第九章 成分分析仪表
工业仪表与工程测试成分分析PPT学习教案
立方 1500℃
掺入 (12％～15％) CaO或 (Y2O3)等稳定剂， 经高温焙烧形成稳定莹石型立方晶体。因钙、钇化
合价与锆不同，在晶体中产生氧离子空穴。
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氧化锆管 浓差电池
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管内通空气(参比气体)，管外走烟气。管内外 两侧气体中的O2被金属铂吸附，且在其催化作用下 得到电子、成为O2－进入氧化锆离子空穴中，金属 铂表面上留下过剩正电荷。
工业仪表与工程测试成分分析
会计学
1
7.1.2 成分分析方法 ➢ 定期取样法：实验室测定 ➢ 连续测定法：测定混合物中某种成分含量或性
质；测定混合物中几种或全部组成的含量。
7.1.3 成分分析仪组成 取样系统：正确取出被测介质的样品 发送器：将被测组分含量转换为电量输出信号 。 信号放大系统：将发送器输出的信号进行放大 。 显示系统：显示分析结果。
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7.6 氧化锆氧量计
➢ 用氧化锆固体电解 质作测量元件，将 氧量信号转换为电 量信号显示被测气 体的氧含量。
➢ 特点：结构简单、 反应速度快、不受 其它气体干扰 第27页/共37页
7.6.1 工作原理和结构 体 积 收 缩 ～ 7％
ZrO2 晶体结构：
常温
单斜 结构不稳定，反复加热和冷却会断裂 。纯净 氧化锆 不能用 作测量 元件。
Cu(CO)2 + 2NH3
吸收量：
1ml Cu(NH3) 2Cl
15ml CO
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上述三种吸收均需通过几次，前后二 次读数相同时，方可依次进入下一吸收瓶 。
三次吸收后剩余气体为N2（%）：
N2＝100－CO2－O2－CO
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自动检测技术及仪表控制系统第三版部分思考题答案
1基本知识引论课后习题1.1检测及仪表在控制系统中起什么作用，两者关系怎样？检测单元完毕对多种参数过程旳测量，并实现必要旳数据处理；仪表单元则是实现多种控制作用旳手段和条件，它将检测得到旳数据进行运算处理，并通过对应旳单元实现对被控变量旳调整。
关系：两者紧密有关，相辅相成，是控制系统旳重要基础1.2 经典检测仪表控制系统旳构造是怎样旳，各单元重要起什么作用？被控——检测单元——变送单元——显示单元——操作人员对象——执行单元——调整单元—作用：被控对象：是控制系统旳关键检测单元：是控制系统实现控制调整作用旳及基础，它完毕对所有被控变量旳直接测量，也可实现某些参数旳间接测量。
变送单元：完毕对被测变量信号旳转换和传播，其转换成果须符合国际原则旳信号制式。
变：将多种参数转变成对应旳统一原则信号；送：以供显示或下一步调整控制用。
显示单元：将控制过程中旳参数变化被控对象旳过渡过程显示和记录下来，供操作人员及时理解控制系统旳变化状况。
分为模拟式，数字式，图形式。
调整单元：未来自变送器旳测量信号与给定信号相比较，并对由此产生旳偏差进行比例积分微分处理后，输出调整信号控制执行器旳动作，以实现对不一样被测或被控参数旳自动调整。
执行单元：是控制系统实行控制方略旳执行机构，它负责将调整器旳控制输出信号按执行构造旳需要产生对应旳信号，以驱动执行机构实现被控变量旳调整作用。
1.4 什么是仪表旳测量范围，上下限和量程？彼此有什么关系？测量范围：是该仪表按规定旳精度进行测量旳被测变量旳范围。
上下限：测量范围旳最小值和最大值。
量程：用来表达仪表测量范围旳大小。
关系：量程=测量上限值-测量下限值1.6 什么是仪表旳敏捷度和辨别率？两者存在什么关系？敏捷度是仪表对被测参数变化旳敏捷程度。
辨别率是仪表输出能响应和辨别旳最小输入量，又称仪表敏捷限。
关系：辨别率是敏捷度旳一种反应，一般说仪器旳敏捷度高，则辨别率同样也高。
4 温度检测课后习题4.1国际实用温标旳作用是什么？它重要由哪几部分构成？答：作用：由其来统一各国之间旳温度计量。
热工测量仪表习题
第1章绪论思考题1．测量过程包含哪三要素？2．什么是真值？真值有几种类型？3．一个完整的测量系统或测量装置由哪几部分所组成?各部分有什么作用？4．仪表的精度等级是如何规定的？请列出常用的一些等级。
5．什么是检测装置的静态特性？其主要技术指标有哪些？6．什么是仪表的测量范围及上、下限和量程？彼此有什么关系？7．什么是仪表的变差？造成仪表变差的因素有哪些？合格的仪表对变差有什么要求？8．有人想通过减小表盘标尺刻度分格间距的方法来提高仪表的精度等级，这种做法能否达到目的？9．用标准压力表来校准工业压力表时，应如何选用标准压力表精度等级？可否用一台精度等级为0.2级，量程为0~25MPa的标准表来检验一台精度等级为1.5级，量程为0~2.5MPa 的压力表？为什么？习题1．某弹簧管压力表的测量范围为0~1.6MPa，精度等级为2.5级。
校验时在某点出现的最大绝对误差为0.05MPa，问这块仪表是否合格？为什么？2．现有两台压力检测仪表甲和乙，其测量范围分别为0~100kPa和-80~0kPa，已知这两台仪表的最大绝对误差均为0.9kPa，试分别确定它们的精度等级。
3．某位移传感器，在输入位移变化1mm时，输出电压变化300mv。
求其灵敏度。
4．某压力表，量程范围为0～25MPa，精度等级为1.0级，表的标尺总长度为270°，给出检定结果如下所示。
试求：（1）各示值的绝对误差；（2）仪表的基本误差，该仪表合格否？5.-50℃～＋550℃、0℃～1000℃，现要测量500℃的温度，其测量值的相对误差不超过2.5％，问选用哪块表合适？6. 有一台精度等级为2.5级、测量范围为0～10MPa的压力表，其刻度标尺的最小分格应为多少格？第2章测量误差分析与处理1.请分别从误差的数值表示方法、出现的规律、使用的条件和时间性将误差进行分类。
2.何谓系统误差？系统误差有何特点？3.试举例说明系统误差可分为几类？如何发现系统误差？4.随机误差产生的原因是什么？随机误差具有哪些性质？5.为什么在对测量数据处理时应剔除异常值？如何判断测量数据列中存在粗大误差？6.对某一电压进行了多次精密测量，测量结果如下所示（单位为mV）：85.30，85.71，84.70，84.94，85.63，85.65，85.24，85.36，84.86，85.21，84.97，85.19，85.35，85.21，85.16，85.32，试写出测量结果表达式（置信概率为99.73%）。
成分分析仪表
By Champagne 有关成分分析仪表的文献阅读札记[内容提要]：成分分析仪表是自动化控制仪表的一个分支，它的出现主要源于石油、化工、冶金、电力、食品、制药、轻工等行业以及环境保护、生物工程领域的需要。
通过对与相关文献检索和阅读，这篇札记将从成分分析仪表的分类、原理、应用等方面进行汇总归纳，并进行理解性质的相关阐述。
[关键词]：成分分析仪表结构原理特性分类参数自动控制不同于温度、压力、液位、流量等物理量，在生产以及其它控制过程中，我们常常需要对物质成分组成这一过程变量进行检测、分析、控制。
这就是成分分析仪表的最主要的功能和应用。
具体而言，成分分析仪表是专门用来测定物质化学成分的一类仪器。
所谓物质的化学成分，是指一种化合物或混合物是由哪些种类的分子、原子或原子团组成，以及这些分子、原子或原子团的含量是多少，或者各种物质成分的比率是多少。
更具体的讲，成分分析一般包括两方面的内容：一是确定物质的化学组成，即物质是由哪些分子、原子或原子团组成，这是定性分析的内容；另一个是确定物质中各种成分的相对含量，这是定量分析的内容。
但是无论定性分析还是定量分析，都是利用物质所含的组分在物理或化学性能方面的差异进行的，如光学、声学、力学、电学、磁学等方面的差异，以便比较精确的测量这些组分的含量。
由此可见，成分分析仪表的工作原理具有更宽的选择范围，因而仪表的种类多，而且差别比较大。
成分分析仪表的分类主要按照应用场合的不同来划分，具体可分为实验分析仪表和过程分析仪表两类。
它们的区别是：过程分析仪表具有连续、可靠、精确的向操作人员或自动控制装置及时提供工艺过程质量信息的功能，在结构上具有能够自动地连续采样，对试样进行预处理、自动的进行分析、信号的处理和远距离传输以及抗干扰等装置或部件，其结构比实验室分析仪表复杂，但是精度相对较低。
虽然过程分析仪表只占成分分析仪表的少数，但是它们在生产过程中起到重要而且特殊的作用。
按照测量原理的不同，成分分析仪表可具体分为以下八类：（1）电化学式分析仪表：如电导式、电量式、电位式等；（2）热学式分析仪表：如热导式、热化学式、热谱式等；（3）磁学是分析仪表：如磁性氧量分析仪、核磁共振波谱仪等；（4）光学式分析仪表：如分析式光学分析仪、发热式光学分析仪等；（5）射线式分析仪表：如X射线分析仪、γ射线分析仪、同位素分析仪等；（6）色谱分析仪表：如气相色谱仪等；（7）电子光学和离子光学分析式仪表：如电子探针、质谱仪、离子探针等；（8）物质性测量仪表：如水分计、粘度计、湿度计、密度计、电导率测量仪等。
成分分析仪表
9.3 工业常用自动分析仪表
工业用自动分析仪表种类很多，我们仅介绍其中较 常用的热导式气体分析器、红外线气体分析器、氧化锆 氧分析器、气相色谱分析仪、酸度检测仪表和湿度检测 仪表。
9.3.1 热导式气体分析器
热导式气体分析器是一种使用最早的、应用较广的 物理式气体分析器，它是利用不同气体导热特性不同的原 理进行分析的。
本章将介绍几种常用的自动分析仪表。
9.2 自动分析仪表的基本组成
工业自动分析仪表的基本组成如图9-1所示。
图9- 1 工业自动分析仪表的基本组成
自动取样装置的作用是从生产设备中自动、连续、 快速的提取待分析样品。
预处理系统可以采用诸如冷却、加热、气化、减压、 过滤等方式对所采集的分析样品进行适当的处理，为分析 仪器提供符合技术要求的试样。
1. 工作原理
氧化锆氧分析器基于电化学分 析方法，利用氧化锆固体电解质原 理工作。由氧化锆固体电解质做成 氧化锆探测器（简称探头），直接 安装在烟道中，其输出为电压信号 ，便于信号传输与处理。
氧化锆对氧的检测是通过氧化 图9-2 氧浓差电池原理示意图 锆组成的氧浓差电池。图9-2为氧化 锆探头的工作原理图。
第9章 成分分析仪表
9.1 成分分析方法及分类 9.2 自动分析仪表的基本组成 9.3 工业常用自动分析仪表
9.1 成分分析方法及分类
成分分析仪表是对物质的成分及性质进行分析的仪表。 使用成分分析仪表可以了解生产过程中的原料、中间产品 及最终产品的性质及其含量。
9.1.1 成分分析方法
成分分析方法分为两种类型，一种是定期取样，通 过实验室测定的实验室人工分析方法；另一种是利用可 以连续测定被测物质的含量或性质的自动分析仪表进行 自动分析的方法。
第9章-成分分析仪表
第一节 氧化锆氧量计 二、氧化锆氧量计的工作原理
4 浓差电势的输出公式
正极：
O2＋4e →2O2 —
负极：
2O2 —→O2＋4e
能斯特公式：
p2 E RTln
p RTln2
nF
p1 p
nF 1
2 ——参比气样氧容积浓度； 1 ——待测气样氧容积浓度。
第一节 氧化锆氧量计 三、保证正确测量的条件
析仪等； ➢ （6）色谱分析仪器：如气相色谱仪等； ➢ （7）电子光学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、电
导率测量仪等。
第九章 成分分析仪表
国别
美 国
项目
SO2 CO NOx O3 总烃 可吸入颗粒物
测定方法
自动监测仪器
5 为全面分析炉烟中各种成分，发展快速响应的自 动气相色谱仪受到重视。
6 取样点对分析正确性影响很大。
7 保证分析仪的快速响应性。
第一节 氧化锆氧量计 一、概述
氧化锆氧量计是最近二十年发展起来的一种新型烟 气氧含量分析测量仪表。 1）组成：传感器（锆头）和变送显示器 2）分类：按安装方式分为抽出式和直插式 3)应用：广泛应用在火力发电、采暖、炼油、化工、 轻纺、水泥等工业领域内。
➢ 热导式气体分析仪是使用最早的一种物理式气体分析 仪，它是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的、、、等组分的百分含 量。
➢ 原理： ➢ 各种气体都具有一定的导热能力，但是导热程度有
所不同，即各有不同的导热系数。经实验测定，气体 中氢和氦的导热能力最强，而二氧化碳和二氧化硫的 导热能力最弱。
❖被测气体的浓度不要太高。
分析仪表介绍
第二节
一、基本知识
热导式气体分析器
在热传导过程中，不同物体的热传导率不同。对于彼此间无 相互作用的多组分混合气体，它的导热系数可近似地认为是 各组分导热系数的算术平均值，即 式中
• 显示仪表的电路较为复杂，从信号处理过程上来 看，确实可以将它作为一块独立仪表。因为它含 有接收（或检测）浓差电势的输入电路、将电势 信号处理成满足显示要求的转换放大电路以及输 出显示三大部组成。同其它显示仪表一样，仪表 中也含有用于对量程和测量零点的进行调整的量 程选择电路；转换放大部分在满足显示要求下， 可以对外输出标准信号，具有信号远传功能。近 年来在氧化锆分析仪的二次仪表中引入了CPU微 处理器，使氧化锆分析仪向着智能化发展，成为 测量氧含量的最为方便的检测工具。
分数为10-6～10-9数量级的氯、硫、磷化合物 ④分析速度快
一般分析可在几分到几十分内可以完成，某些快速分析1s内 可以分析数个组分。
二、基本知识 •气相色谱法（GC）是英国生物化学家 Martin A T P等人在研究液液分配色谱的基础上，于 1952年创立的一种极有效的分离方法，它可分 析和分离复杂的多组分混合物。目前由于使用 了高效能的色谱柱，高灵敏度的检测器及微处 理机，使得气相色谱法成为一种分析速度快、 灵敏度高、应用范围广的分析方法。
第四节 原子吸收分光光度计
一、原子吸收光谱法 原子吸收光谱法 又 称 原 子 吸 收 分 光 光 度 法，是基本正 蒸气中被测元素基态原子对其原子共振辐射的吸收强度来测定 样品中被测元素含量的一种方法。 原子吸收光谱分析法的优点如下。① 检出限低，灵敏度高。
《自动化仪表》课程教学大纲
《自动化仪表》课程教学大纲课程代码：030142003课程英文名称：Automatic Instruments课程总学时：24 讲课：24 实验：0 上机：0适用专业：自动化专业大纲编写（修订）时间：2010.7一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程讲授生产过程自动化控制系统中使用的各种检测、控制仪表的工作原理，及组成控制系统的使用方法。
通过本课程的学习，使学生掌握自动化仪表的基本知识、基本理论和分析使用方法，初步具有调节系统、复杂调节系统的结构选型以及自动调节系统的设计、分析能力。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求基本知识。
要求学生充分认识自动化仪表在过程自动化控制过程中的作用；掌握各种检测仪表、变送仪表、显示仪表和控制器的作用和工作原理；了解和掌握现场总线控制系统中现场仪表的主要特点和基本结构。
基本能力。
通过学习使学生具备利用自动化仪表进行工业过程自动控制的基本能力。
基本技能。
学生会进行常用检测、变送仪表的测量和使用，会在系统中合理的使用仪表。
（三）实施说明教师在课堂上应对基本原理概念等进行必要的讲授，并对其中的重点和难点作较详细的论述。
讲课中应当理论联系实际，可通过实例进行讲解，也可采用电子教案或CAI 课件授课，以加深学生对有关概念、理论和方法的理解。
采用引探教学方法，教师讲授紧密结合课堂讨论，注重培养学生独立分析问题、解决问题的能力。
以提问的形式直接引入教学内容，通过教、学、做相结合的教学模式，从应知、应会两个方面进行教学；并通过问答讨论和课前予习来提高学生学习的积极性、主动性，通过课后练习来加深理解课堂内容，更好地掌握理论知识。
（四）对先修课的要求自动检测技术和自动控制原理等课程是本课程的基础。
（五）对习题课、实践环节的要求应结合教学大纲内容，合理布置适量习题。
习题的重点是：检测仪表、调节器、执行器和防爆栅的工作原理和使用特点；现场总线仪表的基本组成和功能。
在实验条件允许的情况下，进行适量课外实验。
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•上式表明，气体浓度较小时， 当直接或间接测得△E时， 便可知气体浓度C，这就是 红外光吸收的能量△E将与气体 红外气体分析仪的理论基础 浓度有对应的线性关系（图2）。 之一。
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第九章 成分参数检测
这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。 信号与组分浓度相关。。
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RD型热导式气体分析器
第九章 成分参数检测
RD型热导式气体分析仪品种和规格比较多，结构简单， 使用维护方便，被广泛地用来分析混合气体中的H2、Ar， SO2 ，NH3等气体，实现对工艺过程的监控。 RD-004型氢气分析仪表在化肥厂通常用来分析合成氨 生产过程中氢气的含量。
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第九章 成分参数检测
红外线气体分析仪主要由光源、切光片、滤波室、测量室、 参比室、检测室、微机系统 等组成 1-光源； 2-切光片； 3-同步电机； 4-测量气室； 5-参比气室； 6-滤光气室； 7-检测气室； 8-前置放大器； 9-主放大器； 10-记录器 红外线气体分析仪结构原理图
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第九章 成分参数检测
2.切光片
切光片是一块90度角的双扇形黑色薄板，它以每秒3.24周 的速度转动，在每一周期中，它对光源的两束光同时地打开两 次，切断（遮住）两次。
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第九章 成分参数检测
1.红外线辐射源 光源要求：
①辐射的光谱成分要稳定； ②辐射的能量大部分集中在待测气体特征吸收波段； ③辐射光最好能平行于气室中心入射； ④光源寿命长，热稳定性好，抗氧化性好，金属蒸发 物要少； ⑤光源灯丝在加热过程中不能释放有害气体。 典型的红外线辐射源是由镍铬合金或钨丝绕制成的螺 旋丝，用低电压源加热，温度升至600～800℃之间发 出暗红色光，发射出0.7～7μm的连续波长的红外光。
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第九章 成分参数检测
3.气室
气室包括测量气室、参比气室和滤波气室，它们的构造基本 相同，都是圆筒形，两端用晶片(或称窗口)密封，除了测量 气室带有气体进出口以外，其他气室都是密封的。气室要求 内壁光洁，不吸收红外线，不吸附气体，化学性能要相当稳 定。因此，选用的材料一般为黄铜镀金、玻璃镀金或铝合金 管，且内部表面要抛光。
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第九章 成分参数检测
检测原理
平衡电桥，右图。 不同的气体有不同的热导系数。 钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值： R参=R测 ; R1=R2 则： R参· 2=R测· 1 R R 无电压信号输出；记录仪走直线（基线）。 进样后，载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍 是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参 考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参≠R测 则： R参· 2≠R测· 1 R R
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第九章 成分参数检测
4.红外线辐射能量的检测器 • 红外线辐射能量的检测器种类较多，概 括起来有两类∶ • 薄膜微音器
参比 测量
窗口
• 又称光声式探测器或检测电容器，工作原理 是热辐射使动片两侧检测室的气压变化，造成 动片与固定电极间距离改变，引起电容量变化， 待测 从而达到检测辐射的强度。 气体
2 C1 1 2
1C1 2 C2 C3 Cn 1C1 2 1 C1 2 1 2 C1
即有：
1 , 2 为已知， 为测定的总的热导率。
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第九章 成分参数检测
取样及预处理系统
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第九章 成分参数检测
2. 红外式气体分析仪—光学式气体分析仪器
红外线是什么？一种电磁波，波长介于可见光和无线电波之间。 红 外 线 分 类 ： 用1~25 um的一段光谱。 红外线为什么能够进行成分分析？ 红外线能够对所有气体都进行成分分析吗？ N2 , O2 , Cl2 , H2及各种惰性气体如He, Ne, Ar等，不吸收1 ~25 um的红外波，所以红外线分析仪不能分析这类气体。
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第九章 成分参数检测
甲烷传感器
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成分分析方法的分类
第九章 成分参数检测
成分分析方法的两种类型：（1）定期取样 （2）自动分析仪表（连续测定 被测物质的含量或性质） 按测量原理，成分分析仪表可以分为： 化学式： 物理式： 工业酸度计 如热导式、热磁式
（1）将混合气体分成CO2和由N2、CO、SO2、H2、O2组成的背景气体两部分。
（2）混合气体中间SO2和H2的热导率与其他三个气体的热导率相差很大，需要进 行 预处理，将SO2和H2除去。
（3）经过预处理后的背景气体由N2、CO、O2组成，平均热导率为
λ2=（0.998+0.964+1.015）/3=0.992 （4）测定由CO2、N2、CO、O2构成的混合气体的总的热导率λ，再由公式
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•光束通过气体层后被吸收的能 量△E则为 •△E＝E0-E＝E0(1-e-KCl)……(2) •当KCl的数值很小时
第九章 成分参数检测
•∵E-KCl≈1-KCl
•∴△E ＝ E0-E＝E0 (1-e-KCl) • ≈E0 [1-(1-KCl)] • ＝ E0KCl………………(3)
7.130 1.318 1.013
0.0235 0.0219 0.0150 0.0161
0.964 0.897 0.614 0.658
氨气
二氧化碳
1
氮气
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0.0244
0.998
二氧化硫
0.0084
0.344
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第九章 成分参数检测
物理化学式： 氧化锆氧量计、色谱仪
光学式：
红外、紫外等吸收光式光学分析仪
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第九章 成分参数检测
工业用成分分析仪表
1、热导式气体分析仪--最早的物理式气体分析仪器
气体分析仪，是测量混合气体中某一种气体浓度的仪表。
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第九章 成分参数检测
家庭用煤气报警器
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第九章 成分参数检测
家庭用液化气报警器
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例：已知烟道气体的组分有CO2、N2、CO、SO2、H2、O2。其各自的相对热导率 检测仪表与控制装置 第九章 成分参数检测 依次为：0.614、0.998、0.964、0.344、7.130，1.015。试分析该混合气体中CO2的 体积百分含量，给出分析步骤和体积百分含量的表达式。
解：大致步骤如下：
0.0244 二氧化碳 而增大。所以需要保持恒定的温度。 空气 1 0.0161
0.0084
0.658
0.344
0.0244 氮气 t 0 (1 t )
0.998
二氧化硫
为在某一温度范围内气 体的导热系数的温度系 数
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第九章 成分参数检测
Attention：
0℃时导热 0℃时对空 0℃时导热系数 0℃时对空 气体 气体 气导热系数 系数 气导热系数 1）混合气体中除待测组分外，其余各组分的λ应相同或相近，
0.1741 氢气 否则要进行预处理； 7.130
一氧化碳
0.0235
0.964
2）待测组分的λ与其余各组分的λ要有明显差别，差别越大， 0.0322 1.318 0.0219 0.897 一氧化氮 甲烷 灵敏度越高； 0.0247 1.013 0.0150 0.614 氧气 氨气 3）同一种气体在不同温度下，其λ是变化的，随温度的升高
混合气体热导率： 1C1 2 C2 n Cn 其中 1 , 2 , n — 混合气体中各组分的热导率，
C1 , C2 , Cn — 混合气体中各组分的体积百分含量。
若被测组分的热导率为 1 ，其余组分为背景组分，热导率 近似为
2 （差别大时需要在预处理时去掉），则
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检测仪表与控制装置 某些气体在0℃时导热系数（0 ） 0 和相对导热系数（ ）