《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案

《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案,過程控制系統(tǒng)與儀表,過程,控制系統(tǒng),儀表,課件,教案 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：容器中液體的儲存高度液位：容器中液體的儲存高度料位：容器中粉料的堆積高度料位：容器中粉料的堆積高度界位：界位：容器中容器中不同密度液體的分界面不同密度液體的分界面高度高度2.5 物位檢測及儀表物位檢測及儀表物位測量在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位。例如物位測量在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位。例如蒸汽鍋爐運行時，如果汽包水位過低或過高，都會蒸汽鍋爐運行時，如果汽包水位過低或過高，都會危及鍋爐安全，造成嚴重事故。危及鍋爐安全，造成嚴重事故。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 第第2章章 物位測量儀表可分為下列物位測量儀表可分為下列6種類型種類型:1.靜壓式液位測量靜壓式液位測量 利用液體對某定點的壓力，隨液位高度而變利用液體對某定點的壓力，隨液位高度而變化的原理進行測量。一般只測液位?；脑磉M行測量。一般只測液位。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2浮力式液位測量浮力式液位測量 利用浮子所受的浮力隨液利用浮子所受的浮力隨液位高度而變化的原理工作。位高度而變化的原理工作。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3.電氣式物位測量電氣式物位測量利用電容、電阻或電感作敏感元件，將物位轉(zhuǎn)換利用電容、電阻或電感作敏感元件，將物位轉(zhuǎn)換為電量。為電量。4.核輻射式物位測量核輻射式物位測量 電容式物位變送器電容式物位變送器利用核輻射線穿透物料時，利用核輻射線穿透物料時，其透射強度隨物質(zhì)層的厚度而變其透射強度隨物質(zhì)層的厚度而變化的原理測量物位。化的原理測量物位。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章超聲波物位變送器超聲波物位變送器5.聲學式物位測量聲學式物位測量根據(jù)超聲波在物質(zhì)中的傳播時間測出物位。根據(jù)超聲波在物質(zhì)中的傳播時間測出物位。6.光學式物位測量光學式物位測量利用光波在傳播中遇不同物質(zhì)的界面時會發(fā)生遮利用光波在傳播中遇不同物質(zhì)的界面時會發(fā)生遮斷和反射的現(xiàn)象測量物位。斷和反射的現(xiàn)象測量物位。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 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。p2p12.5.2差壓式液位變送器差壓式液位變送器利用測量容器底部和頂部的壓差測液位。利用測量容器底部和頂部的壓差測液位。2.5.2.1 測量原理測量原理設容器上部空間為干燥氣體，其壓力為設容器上部空間為干燥氣體，其壓力為p2，下，下部取壓點壓力為部取壓點壓力為p1，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章章若若被被測測容容器器是是敞敞口口的的，氣氣相相壓壓力力為為大大氣氣壓壓，則則可可將將差差壓壓變變送送器器的的低低壓壓室室通通大大氣氣、或或用用壓壓力力變變送送器器、或或用用壓壓力力表表即即可可測測量量。因因為為壓壓力力變變送送器器和和壓壓力力表表都都是測量與大氣壓之差。是測量與大氣壓之差。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2.5.2.2零點遷移零點遷移理理想想測測量量條條件件下下，液液位位H=0時時，變變送送器器的的輸輸入入壓差信號壓差信號P=0，變送器的輸出為零點信號，變送器的輸出為零點信號4mA。即零點對齊：即零點對齊：H0，p=H g=0，I0=4mA實實際際應應用用時時，由由于于差差壓壓變變送送器器的的安安裝裝限限制制，測測量零點很難對齊，需要對變送器的零點進行遷移。量零點很難對齊，需要對變送器的零點進行遷移。I/mAp420Hp0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)2g1、負遷移、負遷移例如，變送器和容器之間用隔離罐隔離時：例如，變送器和容器之間用隔離罐隔離時：當當 H=0 時：時：p=-(h2-h1)2gp2 p1此時，變送器輸出應低于此時，變送器輸出應低于4mA以下，但受于量程限制無以下，但受于量程限制無法輸出。因此，需要將負零點法輸出。因此，需要將負零點遷移掉。遷移掉。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負負零點遷移的方法是：外加零點遷移的方法是：外加(h2-h1)2g 信號，信號，抵消抵消(h2-h1)2g。使。使H=0 時，時，p=0I/mAp420I/mAp420Hp0遷移前遷移前遷移后遷移后Hp0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、正遷移、正遷移例如，變送器安裝在容器底部以下時：例如，變送器安裝在容器底部以下時：P=Hg hg 當當 H=0 時：時：P=hg此時需要正零點遷移。此時需要正零點遷移。Ip420Hp0過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章遷移同時改變了測量范圍的上下限，相當于測遷移同時改變了測量范圍的上下限，相當于測量范圍的平移。量范圍的平移。遷移的目的：遷移的目的：使變送器輸出的起點與被測量起點對齊。使變送器輸出的起點與被測量起點對齊。I/mAp420Hp0Hp00pI/mA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 例如，某差壓變送器的測量范圍為例如，某差壓變送器的測量范圍為050MPa，對應輸出從對應輸出從4mA變化到變化到20mA，這是無遷移的情況，這是無遷移的情況，如曲線如曲線a所示。若因安裝的原因造成：所示。若因安裝的原因造成：H=0時，時，P=10 MPa，則需負遷移。則需負遷移。H=0時，時，P=10 MPa，則需正遷移。則需正遷移。無遷移無遷移負遷移負遷移正遷移正遷移-1050cab2040I0/mAP/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量液位用法蘭式差壓變送器測量液位在在測測量量有有腐腐蝕蝕性性、粘粘度度大大、易易凝凝固固、含含顆顆粒粒等等液液體體液液位位時時，引引壓壓管管線線可可能能被被腐腐蝕蝕、被被堵堵塞塞。應應使使用用加加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器。隔離膜盒的法蘭式差壓變送器。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間介質(zhì)變化時，電容量也相利用電容器的極板間介質(zhì)變化時，電容量也相應變化的原理測物位?？蓽y量液位、料位和兩種不應變化的原理測物位。可測量液位、料位和兩種不同液體的分界面。同液體的分界面。測量原理測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LDd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：時：H 0 時：時：LDd0H電容量的變化與液位成正比。電容量的變化與液位成正比。0空氣的介電系數(shù)空氣的介電系數(shù)被測物料的介電系數(shù)被測物料的介電系數(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02.5.3.1液位的檢測液位的檢測對非導電介質(zhì)液位的測量，用雙電極式。對非導電介質(zhì)液位的測量，用雙電極式。對導電介質(zhì)液位的測量，用單電極式，電極用絕對導電介質(zhì)液位的測量，用單電極式，電極用絕緣套絕緣，金屬容器的外壁即是電容的外電極。緣套絕緣，金屬容器的外壁即是電容的外電極。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.5.3.2料位的檢測料位的檢測料位的測量都用單電極式電容。料位的測量都用單電極式電容。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章檢測電容變化可用交流電橋，也可用充放電法。檢測電容變化可用交流電橋，也可用充放電法。充放電測量電路如圖所示，用方波發(fā)生器給液充放電測量電路如圖所示，用方波發(fā)生器給液位測量電容位測量電容Cx加幅度和頻率恒定的方波信號，兩個加幅度和頻率恒定的方波信號，兩個二極管將充電和放電電流檢波分路。若方波的周期二極管將充電和放電電流檢波分路。若方波的周期T遠大于充放電回路的時間常數(shù)，則每個周期都能對遠大于充放電回路的時間常數(shù)，則每個周期都能對Cx完成充電，充電電荷量與完成充電，充電電荷量與Cx有關。有關。充、放電電流充、放電電流過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 可可見見，充充電電平平均均電電流流與與液液位位測測量量電電容容成成正正比比，微安表的讀數(shù)可反映液面的高低。微安表的讀數(shù)可反映液面的高低。每個周期每個周期T內(nèi)內(nèi)充電電荷量為：充電電荷量為：Q=CxE則則流過微安表的平均充電電流為：流過微安表的平均充電電流為：E矩形波電壓幅度矩形波電壓幅度f 矩形波頻率矩形波頻率充、放電電流充、放電電流過程控制系統(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 超聲波液位計超聲波液位計利利用用超超聲聲波波在在液液體體中中傳傳播播有有較較好好的的方方向向性性、能能量量損損失失較較少少、且且遇遇到到分分界界面面時時能能反反射射的的特特性性，用用回回聲聲測測距距的的原原理理，測測定定超超聲聲波波發(fā)發(fā)射射后后遇遇液液面面反反射射回回來來的時間，以確定液面的高度。的時間，以確定液面的高度。若若速速度度v為為已已知知常常數(shù)數(shù)，測測出出時時間間t，便可算出液面高度便可算出液面高度H。v超聲波在液體中超聲波在液體中的傳播速度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 測料位時，超聲波物測料位時，超聲波物位計安裝在容器頂部。位計安裝在容器頂部。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 成分檢測及儀表成分檢測及儀表所謂成分，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)常需要在線檢測物料的成分。例如在生產(chǎn)中經(jīng)常需要在線檢測物料的成分。例如在鍋爐的燃燒控制中，必須隨時根據(jù)燃燒煙氣的含在鍋爐的燃燒控制中，必須隨時根據(jù)燃燒煙氣的含氧量變化，調(diào)節(jié)助燃空氣的供給量，以獲得最高的氧量變化，調(diào)節(jié)助燃空氣的供給量，以獲得最高的熱效率。熱效率。成分檢測項目繁雜，測量原理差異很大。此處成分檢測項目繁雜，測量原理差異很大。此處只介紹幾種在過程控制中常用的成分檢測儀表。只介紹幾種在過程控制中常用的成分檢測儀表。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2.6.1氧化鋯氧量計氧化鋯氧量計氧化鋯氧量計廣泛用于鍋爐和窯爐的煙氣含氧量氧化鋯氧量計廣泛用于鍋爐和窯爐的煙氣含氧量測量及內(nèi)燃機尾氣的測量及內(nèi)燃機尾氣的含氧量含氧量測量，以控制燃燒效率。測量，以控制燃燒效率。為減少排放污染，我國從為減少排放污染，我國從2000年起要求汽車發(fā)動年起要求汽車發(fā)動機的電控燃油噴射裝置中必須安裝氧機的電控燃油噴射裝置中必須安裝氧量量量量傳感器。傳感器。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 2.6.1.1工作原理工作原理氧化鋯（氧化鋯（ZrO2）粉末中摻入一定比例的氧化鈣）粉末中摻入一定比例的氧化鈣（CaO）或氧化釔（）或氧化釔（Y2O3）粉末，壓制成一端封閉）粉末，壓制成一端封閉的管狀體。在氧化鋯管中，四價的鋯被二價的鈣或的管狀體。在氧化鋯管中，四價的鋯被二價的鈣或三價的釔置換，形成大量氧離子空穴。三價的釔置換，形成大量氧離子空穴。CaO ZrO2O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-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“氧濃差電池氧濃差電池”的形成過程的形成過程在氧化鋯管內(nèi)外兩側(cè)各燒結一層多孔的鉑電極，在氧化鋯管內(nèi)外兩側(cè)各燒結一層多孔的鉑電極，就構成氧濃差電池的發(fā)生體。當溫度達就構成氧濃差電池的發(fā)生體。當溫度達600以上時，以上時，空穴型氧化鋯就成為良好的氧離子導體?？昭ㄐ脱趸喚统蔀榱己玫难蹼x子導體。氧化鋯探頭置于煙氣中時，探氧化鋯探頭置于煙氣中時，探頭外側(cè)為被測煙氣，其氧分壓為頭外側(cè)為被測煙氣，其氧分壓為P1，氧濃度為，氧濃度為1（煙氣氧濃度約為（煙氣氧濃度約為46）；內(nèi)側(cè)為參比空氣，其氧；內(nèi)側(cè)為參比空氣，其氧分壓為分壓為P2，氧濃度為，氧濃度為2（空氣氧濃（空氣氧濃度約為度約為20.8）。2，P21，P1過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章如果氧化鋯內(nèi)外存在氧濃差，氧分子就會從鉑如果氧化鋯內(nèi)外存在氧濃差，氧分子就會從鉑電極取得電子成為氧離子穿過氧化鋯空穴，向濃度電極取得電子成為氧離子穿過氧化鋯空穴，向濃度低的一側(cè)擴散。高氧側(cè)鉑電極因失去電子帶正電。低的一側(cè)擴散。高氧側(cè)鉑電極因失去電子帶正電。2，P21，P1 O2+4e2O2-還原反應還原反應 氧離子通過氧化鋯到達低氧氧離子通過氧化鋯到達低氧側(cè)時，將電子還給鉑電極變成氧側(cè)時，將電子還給鉑電極變成氧分子進入煙氣，低氧側(cè)鉑電極因分子進入煙氣，低氧側(cè)鉑電極因得到電子而帶負電。得到電子而帶負電。2O2-O2+4e 氧化反應氧化反應 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 一個氧分子攜帶電子數(shù)（一個氧分子攜帶電子數(shù)（n4）；）；T 氣體絕對溫度；氣體絕對溫度；P1、P2 被測氣體與參比氣體的氧分壓。被測氣體與參比氣體的氧分壓。根據(jù)根據(jù)Nernst方程，氧濃差電勢方程，氧濃差電勢E可以表示為：可以表示為：2，P21，P1 在混合氣體中，某氣體組的分在混合氣體中，某氣體組的分壓力和總壓力之比與容積成分（即壓力和總壓力之比與容積成分（即濃度）成正比，有：濃度）成正比，有：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章代入代入Nernst方程：方程：可見，可見，氧濃差電勢氧濃差電勢E與與煙氣煙氣含氧量含氧量1 呈非線性關系。呈非線性關系。2，P21，P1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 關系穩(wěn)定的必要條件是：關系穩(wěn)定的必要條件是：1、溫度、溫度T 恒定恒定在在600以上。以上。如果溫度不夠，可在氧化鋯探頭內(nèi)裝加熱器。如果溫度不夠，可在氧化鋯探頭內(nèi)裝加熱器。2、空氣的氧含量恒定。、空氣的氧含量恒定。如果通風不好，可在探頭空氣口安裝空氣泵，如果通風不好，可在探頭空氣口安裝空氣泵，以保證探頭內(nèi)空氣新鮮，含量等于以保證探頭內(nèi)空氣新鮮，含量等于20.8。3、參比氣體與被測氣體壓力相等。、參比氣體與被測氣體壓力相等。公式中才能用濃度來代替氧分壓。公式中才能用濃度來代替氧分壓。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 傳感器結構傳感器結構1、抽吸定溫式、抽吸定溫式氧化鋯探頭帶有加熱裝置和測氧化鋯探頭帶有加熱裝置和測溫元件。將被測氣體加熱到定值溫溫元件。將被測氣體加熱到定值溫度，以便準確測量。度，以便準確測量。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2、直插補償式、直插補償式如果被測氣體溫度達如果被測氣體溫度達 600以上，則探頭內(nèi)不設以上，則探頭內(nèi)不設加熱裝置，探頭直接安裝在煙道內(nèi)。但要裝測溫傳加熱裝置，探頭直接安裝在煙道內(nèi)。但要裝測溫傳感器，測煙氣實際溫度，加入氧濃度計算。感器，測煙氣實際溫度，加入氧濃度計算。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章隨著技術發(fā)展，濃差電池型氧量傳感器探頭隨著技術發(fā)展，濃差電池型氧量傳感器探頭結構不斷改進，尺寸不斷減小。除了常見的圓柱結構不斷改進，尺寸不斷減小。除了常見的圓柱式探頭結構外，還出現(xiàn)了板式結構、厚膜結構、式探頭結構外，還出現(xiàn)了板式結構、厚膜結構、微型結構等。微型結構等。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迅速發(fā)展的一種分離分析色譜分析法是近年來迅速發(fā)展的一種分離分析技術，廣泛應用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、食品技術，廣泛應用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、食品等行業(yè)。等行業(yè)。用色譜分析法用色譜分析法測定混合氣體的組分，測定混合氣體的組分，其特點是其特點是分離能力強，分析靈敏度高、速度快和樣品用量少。分離能力強，分析靈敏度高、速度快和樣品用量少。例如分析石油產(chǎn)品時，一次可分析出一百多種例如分析石油產(chǎn)品時，一次可分析出一百多種組分；在分析超純氣體時，可鑒定出組分；在分析超純氣體時，可鑒定出1ppm（百萬百萬分之一濃度），甚至分之一濃度），甚至01ppb（十億分之一濃度）十億分之一濃度）的組分。的組分。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章把溶有植物色素的把溶有植物色素的石油醚石油醚倒入裝倒入裝有有碳酸鈣碳酸鈣吸附劑的豎直玻璃管中吸附劑的豎直玻璃管中再倒入純石油醚幫助它自由流下再倒入純石油醚幫助它自由流下 植物色素被植物色素被分離成分離成各構成基色的譜帶各構成基色的譜帶碳酸鈣對不同的植物碳酸鈣對不同的植物色素吸附能力不同色素吸附能力不同移動相移動相固定相固定相植物色素植物色素+石油醚石油醚石油醚石油醚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章章這這種種分分離離分分析析方方法法被被稱稱為為色色層層分分析析法法或或色色譜譜分分析析法法。凡凡移移動動相相是是液液態(tài)態(tài)的的稱稱為為液液相相色色譜譜，移移動動相相是是氣氣態(tài)態(tài)的的稱稱為為氣氣相相色譜。色譜。隨隨著著檢檢測測技技術術的的發(fā)發(fā)展展，色色譜譜分分析析法法不不再再限限于于有有色色物物質(zhì)質(zhì)的的色色層層分分析析，已已擴擴展展到到無無色色物物質(zhì)質(zhì)的的分分析析。“色色譜譜分分析析”已已不不限限于于字字面面的的含含義義，但但仍仍沿沿用用 “色色譜譜分分析析儀儀”這個歷史名稱。這個歷史名稱。植物色素植物色素+石油醚石油醚石油醚石油醚碳碳酸酸鈣鈣吸吸附附劑劑過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章實用的氣相色譜儀由色譜柱、檢測器及載氣、實用的氣相色譜儀由色譜柱、檢測器及載氣、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章章色譜柱色譜柱一一般般的的色色譜譜柱柱，是是在在直直徑徑約約36mm、長長約約14m的的玻玻璃璃或或金金屬屬細細管管中中填填裝裝固固體體吸吸附附劑劑顆顆粒粒構構成成，稱稱為為固固定定相相。常常用用的的固固體體吸吸附附劑劑有有氧氧化化鋁鋁、硅硅膠膠、活性炭、分子篩等?；钚蕴?、分子篩等。載氣和樣氣稱為移動相。載氣和樣氣稱為移動相。常用用氫氣、氮氣或空常用用氫氣、氮氣或空氣等氣體作氣等氣體作“載氣載氣”，運載，運載被分析樣氣通過固定相。被分析樣氣通過固定相。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樣氣中有設樣氣中有A、B、C三種不同的組分。脈沖式三種不同的組分。脈沖式樣氣輸入后，在載氣的推動下通過色譜柱。樣氣輸入后，在載氣的推動下通過色譜柱。樣樣氣氣穿穿過過吸吸附附劑劑時時，吸吸附附力力小小的的組組分分前前進進速速度度快快，C、B、A各各組組分分漸漸漸漸被被分分離離，依依次次從從色色譜譜柱流出。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 樣氣中的三種組分經(jīng)色譜柱分離后依次進入檢樣氣中的三種組分經(jīng)色譜柱分離后依次進入檢測器。檢測器的紀錄曲線稱為色譜圖，圖上三個峰測器。檢測器的紀錄曲線稱為色譜圖，圖上三個峰的面積（或高度）分別代表相應組分的濃度。的面積（或高度）分別代表相應組分的濃度。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2.6.2.2 2.6.2.2 檢測器檢測器檢檢測測器器是是氣氣體體分分析析儀儀對對分分離離的的組組分分進進行行定定量量測測定定的的傳傳感感器器。從從理理論論上上說說，各各組組分分與與載載氣氣的的任任何何物物理理或或化化學學性性質(zhì)質(zhì)的的差差別別都都可可作作為為檢檢測測的的依依據(jù)據(jù)。目目前前使使用最多的是熱導式檢測器和氫火焰電離檢測器。用最多的是熱導式檢測器和氫火焰電離檢測器。熱導式檢測器熱導式檢測器氫火焰電離檢測器氫火焰電離檢測器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 q例：熱導式檢測器的工作原理例：熱導式檢測器的工作原理根根據(jù)據(jù)不不同同種種類類的的氣氣體體具具有有不不同同的的熱熱傳傳導導能能力力的的特性來檢測氣體的組分和含量。特性來檢測氣體的組分和含量。下下表表列列出出在在0時時，以以空空氣氣導導熱熱系系數(shù)數(shù)為為基基準準的的一一些些氣氣體體的的相相對對導導熱熱系系數(shù)數(shù)值值。例例如如，氫氫和和氦氦的的導導熱熱能力相同，但和二氧化硫的導熱能力差異很大。能力相同，但和二氧化硫的導熱能力差異很大。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 熱導式檢測器由熱導池和檢測電橋構成。熱導式檢測器由熱導池和檢測電橋構成。熱導池是用銅塊或不銹鋼做成的均勻?qū)狍w。熱導池是用銅塊或不銹鋼做成的均勻?qū)狍w。內(nèi)設測量室和參比室，四根鉑絲電阻被置于其中，內(nèi)設測量室和參比室，四根鉑絲電阻被置于其中，R1、R3裝在測量室，裝在測量室，R2、R4裝在參比室。裝在參比室。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章章熱電阻通電后產(chǎn)生的熱量只能通過周圍氣體傳至熱電阻通電后產(chǎn)生的熱量只能通過周圍氣體傳至熱導池四壁，再通過銅璧向外傳導。銅塊導熱能力很熱導池四壁，再通過銅璧向外傳導。銅塊導熱能力很均勻，測量室和參比室的溫度差異只能是由被測氣體均勻，測量室和參比室的溫度差異只能是由被測氣體和參比氣體的導熱能力不同造成。和參比氣體的導熱能力不同造成。純載氣純載氣樣氣樣氣色譜柱來的含有色譜柱來的含有樣氣的載氣樣氣的載氣載氣瓶來的載氣瓶來的純載氣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章章當色譜柱出來的載氣中不含樣氣組分時，兩個測當色譜柱出來的載氣中不含樣氣組分時，兩個測量室內(nèi)的氣體都是載氣，四個熱電阻的散熱條件相同，量室內(nèi)的氣體都是載氣，四個熱電阻的散熱條件相同，溫度相同，則電阻值也相同。溫度相同，則電阻值也相同。當色譜柱出來的載氣中含有樣氣分離組分時，流當色譜柱出來的載氣中含有樣氣分離組分時，流過測量室的氣體的導熱系數(shù)發(fā)生變化，電阻過測量室的氣體的導熱系數(shù)發(fā)生變化，電阻R1、R3的的散熱條件變化，溫度變化，電阻值也變化。散熱條件變化，溫度變化，電阻值也變化。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 將熱電阻將熱電阻R1、R3和和R2、R4構成測量電橋。構成測量電橋。當色譜柱出來的載氣不含樣氣分離組分時，調(diào)當色譜柱出來的載氣不含樣氣分離組分時，調(diào)節(jié)節(jié)R0使電橋平衡：使電橋平衡：V0=0當色譜柱出來的載氣中含有樣氣分離組分時，當色譜柱出來的載氣中含有樣氣分離組分時，電橋失去平衡：電橋失去平衡：V0 0 載氣中分離組分濃載氣中分離組分濃度越大，電橋輸出信號度越大，電橋輸出信號就越大，經(jīng)放大后記錄就越大，經(jīng)放大后記錄的色譜峰值就越高。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 載氣及進樣裝置載氣及進樣裝置從從色色譜譜柱柱的的分分離離原原理理可可知知，被被分分析析的的樣樣氣氣應應該該是是脈脈沖沖式式的的定定量量輸輸入入。六六通通切切換換閥閥有有“取取樣樣”和和“分分析析”兩兩種種位位置置，受受定定時時裝裝置置控控制制。進進樣樣的的間間隔隔周周期應足夠長，以保證各組分從色譜柱流出時不重疊。期應足夠長，以保證各組分從色譜柱流出時不重疊。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章當當切切換換閥閥在在“取取樣樣”位位置置時時，閥閥內(nèi)內(nèi)氣氣路路按按紅紅線線接接通通。此此時時：樣樣氣氣經(jīng)經(jīng)預預處處理理裝裝置置通通過過取取樣樣管管放放空空，取取樣樣管管中中充充滿滿樣樣氣氣，隨隨時時準準備備被被取取出出分分析析；同同時時，減減壓壓穩(wěn)穩(wěn)流流后后的的載載氣氣經(jīng)經(jīng)參參比比室室通通入入色色譜譜柱柱，再再經(jīng)經(jīng)測測量量室室放放空空。由于參比室和測量室都是載氣，檢測電橋輸出為零。由于參比室和測量室都是載氣，檢測電橋輸出為零。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 當當切切換換閥閥轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到到“分分析析”位位置置，閥閥內(nèi)內(nèi)藍藍線線氣氣路路導導通通。此此時時，載載氣氣推推動動留留在在定定量量取取樣樣管管中中的的樣樣氣氣進進入入色色譜譜柱柱。各各組組分分在在載載氣氣的的推推動動下下逐逐漸漸分分離離，先先后后通通過過檢檢測測器器的的測測量量室室。由由于于測測量量室室與與參參比比室室中中氣氣體體導導熱系數(shù)的差別，檢測器輸出色譜圖。熱系數(shù)的差別，檢測器輸出色譜圖。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 GC-17A氣相色譜分析儀，日本產(chǎn)，售價氣相色譜分析儀，日本產(chǎn)，售價24萬元。擁有萬元。擁有先進的自動流量控制系統(tǒng)，自動化程度高，鍵盤操作方便，先進的自動流量控制系統(tǒng)，自動化程度高，鍵盤操作方便，各種信息可在顯示屏上清晰顯示，具有報警功能和參數(shù)鎖定各種信息可在顯示屏上清晰顯示，具有報警功能和參數(shù)鎖定的功能。的功能。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根據(jù)據(jù)不不同同的的物物質(zhì)質(zhì)對對不不同同波波長長的的紅紅外外線線具具有有選選擇擇性性吸吸收收的的特特征征工工作作?？煽蓽y測量量CO、CO2、甲甲烷烷、乙乙炔、乙醇、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷等組分的含量。炔、乙醇、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷等組分的含量。紅紅外外線線氣氣體體分分析析儀儀應應用用廣廣泛泛，可可以以分分析析氣氣體體，也可分析溶液，且靈敏度較高，反應迅速。也可分析溶液，且靈敏度較高，反應迅速。2.6.3.1 工作原理工作原理紅紅外外線線是是指指波波長長為為0.84 400m的的不不可可見見電電磁磁波波。紅紅外外線線分分析析儀儀使使用用的的紅紅外外線線波波長長一一般般在在125m之間。之間?？梢姽饪梢姽庾贤饩€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 實實驗驗證證明明，除除氦氦、氖氖、氬氬等等單單原原子子惰惰性性氣氣體體及及氫氫、氧氧、氮氮、氯氯等等具具有有對對稱稱結結構構的的雙雙原原子子氣氣體體外外，大大部部分分多多原原子子氣氣體體如如CO、CO2、CH4（甲甲烷烷）等等，對對125m波波長長范范圍圍的的紅紅外外線線都都有有強強烈烈的的選選擇擇性性吸吸收收的的特特性性。如如圖圖，CO對對波波長長為為4.55m的的紅紅外外線線具具有有強強烈烈的吸收作用。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章章根根據(jù)據(jù)朗朗伯伯-貝貝爾爾定定律律，當當光光通通過過吸吸收收介介質(zhì)質(zhì)時時，其其透射強度隨介質(zhì)的濃度和厚度按指數(shù)規(guī)律衰減。透射強度隨介質(zhì)的濃度和厚度按指數(shù)規(guī)律衰減。式中：式中：I0 射入時的光強；射入時的光強；I 透出時的光強；透出時的光強；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) 紅紅外外線線氣氣體體分分析析儀儀就就是是根根據(jù)據(jù)這這一一定定律律，測測某某一一特特征征波波長長紅紅外外線線的的透透射射強強度度，據(jù)據(jù)此此推推知知該該組組分分在在混混合氣中的濃度。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 儀表結構儀表結構用用強強度度恒恒定定的的紅紅外外線線照照射射厚厚度度確確定定的的混混合合氣氣體體薄層，測量透射出來的某波長紅外線的強度。薄層，測量透射出來的某波長紅外線的強度。用用碳碳化化硅硅白白熾熾燈燈作作為為光光源源發(fā)發(fā)射射紅紅外外線線，經(jīng)經(jīng)反反光鏡反射成兩束平行光。光鏡反射成兩束平行光。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 電機帶動切光片（有對稱孔的鋁片）旋轉(zhuǎn)，電機帶動切光片（有對稱孔的鋁片）旋轉(zhuǎn)，將兩束紅外線調(diào)制成幾赫茲的矩形波。將兩束紅外線調(diào)制成幾赫茲的矩形波。如果混合氣體中有和被測組分的吸收峰相重疊如果混合氣體中有和被測組分的吸收峰相重疊的干擾組分，就在干擾濾光室里面充以高濃度的干擾的干擾組分，就在干擾濾光室里面充以高濃度的干擾氣體，使混合氣體中干擾組分可能吸收的輻射能在這氣體，使混合氣體中干擾組分可能吸收的輻射能在這里全部被吸收掉。里全部被吸收掉。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 測量氣室連續(xù)通過被測混合氣體。參比氣室測量氣室連續(xù)通過被測混合氣體。參比氣室內(nèi)密封著氮或氬等對紅外線完全不吸收的氣體。內(nèi)密封著氮或氬等對紅外線完全不吸收的氣體。接收氣室被中心膜片隔離成上下兩邊，分別接收氣室被中心膜片隔離成上下兩邊，分別接受由測量氣室和參比氣室透出的紅外線。中心膜片接受由測量氣室和參比氣室透出的紅外線。中心膜片和固定極板構成電容。和固定極板構成電容。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 接接收收氣氣室室內(nèi)內(nèi)封封有有高高濃濃度度的的待待測測組組分分氣氣體體，它它能能吸吸收收其其特特征征峰峰波波長長的的紅紅外外線線能能量量，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為為接接收收氣氣室室內(nèi)內(nèi)氣體的溫度變化和壓力變化。氣體的溫度變化和壓力變化。當當測測量量氣氣室室中中通通過過的的氣氣體體無無待待測測組組分分時時，通通過過測測量量氣氣室室和和參參比比氣氣室室的的光光強強相相等等，上上下下接接收收氣氣室室吸吸收收的能量相等。兩邊氣體壓力相等，膜片不變形。的能量相等。兩邊氣體壓力相等，膜片不變形。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章當當測測量量氣氣室室中中有有待待測測組組分分時時，會會吸吸收收其其特特征征峰峰波波長長的的紅紅外外線線能能量量，則則上上接接收收氣氣室室吸吸收收的的能能量量就就減減少少，分分子子動動能能降降低低，壓壓力力降降低低；而而下下接接收收氣氣室室的的氣氣體壓力不變，則中心膜片向上變形。體壓力不變，則中心膜片向上變形。電電容容極極板板間間的的距距離離變變化化使使其其電電容容量量變變化化。測測出出電容量的變化量，便可知樣氣中待測組分的濃度。電容量的變化量，便可知樣氣中待測組分的濃度。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2.6.4 工業(yè)酸度計工業(yè)酸度計工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要測量水溶液的酸堿度。工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要測量水溶液的酸堿度。溶液的酸堿度通常用溶液的酸堿度通常用 pH 值表示，它是溶液中氫值表示，它是溶液中氫離子濃度離子濃度H+的常用對數(shù)的負值，即的常用對數(shù)的負值，即 pH=-lg H+pH=7為中性溶液，中性溶液中的氫離子為中性溶液，中性溶液中的氫離子H+和氫和氫氧根離子氧根離子OH的濃度都是的濃度都是107mol/L。酸性酸性堿性堿性中性中性OH濃度增加濃度增加H+濃度增加濃度增加過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章酸度（酸度（pH值）的測量，就是溶液中值）的測量，就是溶液中H+濃度的測濃度的測量。測量方法采用電化學中的電位測量法。量。測量方法采用電化學中的電位測量法。如圖所示，在被測溶液中設置兩個電極，一個稱如圖所示，在被測溶液中設置兩個電極，一個稱為測量電極、另一個稱為參比電極。為測量電極、另一個稱為參比電極。測量電極的電位隨被測溶測量電極的電位隨被測溶液中的氫離子濃度的改變而變液中的氫離子濃度的改變而變化，但參比電極具有固定的電化，但參比電極具有固定的電位。這兩個電極構成一個原電位。這兩個電極構成一個原電池（化學電源）池（化學電源），其原理是將，其原理是將化學反應能量轉(zhuǎn)化為電能?；瘜W反應能量轉(zhuǎn)化為電能。E E內(nèi)內(nèi)E E外外測量電極測量電極參比電極參比電極圖圖2.73 原電池示意圖原電池示意圖過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.6.4.1 參比電極參比電極 最常用的參比電極是甘汞電極，由內(nèi)管和外管兩最常用的參比電極是甘汞電極，由內(nèi)管和外管兩部分組成。內(nèi)管頂端的鉑絲作電極的引出線，鉑絲下部分組成。內(nèi)管頂端的鉑絲作電極的引出線，鉑絲下端浸在汞（端浸在汞（Hg）中，汞下部為糊狀甘汞，即氯化亞汞）中，汞下部為糊狀甘汞，即氯化亞汞（Hg2Cl2）。）。3甘汞；甘汞；4纖維絲；纖維絲；外管底部的外管底部的 KCl 晶體不斷溶解，晶體不斷溶解，以保證以保證KCl溶液中溶液中Cl濃度穩(wěn)定；多濃度穩(wěn)定；多孔陶瓷芯提供離子遷移通道，與測孔陶瓷芯提供離子遷移通道，與測量電極建立電的聯(lián)系。量電極建立電的聯(lián)系。7KCl晶體晶體8多孔陶瓷芯多孔陶瓷芯1 引出導線；引出導線；2汞；汞；5溶液加入口溶液加入口6KCl飽和溶液飽和溶液86523417過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章由于在汞（由于在汞（Hg）和甘汞（）和甘汞（Hg2Cl2）界面處會發(fā)）界面處會發(fā)生氯離子生氯離子Cl的遷移，在的遷移，在2和和3的界面處形成電位差，的界面處形成電位差，便是甘汞電極的電位。便是甘汞電極的電位。甘汞電極的電位取決于氯離子（甘汞電極的電位取決于氯離子（Cl）的濃度）的濃度（即（即KCl濃度），并和溫度有關。濃度），并和溫度有關。KCl濃度規(guī)定為濃度規(guī)定為0.lmolL、lmolL及飽和溶液三種；及飽和溶液三種；在在25時，分別對應于時，分別對應于+0.3365V、+0.2810V及及+0.2458V三種電極電三種電極電位。位。86523417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86523417甘汞電極的優(yōu)點是結構簡單，電極電位穩(wěn)定。甘汞電極的優(yōu)點是結構簡單，電極電位穩(wěn)定。但是甘汞電極的溫度系數(shù)較大。一般電極內(nèi)裝但是甘汞電極的溫度系數(shù)較大。一般電極內(nèi)裝有測溫電阻，并進行溫度自動補償，以提高電極電有測溫電阻，并進行溫度自動補償，以提高電極電位的準確度。位的準確度。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2.6.4.2測量電極測量電極使用最廣泛的測量電極是玻璃電極。玻璃電極使用最廣泛的測量電極是玻璃電極。玻璃電極是由底部呈球形，能導電、能滲透是由底部呈球形，能導電、能滲透 H+離子的特殊離子的特殊玻璃薄膜制成，其壁厚約玻璃薄膜制成，其壁厚約0.2mm。玻璃膜內(nèi)充有玻璃膜內(nèi)充有pH值恒定值恒定的內(nèi)參比溶液。在內(nèi)參比溶的內(nèi)參比溶液。在內(nèi)參比溶液中插入一支電極電位一定液中插入一支電極電位一定的內(nèi)參比電極。玻璃膜的內(nèi)的內(nèi)參比電極。玻璃膜的內(nèi)外兩側(cè)溶液的外兩側(cè)溶液的H+離子濃度離子濃度是不同的。是不同的。測量電極測量電極參比電極參比電極內(nèi)參比溶液內(nèi)參比溶液被測溶液被測溶液過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章由于內(nèi)參比溶液中由于內(nèi)參比溶液中H+離子的作用，在內(nèi)參比電離子的作用，在內(nèi)參比電極和玻璃膜內(nèi)側(cè)之間產(chǎn)生電勢極和玻璃膜內(nèi)側(cè)之間產(chǎn)生電勢E內(nèi)內(nèi)，其大小恒定。，其大小恒定。由于被測溶液中由于被測溶液中H+離子的作用，玻璃膜外側(cè)與離子的作用，玻璃膜外側(cè)與被測溶液中的參比電極之間產(chǎn)生電勢被測溶液中的參比電極之間產(chǎn)生電勢E外外，其大小隨，其大小隨著被測溶液的著被測溶液的pH值而變化。值而變化。參比電極和測量電極中參比電極和測量電極中的內(nèi)參比電極完全一樣，其的內(nèi)參比電極完全一樣，其電勢互相抵消。則輸出原電電勢互相抵消。則輸出原電勢為：勢為：E=E內(nèi)內(nèi) E外外E E內(nèi)內(nèi)E E外外測量電極測量電極參比電極參比電極圖圖2.73 原電池示意圖原電池示意圖過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章此電勢遵循此電勢遵循Nernst公式：公式：式中：式中：E輸出電勢輸出電勢R氣體常數(shù)氣體常數(shù)T開氏絕對溫度開氏絕對溫度F法拉弟常數(shù)法拉弟常數(shù)pH0內(nèi)參比溶液內(nèi)參比溶液 的酸堿度的酸堿度換為常用對數(shù)，并考慮到換為常用對數(shù)，并考慮到pH值的定義有：值的定義有：溫度溫度T一定時，在一定時，在pH=110的范圍內(nèi)，電動勢的范圍內(nèi)，電動勢E與被測溶液與被測溶液的的pH值之間為線性關系。值之間為線性關系。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章由于電極的內(nèi)阻很高（玻璃電極內(nèi)阻約為由于電極的內(nèi)阻很高（玻璃電極內(nèi)阻約為10150M；甘汞電極內(nèi)阻約為；甘汞電極內(nèi)阻約為510k），原電勢），原電勢E的測量電路應當是一個具有高輸入阻抗的電壓測量的測量電路應當是一個具有高輸入阻抗的電壓測量電路，將電動勢電路，將電動勢E放大、轉(zhuǎn)換后，輸出標準信號。放大、轉(zhuǎn)換后，輸出標準信號。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章小結小結作業(yè)（作業(yè)（P71）：）：2-25題、題、2-29題題差壓式液位計差壓式液位計電容式物位計電容式物位計超聲波物位計超聲波物位計物位檢測物位檢測氧化鋯氧量計氧化鋯氧量計氣相色譜分析儀氣相色譜分析儀紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀成分檢測成分檢測工業(yè)酸度計工業(yè)酸度計過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章本章總結本章總結 溫度溫度檢測儀表檢測儀表液位液位檢測儀表檢測儀表成分成分分析儀表分析儀表檢測儀表檢測儀表壓力壓力檢測儀表檢測儀表流量流量檢測儀表檢測儀表