在线分析仪表习题

第七章 在线分析仪表习题

一、 热导式分析仪表习题

7-5下图为RD型热导式气体分析器电路原理图，请说明下列元件(电阻、电位器)的作用：1、w2; 2、W3； 3、W4； 5、R17、R18； 6、R12、R13；7、R14、R15。 答：1、量程电位器；2、调零电位器；3、桥路总电流调节电位器；4、校对桥路电流用标准电阻；5、分析电桥与控制器之间接线预留电阻；6、调零电路限流电阻；7、量程调节电路限流电阻。

7-6增大热导式分析器热丝电流有何优缺点？

答：增大热丝电流可以提高热导式分析器的灵敏度。但是电流加大后，热丝温度亦高，从而增加了辐射热失，降低了精度。同时电流加大将减少热丝寿命，增大噪声、降低可靠性。所以热 丝电流选多大，是需要缝合考虑的。

7-7热导检测器池壁温度波动对测量精度人何影响？

答：可以近似认为热导池电桥的输出电压为： E=K〔(Tn-Tn′)-(Tω-Tω′)〕 式中Tn—测量室热丝温度； Tn′—参比室热丝温度； Tω—测量室池壁温度； Tω′—参比室池壁温度。

由此可知只有池壁温度稳定，而且Tω= Tω′时，上工变为E=K(Tn-Tn′)。电桥输出信号仅与热 丝温度有关，否则池壁温度的变化将会产生误差。

7-8在热导式分析器中，为什么要稳定样品流速？

答：待测气体流过热导池时要带走热量。流速时带走的热量变化，造成测量误差。流速对测量精度影响的大小与热导池的结构型式有关，在流通式热导池时流速对测量 精度的影响较大，而扩散式为导池里流速对测量精度蝗影响则较小。

7-9热导式气体分析器的输出特性曲线是非线性的，在应用中如何克服？

答：热导式气体分析器的非线性输出若不加任何处理，简单的按线性关系来读数的话，所造成的系统误差是不能忽略的。

目前多采用如下两种方法来克服： 1、 根据分析器非线性刻度曲线将配套二次仪表的刻度标尺制作成与该分析器非线性

刻度曲线一一对应的不等分刻度标尺。例如国产RD-004型热导式氢分析器就是采

用这种办法，产品在出厂前已由制造厂把配套二次仪表的标尺制作成不等分刻度标尺了。 2、 采用线性化器。将分析器的电压 或电流输出值经一专用的线性化器(模拟折线函数

发生器)进行适当处理，实现分析器输出线性化。然后再输出缎带配套的二次仪表

(等分刻度)直接显示、记录。

7-14RD-004型氢分析器测量范围有多大？如何进行调校？

答：它的测量范围是50∽80%的体积H2， 最小分度值为1%，基本误差为±2.5%。 调校过程是先使仪表通入“零气样”(50%H2)调W3使转子流量计指在红线处。

合上控制电源、二次仪表电源，K1置于校对档，恒温控制器指示灯开始闪烁，调W4 二次仪表指红线处。

K2置于工作，50%H2继续通入，调W3使仪表指0，即50%处，K2不动，通入含80%H2的气样，调W2使二仪表指满度，即80%，刻度符合调校完毕。

7-15有一热导式检测器，用万用表量得热 丝桥路对角线二顶点间的电阻与单根热丝相同，

则这一检测器处( )状态；若二对顶点的电阻二倍于单根热丝电阻，则桥臂( )；若相邻二个顶点的电阻有三个与单根热丝相同，一个电阻为单根热丝的三倍，则电桥( )三倍电阻值的两端，设四个桥臂的电阻R1=R2=R3=R4=16Ω，则相邻二顶点的电阻 为( ) Ω。

答：完好；烧断；断在；12。

磁性氧分析器

1、 热磁式O2分析器中“磁风”是如何形成的？简述O2含量的变化如何转换成电压信号值的变化？

答：待测气体流经环室管时，O2受磁场 吸引进入水平管道，R1、R2加热线圈(铂丝)使O2温度升高，磁化率下降，受磁场吸引力下降。而冷的O2不断吸引进入水平管道，排出已被 加热的O2，则形成了热磁对流，即磁风。

由于O2含量不同，形成的磁风大小不同，磁风在经过加热线圈R1与R2时，从R1带走的热量比R2多。R1、R2温度不同，阻值也不同，测量桥路成为平平衡电桥，因而从不平衡电压的大小便可知道O2含量。

2、 试述内环形垂直通道氧检测器的结构原理

答;如下图，在环形垂直通道氧检测是器内，热磁作用产生自上而下的力FM，热对流作用产生自下而上的力FT，当FM与FT相等时，管1无气流流过，此点称为“补偿点”。当氧浓度上升时，热磁作用力大于热对流作用力，管1内形成由上而下连续气流，它对热敏电阻3A、3B产生不同中程度的冷却，使R3A>R3B,测量输出不平衡电势，此电热与气氧含量成正比，将此电热转换后送二次表，即可显示样气氧含量。

3、哑铃式氧分析器和热磁式氧分析器在工作原理上的什么不同？

答：这两种氧分析器都是利用氧的顺磁性这一原理。但是，热磁式氧分析器主要是利用氧的顺磁性受温度梯度的影响形成的“磁风”，导致检测电桥不平衡，这种不平衡信号的大小，决定于磁风的大小，即决定于被 测气体中氧气的浓度。而哑铃式氧分析器主要根据法拉弟原理，即利用作用到不磁场中的非磁性试验体(哑铃)的力，比较测定气体的体积磁化率。

F=(Х1-Х2) VH

式中H—磁场强度； Х1—试验体磁化率 Х2—被测气体磁化率 V—试验物体体积

F—作用到哑铃上的力。

因为H、V、X1一定，所以F正比于Х了氧的浓度。

3、 磁压力式氧分析器有何特点？

答：磁压力式氧分析器(以CY-101为例)有如下上些特点。 ① 测量跨度有四档：0～1%O2，0～3% O2，0～10% O2，，0～30% O2。量程有多种，一般有如下几种。 ② 测量精度高，≤±1%(测量跨度) 2，

通过电磁反馈系统把力矩F检测出来，相当于

③ 零点和终点的稳定性好，零点漂移和跨度漂移≤±1% 每周(测量跨度)。 ④ 向应时间短，≤2.5s。

⑤ 受背景气体影响小，受气样温度(5～45℃)、压力(0.2～50KPa)影响小。 三、氧化锆

1、 在炉窑烟道上安装氧要锆氧分析器的作用是什么？

答：氧伦锆氧分析器是控制炉经济燃烧不可缺少的重要传感器，它有三个作用;①节能；②减少环境污染；③处长炉龄。

锅炉的热效率与四项热损关；①排因损失，即热烟气带走的热量q1；②气体未完全燃烧损失，即烟气中CO和C等物质带走的热量q2；③炭未完全燃烧损失，即炉灰中C带走的热量q3；④散热损失q4。考虑上述热损失后，锅炉热效率

η=1-(q1+q2+q3)

在上式中，q1和q2是烟气带走的热量，总称烟气热损失，当 鼓风量过大时，烟气中过剩空气量偏大，烟气含氧量高，虽能使燃料充分燃烧，但过剩空气带走的热量多，即q1值 变大，导致热效率低，同时过量的氧与燃料中的S及烟气中的N2在高温下生成SO2和Nox一类的有害物质污染环境，当鼓风量偏低时，烟气氧量低，虽然过剩空气少使排损失减少，但因燃料不能充分燃烧，即q2值增大，也导致热效率低，同时烟囱冒黑烟，对环境也将造成较大的污染。可见，要使锅炉热效率高而污染小，必须控制空气过剩系数，这需要利用氧化锆氧分析器将烟气氧量控制在合理的范围内。另一方面，锅炉牌经济燃烧状态，烟气SO2和SO3量低，减少了锅炉尾部腐蚀，从而延长了炉龄。

2、 用氧化锆氧分析器测定烟气中的氧含量，若在75℃条件下，烟气中含量分别为1%,5%和10%时，试用能斯特方程分别求出所产生的池电热值。

解：750℃条件下氧化锆测氧电池的能斯特方程是： P0 E(mv)=50.741g P

分别以P=1%，p=5%和p=10%代上式后分别得： 20.6% E=50.741g =66.7mv 1%

20.6% E=50.741g =31.2mv 5%

20.6% E=50.741g =15.9mv 10%

答：在750℃条件下，1%、5%和10%的烟气应分别66.7mv，31.5mv和15.9mvr电势。 3、 为什么一般的氧化锆氧分析器不能用于可燃性气体含量较大的烟气氧分析？ 答：氧化锆氧分析器需要在650℃以上的高温下才能进行工作。当待测气体中可燃性组分，如碳氢化合物

H2、CO和CH4和氧共存在时，在高温条件下，在铂电极的催化下易发生燃烧反应而耗氧，测得氧量是不准确的。要使测量准确，应作相应修正。

4、 从探头结构形式来划分，目前烟气氧化锆氧分析器主要有几种？每种主要适用于哪种炉型？

答; 目前国内外烟气氧化锆氧分析器可划分五种;

① 中低温直插式氧化锆氧分器，其探头直接插入炉窑烟气中，适应烟气温度为0～650℃(最佳烟气温度为350～550℃)，探头中自带加热炉。主要用于火电厂锅炉、6～20t h工业炉等，是我国用量最大的一种。如中国原子能科学研究院研制的ZO-11型。

② 高温直插式氧化锆氧分析器，其探头直接所向插入烟气中，探头本身不带加热炉，靠高温烟气加热探头，仅适合于700～900℃的烟气，主要用于电厂、石化高温烟气分析，如中国原子能科学研究院生产的ZO-11型，

③ 导流直插式氧化锆氧分析器，这类探头选用 一根长导流管将烟氧导流到炉壁 近处，再利用一支短探 头进行测量，主要用于低尘烟气分析，例如石化部门的加热炉。日本横河公司生产的ZO-11型 、日本富士公司生产的ZFK2型和中国原子能科学研究院生产的

ZO-12型均属于这一种。

④ 墙挂式氧化锆氧分析器，它将烟气抽出至炉壁近处，交将氧休锆传感器安装在炉壁上就近分析，它较抽出式具有响应快的优点。主要用于钢铁厂均热炉及其它高温烟气分析(900～1400℃)。英国赛沃麦克斯公司生产的760A型 和770型属于这一种。

⑤ 抽出式氧化锆分析器.为了除去SO2、SO3和烟尘对测量垢影响,将烟气抽至工作点除去SO2\\SO3和烟尘后再进行分析,其缺点是响应慢.主要适用于多硫多尘恶劣条件的烟气,如制造硫酸的沸腾炉.国内使用甚少.

5、 为什么必须定期用标气校准氧化钎氧分析器？

答：氧化锆 氧分析器是基于能斯特方程进行工作的，只有在理想状态下才能保证测量准确。实际使用过程中存在许多干扰因素，如电池的老化、积灰、SO2和SO3对电池的腐蚀等到。虽然安装探头时已进行过校准，但在运行过程中仪器参数渐变化，给予测量带来误差。为了使用权测量准确，必须定期用标气进行校准。一般情况下，对未接入自控系统的仪器要求每1～2个月校准一次，对未接入自控系统的仪器要求每3个月校准一次。

6、 为什么新装氧化锆探头要至少运行一天以上才能校准？

答：由于新装探头中存在一些吸附水分和可燃性物质，装上炉后，在高温下这些吸附水分蒸发，可燃性物质燃烧，消耗了参比半电池中参比空气，导致参比空气的氧含量低20.6现象，这时的氧量是不准确的。直到水汽和燃烧物质被新鲜空气转换干净后才能使用权测量准确。这一过程对于短探头约需要2～12小时，，而长探头则需1～2天。因此一般新装探头至少运行一天后才能进行校准。

四、红外线气体分析器

1、 填空

所谓红外线是一种比可见光线波长长而又微波波长短的（ ）。其波长约在（ ）到（ ）范围内。波长小于（ ）称近红外线，波长（ ）为中红外线，波长大于（ ）的称远红外线。红外线气体分析器通常使用的红外线波长范围国（ ）。

红外线分析器只能对多组分气体中的某一组分进行分析。红外线分析器不能分析（ ）气体 和（ ）气体。

答案：电磁波，0.76μm, 450μm， 2.5μm, 2.5g到25μm, 25μm, 2μm到10μm,惰性，双原子。

2、 简述红外线气体分析器的工作原理。

两个相同的镍铬合金丝辐射器，构成外光源1，由光源稳流器供给1.3A的恒定电流，将其；加至一定温度（700～900℃），辐射器就能辐射出所要求波长（约为2～7μm）的红外线。

两速平行光束由同步电机带动力的切光片2以12.5Hz的频率调制成断续的红外线，其中一束通过工作气室3、滤波室5到达检测室6。另一束则通过参比滤波室4到检测室6。滤波室的作用是滤掉干扰组分吸收的那部分波长的能量。

检测室实际上是个由铝膜（动极）和铝板（定极）为两面三刀极的电容器，内充等测气体，当工作室连续通过被测气体时，根据朗伯-比尔定律，被测气体吸收了一部分红外辐射，使得到达检测室的两束红外线辐射击产生了差异，并在检测器的两个接收室中产生光-声效应。在两个接收室内，由于被子测气体吸收红外辐射所产生的魂压制通过孔道导入微音器薄膜的两侧，以其压差使薄膜周期变化振动，从而引起微音器电容量的周期变化。

由电容器电量的周期变化而产生的电流信号经前置放大器8和主放大器9放大，并由记录仪表10进行指示和记录。

3、 在使用红外线气体分析器时，为什么要用切光片把连续光束下工作，根据仪器工作原理可知，薄膜电容器的膜片，将处在一个恒定的位置不变。当

4、 试样中被子测物质浓度发生微小变化时，膜片相对变化的位置也很小，不易显示出来如果，把连续光束变成断续的脉冲光，薄膜电容器工作在交变状况下，膜片呈动态。这时，试样中被子测物质浓度的任何微小变化，都有伴随在动态变化之中，测定这个动态中的微小变量，要比静态下变量灵敏得多。

再则，薄膜电容器输出的是电容的变化量而电容量变化的本身也需要在交变电压下测定。

需要注意的是：脉冲频率不能接近电网频率，否则将测量中的干扰；脉冲频率不能太高，太高时气体对红外线能量吸收不充分，造成灵敏度下降。

5、 红外线气体分析器对电源电源有什么特殊要求？为什么？

答：红外线气体分析器除了象其它分析器一样对换电源电压有一定的要求外，对电源频率和波更严格的要求。要求电源频率稳定，波动不能超过±0.5Hz，波形不能有畸变。因为红外线分析器有切光马达，马达靠交流驱动，电源频率波动，波形畸变会改变切光速度，造成去放大器的信号频率改变，波形失真，使用测量结果产生误差。 6、 试述QGS-04型红外分析器调试步骤和方法。

答：①光源电流调节。将光源电流表指针调到135μm刻度上（仪器上有一只电流调节电位器装腔作势在电源部分。） ②光路平衡调节，工作室中通0.51 mm纯N2，将光路平衡滑点调在整个电阻中间位置，再缓慢地调节器上的零位档板手轮，使用表头（0～100μA表）指在最小值。

光路平衡的标志是分析器指示在最小值。 ③灵敏度调节（也称校零～终点），连续向分析器通入N2，调零点旋钮，前所未有表头指示在零点，切断N2，向分析器通往0.51 mm满程标准气体，仪器应指示在满刻度上，否则调放大器“灵敏度调节”旋钮。

零～终点要反复调几次。 ④同步调节，调节一次表头（0～100μA）和记录器读数同步，即调节R37使用二者对应。 7、 红外线气体分析器为什么要进行相位调校？ 答：仪器校零时，不仅要求参比光路和工作光路之一间能量相等，还要求两面三刀个光路作用在检测室两侧窗口上的光面积也相等，要求切光片同时遮挡或同时露出二光源，即所谓同步。如图中a所示。如果不是这样，如图6所示，尽管两面三刀光路能量等主同，但节光片对两路光源遮挡或露出其不意时间性不等，结果就有一个残余的平平衡信号输出。

为了消除这个平平衡信号，仪器校验时，应调整切光片和光源的相对位置，使作用至检测器上的两束光同步，这就是所说的调相位。

五、PH计

1、 填空

①PH定义为氢离子浓度CH的（ ），即PH=（ ）

②通常采用插在被子测溶液中的两个电极间的（ ）的方法溶液的PH值，其中一个电极（工作电极是）（ ），其随氢离子浓度而改变。另一个电极（参比电极）是（ ），具有固定电位。

③玻璃电极的内阴非常高，通常为（ ）MΩ到（ ）MΩ，因此需要高输入阻抗的转换器与之匹配，转换器的输入阻抗应≥（ ）Ω。

④PH计不应从溶液中获取电流，也不应有电流通过电极，以防电极的极化，要求限制电流≤（ ）A。

⑤工业PH计一般由（ ）、（ ）、（ ）、（ ）等到几个部分组成。一体化结构的PH变送器将（ ）和（ ）联为一体它的优点是可以避免由于传输电缆引起的信号衰减，克服了电缆噪音、外界环境的干扰、绝缘不良等问题，标准液标定也比较容易。

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