自动检测技术及仪表控制系统课件第九章

自动检测技术及仪表控制系统课件第九章第一页，共一百页，编辑于2023年，星期二9.1成分分析方法及分析系统的构成9.1.1成分分析方法及分类

成分分析的方法有两种类型，一种是定期取样，通过实验室的实验室分析方法；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。成分分析所用的仪器和仪表基于多种测量原理：在进行分析测量时，需要根据被测物质的物理或化学性质，来选择适当的手段和仪表.第二页，共一百页，编辑于2023年，星期二成分分析仪表分类

按测量对象分为：1气体成分分析仪表分析气体混合物中某一组分含量2液体成分分析仪表液体浓度、溶液中离子浓度3酸碱度分析仪测定溶液酸碱度4密度计测气体及混合物、液体和固体密度5湿度计测液体、气体及固体中水分含量6粘度计测各种分气体及液体粘度尘量计、烟量计、雾量计分析气体中含有各种液体及固体颗粒8石油产品成分及特性测定仪闪点、干点、辛烷值等9金属分析仪碳硫含量测定仪、金属中气体分析仪第三页，共一百页，编辑于2023年，星期二

按原理分类(1)电化学式，如电导电位式电解式酸度计离子浓度计等;(2)热学式，如热导式热谱式热化学式等;(3)磁学式，如磁式氧分析器核磁共振分析仪等;(4)射线式，如X射线分析仪射线分析仪器同位素分析仪微波分析仪等;(5)光学式，如红外紫外等吸收式光学分析仪,光散射光干涉式光学分析仪等;(6)电子光学式和离子光学式，如电子探针离子探针质谱仪等;(7)色谱式，如气相色谱仪半导体气敏传感器等.(8)物性测量仪表，如水分计粘度计密度计湿度计尘量计等;(9)其他，如晶体振荡式分析仪半导体气敏传感器等.第四页，共一百页，编辑于2023年，星期二9.1.2自动分析系统的构成自动分析仪表通常是与式样预处理系统组成一个分析测量系统,以保证其良好的环境适应性和高的可靠性,以使分析仪表的示值能代表被监测的成分。较大型工业分析仪表测量系统的基本组成如图9-1第五页，共一百页，编辑于2023年，星期二

图中，自动取样装置的作用是从生产设备中自动、快速地提取分析样品；预处理系统可以采用诸如冷却、加热、气化、减压、过滤等方式对采集的分析样品进行适当的处理，为分析仪表提供符合技术要求的式样。取样和试样的设备必须注意避免液体式样的分馏作用或气体式样中某些组分被吸附的情况，以保证测量的可靠性。第六页，共一百页，编辑于2023年，星期二

检测器是分析仪表的核心，不同原理的检测器可以把被测组分的信息转换成电信号输出；信息处理系统用于进行微弱信号的放大、转换、运算、补偿等处理；显示仪表可以用模拟、数字或屏幕图文显示等方式给出测量分析结果。整机自动控制系统用于控制各个部分的协调工作，使取样、处理和分析的全过程可以自动连续地进行。有些分析用传感器则不需要取样和预处理环节，而是之间放于被测式样中。第七页，共一百页，编辑于2023年，星期二

热导式气体分析器是使用最早的一种物理式气体分析器，它是利用不同气体导热特性不同的原理进行分析的。常用于分析混合气体中、、、等组分的百分含量。这类仪表具有结构简单、工作稳定、体积小等优点，是生产过程中使用较多的仪表之一。9.2几种工业用成分分析仪表一热导式气体分析器第八页，共一百页，编辑于2023年，星期二

各种气体都具有一定的导热能力，但是程度有所不同，即各有不同的导热系数。经实验测定，其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较弱。气体的导热率还与气体的温度有关，表9-1列出在0℃时以空气热导率为基准的几种气体的相对导热率。第九页，共一百页，编辑于2023年，星期二

气体在0℃时的热导率和相对热导率相对导热率气体名称相对导热率气体名称空气1.000一氧化碳0.964氢7.130二氧化碳0.614氧1.015二氧化硫0.344氮0.998氨0.897氦5.91甲烷1.318硫化氢0.538乙烷0.807相对导热率第十页，共一百页，编辑于2023年，星期二（9-1）混合气体的导热率可以近似的认为是个组分导热率的算术平均值，即第十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二

式中为混合气体的总热导率；，，….为混合气体中各组分的热导率；为混合气体中第i组分的热导率；，,….为混合气体中各组分的体积百分含量；为混合气体中第i组分的体积百分含量。第十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二如果被测组分的热导率为，其余组分为背景组分，并假定它们的热导率近似等于。又由于第十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二（9-2）即有

（9-3）在,已知的情况下，测得混合气体的总导热率

，就可以确定被测组分的体积百分含量。

将它们代入（9-1）式后可得：第十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二

热导式气体分析仪工作条件

根据前面分析可知热导式气体分析仪应满足下列条件：

1）混合气体中背景组分的导热率必须近似相等；

2）被测组分的导热率与背景组分的导热率有明显差别。对于不能满足这个条件的多组分组合气体，可以采取预处理的方法:。第十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二如分析烟道气体中的含量，已知烟道气体的组分有及水蒸气等。其中、

导热率相差太大，应在预处理时除去。剩余的背景气体热导率相近，并与被测气体的热导率有着显著差别，所以可用热导法进行测量。第十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二

热导式气体分析仪是要通过混合气体的导热系数的测量来分析待测组分的含量。直接测气体导热系数来确定气体成分比较困难，通常采用把导热系数的测量转换成电阻的测量，而电阻的变化是很容易测得的。常用热导池第十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二

热导池热导式分析器的核心是测量室，称为热导池，如图9-2所示。热导池是用导热良好的金属制成的长圆柱形小室，室内装有一根细的铂或钨电阻丝，电阻丝与腔体有良好的绝缘。电源供给热丝恒定电流，使之维持一定的温度，高于室壁温度，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。热导池一般放在恒温装置中，故室壁温度恒定，热丝的热平衡温度将随被测气体的导热率变化而改变。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，第十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二

热导池有不同的结构形式，图9-3所示为目前常用的对流扩散式结构形式。气样是由主气路扩散到气室中，然后由支气路排出，这种结构可以使气流具有一定速度，并且气体不产生倒流。第十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二

热导式分析仪表通常采用桥式测量电路，如图9-4所示。桥路四臂接入四个气室的热丝电阻，测量室桥臂为，参比室桥臂为。四个气室的结构参数相同，并安装在同一块金属体上，以保证各气室的壁温一致，参比室封有被测气体下限浓度的气样。当从测量室通过的被测气体组分百分含量与参比室中的气样浓度相等时，电桥处于平衡状态。当被测组分发生变化时，将发生变化，使电桥失去平衡，其输出信号的变化值就代表了被测组分含量的变化。第二十页，共一百页，编辑于2023年，星期二热导式分析仪表最常用于锅炉烟气分析和氢纯度分析，也常用作色谱分析仪的检测器。在线使用这种分析仪表时，要有采样及预处理装置。第二十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二红外线气体分析器属于光学分析仪表中的一种。它是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。这类仪表的特点是测量范围宽；灵敏度高，能分析的气体体积分数可到；反映速度快、选择性好。红外线气体分析器常用于连续分析混合气体中等气体的浓度。

二

红外线气体分析器第二十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二

大部分有机或无机气体在红外波段内有其特征的吸收峰，即对红外线吸收有选择性：只吸收某一波长或几个波长范围的红外辐射，对双原子分子、惰性气体没有吸收能力（O2、

N2

、Cl2、H2

、Ar、He、Ne）。图9-5所示为一些气体的吸收光谱，红外线气体分析器主要利用2～25μm之间的一段红外光谱。

co

2.674.654.65处能力最强

co22.784.26CH43.37.65

第二十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二第二十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二

红外线气体分析器一般由红外辐射源、测量气样室、红外探测装置等组成。从红外光源发出强度为的平行红外线，被测组分选择吸收其特征波长的辐射能，红外线强度将减弱为。红外线通过吸收物质前后强度的变化与被测组分浓度的关系服从朗伯—贝尔定律：

（9-4）式中K为被测组分吸收系数；C为被测组分浓度；L

为光线通过被测组分的吸收层厚度。第二十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二

非色散型仪表中，由红外辐射源发出来连续红外线光谱，包括被测气体特征吸收峰波长的红外线在内。被分析气体连续通过测量气样室，被测组分将选择性地吸收其特征波长红外线的辐射能，使从气样室透过的红外线强度减弱。

当入射红外线强度和气室结构等参数确定后，测量红外线的透过强度就可以确定被测组分浓度的大小。工业用红外线气体分析器有非色散（非分光）型和色散（分光）型两种型式。第二十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二

色散型仪表采用单色光的测量方式。图9-6所示为一种时间双光路红外线气体分析器的组成框图。其测量原理是利用两个固定波长的红外线通过气样室，被测组分选择性地吸收其中一个波长的辐射，而不吸收另一波长的辐射。对两个波长辐射能的透过比进行连续测量，就可以得知被测组分的浓度。这类仪表使用的波长可在规定的范围内选择，可以定量地测量具有红外吸收作用的各种气体。第二十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二第二十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二

图9-6中的分析其组成由预处理器、分析箱和电器箱三个部分。分析箱内有光源、切光盘、气室、光检测器及前置放大电路等。在切光盘上装有四组干涉滤光片，其透射波长与被分析气体的特征吸收峰波长相同；交叉安装的另两组为参比滤光片，其透射波长则是不被任何分析气体吸收的波长。切光盘上还有与参比滤光片位置相对应的同步窗口，同步灯通过同步窗口使光敏管接受信号，以区别是哪一个窗口对准气室。第二十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二

气室有两个，红外光先射入一个参比气室，它是作为滤波气室，室内封闭着与被测气体有重叠吸收峰的干扰成分；工作气室即测量气室则有被测气体连续地流过。由光源发出的红外辐射光在切光盘转动时被调制，形成了交替变化的双光路，使两种波长的红外光线轮流地通过参比气室和测量气室，半导体锑化铟光监测器接受红外辐射并转换出与两种红外光强度相对应的参比信号与测量信号。

第三十页，共一百页，编辑于2023年，星期二

当测量气室中不存在被测组分时，光检测器接收到的是未被吸收的红外光，测量信号与参比信号相等，二者之差为零。当测量气室中存在测量组分时，测量光束的能量被吸收，光检测器接收到的测量信号将小于参比信号，二者的差值与被测组分的浓度成正比。这种仪表采用时间双光路系统具有更高的选择性和稳定性，还具有结构简单、体积小、耐振、可靠性高和对样气的预处理要求低等优点，如果加入温度补偿，可以进一步提高仪表精度。第三十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二氧化锆分析器属于电化学分析方法，这种分析器的优点是灵敏度高、稳定性好、响应快、测量范围宽（从到百分含量），而且不需要复杂的采样和预处理系统，它的探头可以直接插入烟道中连续地分析烟气中的氧含量。

三氧化锆氧分析器第三十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二氧化锆分析器的基本工作原理基于氧浓差电池。氧化锆（）是一种陶瓷固体电解质，在高温下有良好的离子导电特性。在纯氧化锆中掺入低价氧化物如氧化钙（）及氧化钇（）等，在高温焙烧后形成稳定的固熔体，由于和

置换了的位置，形成了氧离子空穴。在高温时，空穴型氧化锆成为良好的氧离子导体，在氧化锆陶瓷体的两侧烧结一层多孔铂电极，就构成氧浓差电池。当两侧气体的含氧量不同时，在两电极间将产生电势，此电势与两侧气体中的氧浓度有关，称为浓差电势。第三十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二氧浓差电池原理如图9-7所示，浓差电池的左侧为被测气体，右侧为参比气体，参比气体一般为空气。当两侧气体的氧分压不同时，吸附在电极上的氧分子离解得到4个电子，形成两个，进入固体电解质中，在高温下，氧离子从高浓度向低浓度转移而产生电势。第三十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二设两侧氧分压分别为

和，且<，

氧浓差电池表示为如下关系;

阳极（电池负极）

电介质

阴极（电池正极）

第三十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二忽略高温下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。只要两侧存在氧分压差，此过程由能斯特公式确定

(9-5)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。只要两侧存在氧分压差，此过程就将持续进行。第三十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二式中为氧浓度电势，；为理想气体常数，

;为法拉第常数，

为绝对温度，

；为参加反应得每一个氧分子从正极带到负极的电子数，;为待测气体中的氧分压，

第三十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二；为参比空气重的氧分压，（在标准大气压下）。由输出电势值，可以算出待测氧分压。

假定参比侧与被测气体的总压力均为

，

(实际上被测气体

体压力略低于大气压力),可以用体积百分比代替氧分压。

按气体状态方程式，容积成分表示为；

第三十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二被测气体氧浓度

，空气中氧量

则有

（9-6）第三十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二空气中氧量一般为，在总压力为一个大气压情况下，可以求出

于

的关系式：

（9-7）

按上式计算，仪表的输出显示就可以按氧浓度来刻度。

第四十页，共一百页，编辑于2023年，星期二氧化锆分析器正常工作的必要条件有如下几项。

⑴工作温度要恒定，传感器要有温度调节控制的环节，一般工作温度保持在，此时仪表的变化直接影响氧浓差的大小，传感器还应有温度补偿环节。

灵敏度最高。工作温度

⑵必须要有参比气体，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。例如用氧化锆分析器分析烟气的氧含量时，以空气为参比气体时，被测气体氧含量为3%～4%，传感器可以有几十毫伏的输出。

电势

第四十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二⑶参比气体与被测气体压力应该相等，仪表可以直接以氧浓度刻度。图9-8所示为管状结构的氧化锆分析器。在氧化锆管的内外侧烧结铂电极，内部热电偶与温度调节器相连，以控制加热丝的电流大小，使工作温度恒定。被测气体通过陶瓷过滤装置进入测量侧，空气则进入参比侧。氧化锆分析器的安装方式有直插式和抽吸式两种结构，见图9-9。图9-9（a）为直插式结构，多用于锅炉、窑炉烟气的含氧量测量，它的使用温度在之间。

第四十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二第四十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二第四十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二图9-9（b）为抽吸式结构，多用于石油化工生产中，最高可测气体的含氧量。氧化锆分析器的内阻很大，而且其信号和温度有关，为保证测量精度，其前置放大器的输入阻抗要足够高。现在的仪表中多有微处理器来完成温度的补偿和非线性变换等运算，在测量精度、可靠性和功能上都有很大提高。第四十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二

气相色谱仪

色谱分析仪器是一种高效、快速、灵敏的物理式分析仪表。它包括分离和分析两个技术环节。在测试时，使被分析的试样通过色谱柱，由色谱柱将混合试样中的各个组分分离，再由监测器对分离后的各组分进行检测，以确定各组分的成分和含量。这种仪表可以一次完成对混合试样中几种组分的定性或定量的分析，在工业流程中使用的一般多为气相色谱仪。第四十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二

色谱分析的基本原理是根据不同物质在固定相和流动相所构成的体系即色谱柱中具有不同的分配系数而进行分离。色谱柱有两大类，一类是填充色谱柱，使将固体吸附或带有固体液的固体柱体，装在玻璃管或金属管内构成。另一类是空心色谱柱或空心毛细管色谱柱，都是将固定液附着在管壁上形成。毛细管色谱柱的内径只有0.1~0.5mm。被分析的试样由载气带入色谱柱，载气在固定相上的吸附或溶解能力要比样品组分弱得多，由于样品中各组分在固定相上的吸附能力的不同，而被载气带出的先后次序也就不同，从而实现了各组分的分离。图9-10表示出混合物在色谱柱中的分离过程。第四十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二第四十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二两个组分A和B的混合物经过一定长度的色谱柱后，将逐渐分离，A、B组分在不同的时间流出色谱柱，并先后进入监测器，监测器输出测量结果，由记录仪绘出色谱图，在色谱图中两组分各对应一个色谱峰。图中随时间变化的曲线表示各个组分及其浓度，称为色谱流出曲线。第四十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二

各组分从色谱柱流出的顺序与色谱柱固定相成分有关。从进样到某组分流出的时间与色谱柱长度、温度、在气流速等有关。在保持相同条件的情况下，对各组分流出时间标定以后，可以根据色谱峰的高度或面积代表相应组分在样品中的含量，用已知浓度式样进行标定后，可以做定量分析色谱的基本流程如图9-11所示，样气和载气分别经过预处理系统进入取样装置，再流入色谱柱，分离后的组分经检测器检测，相关信号经处理后输出。

第五十页，共一百页，编辑于2023年，星期二第五十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二

色相色谱仪常用的监测器有热导式检测器、氢焰电离检测器等。热导式检测器的监测极限约为几个的样品浓度，使用广泛。

氢焰电离检测器是基于物质的电离特性，只能检测有机碳氢化合物等在火焰中可电离的组分，其监测极限对碳原子可达的量级，

热导式检测器属于浓度型监测器，其响应值正比于组分浓度。氢焰电离检测器属于质量型监测器，其响应值正比于单位时间内进入监测器的组分的质量。第五十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二

图9-12为一种工业气相色谱仪系统框图。分析器部分由取样阀、色谱柱、检测器、加热器和温度控制器等组成，均装在隔爆、通风充气型的箱体中。程序控制器部分的作用是控制分析器部件的自动进样、流路切换、组分识别等时序动作；接受从分析起来的各组分色谱信号加以处理，并输出标准信号；通过记录仪或打印机给出色谱信号及有关数据。控制器和二次仪表采用密封防尘型嵌装式结构。第五十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二第五十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二图9-13所示是一种由微机械及微电子技术制成的集成气相色谱仪。采用光刻技术和硅腐蚀技术将毛细管、气体输入控制法和检测器等集成制造在直径为50.8mm的硅片上。毛细管由200μm宽，40μm深，1.5m长的环形槽构成，作为色谱仪的气体分离器。毛细管的入口端与硅片上的气体输入控制阀相连，出口端与检测元件相连，检测元件是由刻蚀形成的金属薄膜电阻。第五十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二第五十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二

这种色谱仪的工作过程是：用惰性气体清洗整个系统；以高于清洗气体的压力将待测气体注入毛细管；清洗气体将携带待测气体流过毛细管；在毛细管中经过分离的不同气体经检测器后流出色谱仪。检测器测量气体的热导率，一个高热导率的气体脉冲将比低热导率的惰性气体带走更多的热量，从而会产生一个小的电压脉冲信号。第五十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二

半导体气敏传感器

半导体气敏传感器是采用半导体材料为敏感材料制成的一种气敏传感器类型。这类传感器可以通过在半导体材料中添加各种催化剂来改变其主要敏感对象，但是却很难消除对其他共存气体的响应，并且它的信号相应的线性范围窄，故一般只用于定性及半定量范围的气体检测。但是，由于这类传感器的制造成本低廉，测量手段简单，工作稳定性尚好，检测灵敏度也较高，因此，它已经广泛的应用于工业和民用等场所的气体检测，并且是目前使用最普遍、最有使用价值的一类气敏传感器。第五十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二

半导体气敏传感器按照半导体的物性变化特点，可分为电阻性和非电阻型两类。电阻型气敏传感器是利用气敏元件在接触被测气体后电阻值的变化，来检测气体的成分或浓度；非电阻型气敏传感器则是根据气敏元件对气体的吸附和反映，使其某些相关特性发生变化，对气体进行直接或间接的检测。按照半导体与气体的相互作用是在其表面或内部，半导体气敏传感器又可分为表面控制型和体控制型两类。第五十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面氧化或还原反应，将引起半导体载流子数量的增加或减少，从而使敏感元件电阻值变化的原理。第六十页，共一百页，编辑于2023年，星期二

氧气等具有负离子吸附倾向的气体成为氧化型气体，H2、CO、碳氢化合物和醇类等具有正离子吸附倾向的气体成为还原型气体。当氧化型气体吸附到N型半导体，还原型气体吸附到P型半导体时，会使半导体载流子减少，敏感元件电阻值将增大。当还原型气体吸附到N型半导体，氧化型气体吸附到P型半导体时，使载流子增多，敏感元件电阻值则减小。

N型半导体有SnO、ZnO、TiO等,P型半导体有MoO、CrO等，其中以SnO材料应用最多。第六十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二

图9-14给出被测气体接触N型半导体时，敏感元件阻值变化的情况。测量时，敏感元件要预先加热达到初始稳定状态，在大气中由于吸附氧气量固定不变，其电阻值保持一定。在移入被测气体后，元件表面吸附被测气体，而发生相应的电阻值变化，可输出与气体浓度相对应的电信号。测试完毕后，元件再至于普通的大气环境中，其阻值将会复原。气敏传感器一般由气敏元件、加热器和封装体等部分组成。加热器的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，提高其灵敏度和响应速度。加热器温度一般控制在200~400左右。

第六十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二第六十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二气敏元件从结构形式来分有烧结性、薄膜型和厚膜型三类。图9-15给出几类半导体气敏元件的典型结构。图9-15（a）为烧结型气敏元件，这类器件以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2

材料中，加压、加温烧结成形。图9-15（b）为薄膜型器件。采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜，其厚度1μm在以下。实验证明SnO2

半导体薄膜的气敏特性为物理性附着，器件间的性能差异较大。

图9-15（c）为厚膜器件。这种器件是将SnO2或ZnO等材料与3%~5%（重量）的硅凝胶混合制成厚膜胶，将其与装有铂电极的氧化物基片组合烧结制成。这种器件离散性小，机械强度高，适合大批量生产，是一种有前途的器件。

第六十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二第六十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二在气敏材料中添加铂（Pt）或钯（Pd）等作为催化剂，可以提高气敏元件的灵敏度以及对气体的选择性。添加剂的成分和含量，元件制作时的烧结温度，以及测量时的工作温度都将影响元件的选择性。图9-16所示为气敏元件对各种气体的灵敏度气敏元件添加不同催特性。图9-17给出

化剂后，对各种气体的灵敏度特性。

第六十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二第六十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二第六十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二

非电阻型半导体气敏传感器

非电阻型气敏传感器是利用MOS二极管的电容-电压特性变化和MOS场效应管(MOSFET)的阀值电压的变化等性质制成。采用特定的材料可以使器件对某气体敏感。如图9-18所示的MOS场效应管，其栅极材料采用对氢有很强吸附性的金属钯（Pd），就构成了对氢敏感的Pd-MOS场效应管。第六十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二第七十页，共一百页，编辑于2023年，星期二MOSFET的漏极电流ID由栅压控制，若将栅极与漏极短路，在源极与漏极之间加电压VDS，则ID可由下式表示：

（9-8）式中β为常数，只与MOSFET的结构有关VT为阈值电压。第七十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二当氢吸附在Pd栅极上时，将引起阈值电压的变化，阈值电压变化与氢气分压的关系为：

（9-9）式中为吸附氢饱和时变化的最大值；K是氢离解吸附的平衡常数。这样，通过阈值电压的变化就可检测氢气的浓度，图9-19所示为MOS场效应管在低浓度氢的灵敏度曲线。第七十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二第七十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二这种传感器必须在下工作才能快速反应气体，但是在加热条件下，其稳定性易被破坏。这一类器件的特性尚不够稳定，目前只能用作气体泄露的检测。

第七十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二9．2．6工业酸度计

工业酸度计属于电化学分析方法，用来在线测量溶液的酸碱度。在石化、轻纺、食品、制药工业以及水产养殖、水质监测等方面有广泛的应用。溶液的酸碱性可以用氢离子浓度

的大小来表示。由于溶液中氢离子浓度的绝对值很小，一般采用pH值来表示溶液的酸碱度，定义为

（9-10）第七十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二与之相应有：pH=7为中性溶液，pH>7为碱性溶液，pH<7为酸性溶液。pH值的检测采用电位测量法。根据电化学原理，任何一种金属插入导电溶液中，在金属与溶液之间将产生电极电势，此电极电势与金属和溶液的性质，以及溶液的浓度和温度有关。采用镀有多孔铂黑的铂片，用其吸附氢气，可以起到与金属电极类似的作用。电极电位是一个相对值，一般规定标准氢电极的电位为零，作为比较标准。第七十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二测量pH值一般使用参比电极和测量电极以及被测溶液共同组成的测量电池。参比电极的电极电位是一个固定的常数，测量电极的电极电位则随溶液氢离子浓度而变化。电池的电动势为参比电极与测量电极间电极电位的差值，其大小代表溶液中的氢离子浓度。将参比电极和工作电极插入被测溶液中，根据能斯特公式，可推导出原电池的电势E与被测溶液的pH值之间的关系为：第七十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二

(9-11)式中为E电极电势，V；R为气体常数，R=8.314J/（mol·K）；T为热力学温度，K；F为法拉第常数，F=9.6487×10C/mol;pHx为被测溶液的pH值。

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工业用参比电极一般为甘汞电极或银-氯化银电极。甘汞电极的结构如图9-20所示。甘汞电极分为内管和外管两部分，内管中分层装有贡即水银，糊状的甘汞即氯化亚贡，内管下端的棉花起支撑作用。这样就使金属贡插入到具有相同离子的糊状电解质溶液中，于是存在电极电位E。

在外管中充以饱和KCL溶液，外管下端为多孔陶瓷。将内管插入KCL溶液中，内外管形成一个整体。当整个甘汞电极插入被测溶液时，电极外管中的KCL溶液将通过多孔陶瓷渗透到被测溶液中，起到离子连通的作用。

第七十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二一般KCL溶液处于饱和状态，在温度为时，甘汞电极的电极电位为在甘汞电极工作时，由于KCL溶液不断渗漏，必须由注入口定时加入饱和KCL溶液。甘汞电极的电位比较稳定，结构简单，被大量应用。但是其电极电位受温度影响。第八十页，共一百页，编辑于2023年，星期二银-氯化银（Ag/AgCl）电极结构如图9-21所示。在铂丝上镀银，然后放在稀盐酸中通电，形成氯化银薄膜沉积在银电极上。将电极插入饱和KCL或HCL溶液中，就成为银-氯化银电极。当使用饱和KCL溶液，温度为25℃时，氯化银电极电位E0＝0.197V

。这种电极结构简单，稳定性和复现性均好于甘汞电极，其工作温度可达250℃

，但是价格较贵。第八十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二

玻璃电极是使用最为广泛的测量电极。它在pH=2～10的溶液中有良好的线性，并能够在强酸和强碱溶液中稳定地工作。玻璃电极的结构如图9-22所示。玻璃电极的下端为一个球泡，是由pH敏感玻璃膜制成，膜后约0.2mm，且可以导电。球内充以pH值恒定的缓冲溶液，作为内参比溶液。还装有银-氯化银电极或甘汞电极作为内参比电极。内参比溶液使玻璃膜与内参比电极间有稳定的接触，从而把膜电位引出。玻璃电极插入被测溶液后，pH敏感玻璃膜的两侧与不同氢离子浓度的溶液接触，通过玻璃膜可以进行氢离子交换反应，从而产生膜电位，此膜电位与被测溶液的氢离子浓度有待定的关系。第八十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二pH值测量中，以玻璃电极作为测量电极，以甘汞电极作为参比电极的测量系统应用最多。此类测量系统的总电势E为

(9-12)上式可成

(9-13)

值为pH计的灵敏度。式中

第八十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二图9-23所示为总电势E与溶液pH值的关系。曲线表明在pH=1～10范围内，二者为线性关系，值可由曲线的斜率求出，可由纵轴上的截距求得。在pH=2处，电势为零的点称为玻璃电极的零点，在零点两侧，总电势的极性相反。pH测量电池的总电势还受温度的影响，和

温度的函数，图9-24给出E随温度变化的特性曲线相交于A点，A点称为等电位点，对应为值测量值距A越远，电势值随温度的变化越大。值均是。一般地说第八十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二第八十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二直接电位法也可用于其他离子浓度的测量，离子选择电极有玻璃电极、液膜电极等形式，前者利用玻璃膜对特定离子响应。它们的电极电位均与相应的溶液离子浓度有特定的函数关系。目前已有用于碱金属离子、氟离子、硝酸根离子等的选择电极。离子选择电极、甘汞电极和被测溶液组成测量电池，其电动势即可以代表离子浓度。第八十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二温度的检测

温度是表示空气（或气体）中水汽含量的物理量。一般情况下，在大气中总喊有水蒸气，当空气或其他气体与水汽混合时，可认为他们是潮湿的，水汽含量越高，气体越潮湿，即其湿度越大。温度与科研生产生活生态环境都有着密切的关系，近年来，湿度检测已成为电子器件精密仪表食品工业等工程检测和控制及各种环境检测中广泛使用的重要手段之一。第八十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二

温度的表示方法及湿度检测的特点

温度的表示方法第八十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二

温度可以用绝对湿度和相对湿度两种方法来表示：绝对湿度是指单位体积湿气体中所含的水汽质量数，以单位g/m

；相对湿度是单位体积湿气体中所含的水汽质量与在相同条件下饱和水汽质量之比，用百分数表示。相对湿度还可以用湿气体中水汽分压