ2≈ λ3≈…≈λn，又有Cl + C2 + … ＋Cn=1 则有λm＝λ1C1+λ2(C2+C3+…+Cn)＝λ1C1+λ2(l-Cl)＝λ2+(λ1-λ2)C1 (4-3)上式表明了待测组分浓度C1 与多组分混合气体平均导热系数λm的函数关系从以上推导的假设条件及函数关系可以知道，要使λm与Cl 之间有惟一确定的函数关系，应满足下列条件：（1）背景气体的导热系数要基本相同，即λ2≈λ3≈…≈λn ，近似程度越高，仪器的测量精度就越高若有个别气体的λ值与其它背景气体相差较远时，则被视为测量的干扰成分，在分析之前要去除掉2）待测气体的导热系数λ1要和背景气体的导热系数λ2有较大的差别，即d(λm／C1）=λ1- λ2≠0，这种差别越大，则仪表的灵敏度就越高所以用热导式气体分析器测量H2的含量时灵敏度是最高的4.2.2 热导池的原理和结构图4-l 热导池检测器结构示意图把多组分混合气体的平均导热系数λm的大小转化为电阻值的变化是通过热导池来完成的。

它是热导式气体分析器的核心部件图4-1为热导池检测器的结构示意图由金属制成的圆柱形腔体中，垂直悬挂一根热敏电阻元件，一般为铂丝电阻元件与金属腔体之间有良好的电绝缘电阻元件通过两端引线通以电流I，设电阻元件的有效长度为l，半径为rn， 0℃时的电阻值为R0热导池腔体内半径为rc，电阻元件在电流作用下有一平衡温度tn，热导池腔体应采取恒温措施，设热导池壁温为tc被测气体从热导池的下面人口进入，从上面出口流出，气体的流量要恒定且很小热导池中的热敏元件既是加热元件又是测量元件当在热敏电阻上通以恒定电流I时，电阻丝产生的热量会向四周散发，由于气体流速极小，气体直接带走的热量可以忽略，热量主要通过气体导热换热的方式沿气室壁传出如果我们用热导池来测量混合气体中氢气的含量，当混合气体中氢气含量增加后，混合气体的平均导热系数λm则会增大，电阻丝产生的热量通过气样传导到热导池壁的热量必然也会增大，电阻丝的平衡温度tn就会下降，这就导致电阻丝电阻值Rn的减小因此我们完全可以通过热丝电阻值Rn的大小来测量氢气的含量根据单层圆筒壁的热阻公式以及热平衡时电阻丝和热导池壁的温差值可以求出单位时间内从电阻丝上传给热导池中被测气体的热量Ql，即有： (4-4) 又知电阻丝的发热量： (4-5) 当热平衡时，有Q1=Q2 ，则有： (4-6) 电阻值随温度而变化的规律为： (4-7) 把式（4-6）代入到式（4-7）中，有： 　　 　 (4-8) 令结构参数为，并忽略高阶无穷小量，则有：　 　(4-9)式（4-9）表明了气样的平均导热系数λm与热导池在平衡温度时的热丝电阻值Rn之间的近似关系。

当R0、a、te、I、k为常数时，Rn与λm有固定的单值函数关系热导池结构和工作参数一般为：l=50～60mm，rn= 0.01～0.03mm，rc=4～6mm，R0=15Ω，I=l00mA，tc=50～60℃热导池在结构设计中主要考虑的是，电阻丝上的热量只能以导热换热的方式向外传递，这样才能确保测量原理的实现因此必须最大限度地防止以下三种换热方式的发生第一是气样分子团在热导池内的移动产生的对流换热对此，热导池直径rc一般设计得很小，而且气样以扩散方式进入热导池，流速极慢，这样就大大地减小了对流换热的作用第二是电阻丝向外的辐射换热对此，一般将电阻丝和热导池壁之间的温差Δt＝tn-tc限制在200℃ 以下，这样热辐射的强度一般是很小的第三是电阻丝沿轴向方向上的热传导对此，热导池在结构上一般要求l/rn=2000～3000，这样就可以使沿轴向的导热量比径向的导热量要小得多，甚至可以忽略不计电阻丝的结构及支撑方式有多种形式若采用裸露电阻丝，固定方式有弓形、V 形和直线形三种采用覆盖玻璃膜的电阻丝具有抗腐蚀性能和便于清洗的特点，但由于玻璃膜的存在会使动态特性变差电阻丝的结构和支承方式见图4-2。

从提高热导池的动态特性和灵敏度来看，利用半导体热敏元件代替铂丝是一个发展方向目前半导体热敏元件的互换性和稳定性已解决得较好，这将使热导池的性能显著提高热导池检测器在结构上可以。