各類氣體分析儀基本原理及特點

1、質(zhì)譜儀的基本原理

    質(zhì)譜儀又稱質(zhì)譜計，是分離和檢測不同同位素的儀器。它根據(jù)帶電粒子在電磁場中能夠偏轉(zhuǎn)的原理，按物質(zhì)原子、分子或分子碎片的質(zhì)量差異進行分離和檢測物質(zhì)組成的一類儀器。

具體工作過程為：質(zhì)譜儀以離子源、質(zhì)量分析器和離子檢測器為核心。離子源是使試樣分子在高真空條件下離子化的裝置。電離后的分子因接受了過多的能量會進一步碎裂成較小質(zhì)量的多種碎片離子和中性粒子。它們在加速電場作用下獲取具有相同能量的平均動能而進入質(zhì)量分析器。質(zhì)量分析器是將同時進入其中的不同質(zhì)量的離子，按荷質(zhì)比q/m（q為電荷，m為質(zhì)量）大小分離的裝置，q/m=2U/（U為電壓，B為磁感應(yīng)強度，r為半徑） 。分離后的離子依次進入離子檢測器，采集放大離子信號，經(jīng)計算機處理，繪制成質(zhì)譜圖。

優(yōu)點：測量氣體種類多，測試速度快，靈敏度高，結(jié)果，穩(wěn)定性和重復(fù)性

      也較高。

缺點：是價格偏高；儀器機構(gòu)復(fù)雜，需要專業(yè)人員維護；要求環(huán)境高。

2、氣相色譜儀的基本原理

檢測混合物由載氣（載氣特性為惰性氣體，不應(yīng)與樣品和溶劑反應(yīng)。一般可選用且常用的載氣有氫氣，氮氣，氦氣。氦氣有的分離柱效果，氦氣用于熱導(dǎo)式測量組件，氫氣用于當氦氣不能使用的場合，另一為氦氣和氫氣的混合氣可得到較快的響應(yīng)）帶入，檢測混合物通過色譜柱（通常為填充柱和毛細管柱）與色譜柱內(nèi)固定相（我們把色譜柱內(nèi)不移動，起分離作用的填料稱為固定相）相互作用，這種相互作用大小的差異使各混合物各組分按先后次序從流出，并且依次導(dǎo)入檢測器，從而得到各組分的檢測信號。按照導(dǎo)入檢測器的先后次序，經(jīng)過對比，可以區(qū)別出是什么組分，根據(jù)峰高度或峰面積可以計算出各組分含量。 

主要特點

氣相色譜儀因為檢測器的不同而具有不同的優(yōu)缺點。

• 氫火焰檢測器氣相色譜儀。氫火焰檢測器 (FID, flame ionization detector)是利用氫火焰作電離源，使被測物質(zhì)電離，產(chǎn)生微電流的檢測器。它是破壞性的、典型的質(zhì)量型檢測器。

優(yōu)點：

對幾乎所有的有機物均有響應(yīng)，特別是對烴類化合物靈敏度高，而且響應(yīng)值與碳原子數(shù)成正比；對 H2O、CO2和 CS2等無機物不敏感；對氣體流速、壓力和溫度變化不敏感。它的線性范圍寬，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，死體積幾乎為零。因此，作為實驗室儀器， FID得到普遍的應(yīng)用，是zui常用的氣相色譜檢測器。

缺點：

需要可燃氣體 (氫氣 ) 、助燃氣體和載氣三種氣源鋼瓶及其流速控制系統(tǒng)。因此，制作成一體化的便攜式儀器非常困難，特別是應(yīng)對突發(fā)性環(huán)境污染事件的分析與檢測就更加困難，因為它需要點“一把火 ”,增加了引燃、引爆的潛在危險性

2、熱導(dǎo)檢測器氣相色譜儀。熱導(dǎo)檢測器( TCD, thermal conductivity detector)是利用被測組分和載氣熱導(dǎo)系數(shù)不同而響應(yīng)的濃度型檢測器（在一定濃度范圍（線性范圍）內(nèi)，響應(yīng)值R（檢測信號）大小與流動相中被測組分濃度成正比（R∝C）），它是整體性能檢測器，屬物理常數(shù)檢測方法。

優(yōu)點：

它對所有的物質(zhì)都有響應(yīng)，結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、定量準確、價格低廉、經(jīng)久耐用，又是非破壞性檢測器，因此， TCD始終充滿著旺盛的生命力。近十幾年來，配置于商品化氣相色譜儀的產(chǎn)量僅次于 FID,應(yīng)用范圍較廣泛。

缺點：

與其他檢測器相比， TCD的靈敏度低，這是影響其應(yīng)用于環(huán)境分析與檢測的主要因素。以氦氣作載氣，進氣量為 2 mL時，檢出限可達量級。因此，使用這種檢測器的便攜式氣相色譜儀，不適于室內(nèi)外一般環(huán)境污染物分析與檢測，大多用于污染源和突發(fā)性環(huán)境污染事故的分析與檢測。

3、紅外線氣體分析儀基本原理

紅外線氣體分析儀的測量依據(jù)：

   朗伯-比爾定律：其物理意義是當一束平行單色光垂直通過某一均勻非

散射的吸光物質(zhì)時,其吸光度與吸光物質(zhì)的濃度及吸收層厚度成正比。

紅外線氣體分析儀工作原理：

   基于某些氣體對紅外線的選擇性吸收。紅外線分析儀常用的紅外線波長為2~12μm。簡單說就是將待測氣體連續(xù)不斷的通過一定長度和容積的容器，從容器可以透光的兩個端面中的一個端面?zhèn)冗吷淙胍皇t外光，然后在另一個端面測定紅外線的輻射強度，zui后依據(jù)紅外線的吸收與吸光物質(zhì)的濃度成正比就可知道被測氣體的濃度。

優(yōu)點： 

1）測量范圍寬：可分析氣體上限達100%，下限達幾個 （ppm）的濃度。進行精細化處理后，還可以進行痕量  (ppb)分析（物質(zhì)中含量在百萬分之一以下組合的分析方法）；

2）靈敏度高：具有很高的監(jiān)測靈敏度，氣體濃度有微小變化都能分辨出來；

3）測量精度高：一般都在  FS（滿量程）,不少產(chǎn)品達到 FS。與其他分析手段相比，它的精度較高且穩(wěn)定性好；反應(yīng)速度快：響應(yīng)時間一般在10S以內(nèi)（達到T90的時間）；

缺點：

不能分析對稱結(jié)構(gòu)無極性雙原子分子（如 、 、 ）及單原子分子氣體（He、Ne、Ar），或者需要和其他檢測器使用。

4、紫外線氣體分析儀的原理

紫外線氣體分析儀是可見分光光度計中的一種，其分析方法屬于紫外吸收光譜法，工作原理基于朗伯一比耳定律。朗伯一比耳定律A=lg(1/T)=Kbc 

其中，A為吸光度；T為透射比，是透射光強度比上入射光強度 K為摩爾吸收系數(shù)，它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長λ有關(guān)；c為吸光物質(zhì)的濃度； b為吸收層厚度；當光源、波長和樣品池厚度確定后，它們就成了常數(shù)。這時透過樣品的光強度僅與樣品中待測組分的濃度有關(guān)。紫外線氣體分析儀就是根據(jù)這一原理工作的。

優(yōu)點：操作簡單，可以測量SO2、NOx、HCl、NH3等氣體

缺點：測量度不高，同等性能、功能情況下儀器價格比紅外線高。

5、熱導(dǎo)式氣體分析儀基本原理

熱導(dǎo)式氣體分析儀是一種物理類的氣體分析儀表。它根據(jù)不同氣體具有不同的熱傳導(dǎo)能力的原理，通過測定混合氣體熱導(dǎo)系數(shù)來推算其中某些組分的含量。

優(yōu)點：熱導(dǎo)式分析儀器是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、價廉、技術(shù)上較為成熟。適用的氣體種類較多，是一種基本的分析儀表

缺點：熱導(dǎo)式分析儀器對氣體的壓力波動、流量波動十分敏感，介質(zhì)中水汽、顆粒等雜質(zhì)對測量影響較大，所以必須安裝復(fù)雜的采樣預(yù)處理系統(tǒng)。

6、電化學(xué)式氣體分析儀基本原理

電化學(xué)式氣體分析儀是一種化學(xué)類氣體分析儀表。它根據(jù)化學(xué)反應(yīng)所引起的離子量的變化或者電流變化來測量氣體成分。為了提高選擇性，防止測量電極表面沾污和保持電解液性能，一般采用隔膜結(jié)構(gòu)。常用的電化學(xué)式分析儀有定位電解式和伽伐尼電池式。

優(yōu)點：體積小、檢測速度快、準確、便攜、可現(xiàn)場直接檢測和連續(xù)檢測。

缺點：電化學(xué)式氣體分析儀中使用成本較大，在實際使用中還會普遍存在取樣流量、氣體交叉干擾（電化學(xué)傳感器通過設(shè)置不同的電極電位，使得傳感器對應(yīng)某一特定氣體敏感，從而達到測定的目的，但對于電極電位相似的氣體，會產(chǎn)生交叉干擾）以及預(yù)前處理等方面的問題。

7、氧分析儀按原理分為氧化鈷、順磁性。

7.1.氧化鈷分析儀基本原理

氧化鈷分析儀測量含氧量的基本原理是利用所謂的“氧濃差電勢”，即在一塊氧化鈷兩側(cè)分別附以多孔的鉑電極（又稱鉑黑）并使其處于高溫下。如果兩側(cè)氣體中含氧量不同，那么在兩電極間就會出現(xiàn)電動勢。這種電動勢是由于固體電解質(zhì)兩側(cè)氣體含氧濃度不同而產(chǎn)生的，所以叫氧濃差電勢，而氧濃差電勢大小可以通過能斯特公式計算出來。

優(yōu)點：

一般用于煙道排放或燃燒控制，取樣探頭可耐高溫及耐腐蝕，安裝方式為直接插入式或抽取式。它結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好、靈敏度高，響應(yīng)快等特點，輸出信號便于信號傳輸與處理，精度比較高。

缺點：測量時易受溫度影響，測量氣體單一。

7.2.順磁性分析儀基本原理

順磁式氧分析儀，也可叫做磁效應(yīng)式氧分析儀、或磁式氧分析儀，我們通常通稱為磁氧分析儀。它一般分為磁機械式、磁壓力式和氧熱磁對流式分析儀三種該類型。順磁性氧分析儀利用氧分子具有順磁性，被測氣體引至內(nèi)置磁場，氧分子在磁場內(nèi)順應(yīng)磁場運動，在懸掛的啞鈴球上產(chǎn)生推力，通過測量啞鈴球的偏移而得出被測氣體中的氧含量。

優(yōu)點：響應(yīng)速度快，測量精度高，常用于過程控制。

缺點：順磁氧對儀器環(huán)境要求高，不能受到震動，測量氣體單一

8、激光氣體分析儀

8.1.半導(dǎo)體激光氣體分析儀基本原理

DLAS(DiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的簡稱。DLAS技術(shù)本質(zhì)上是一種光譜吸收技術(shù)，通過分析激光被氣體的選擇性吸收來獲得氣體的濃度。它與傳統(tǒng)紅外光譜吸收技術(shù)的不同之處在于，半導(dǎo)體激光光譜寬度遠小于氣體吸收譜線的展寬。因此，DLAS技術(shù)是一種高分辨率的光譜吸收技術(shù)，半導(dǎo)體激光穿過被測氣體的光強衰減可用朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律表述式得出，關(guān)系式表明氣體濃度越高，對光的衰減也越大。因此，可通過測量氣體對激光的衰減來測量氣體的濃度。

優(yōu)點：

響應(yīng)測量時間可降到1秒，無其他氣體的交叉干擾，無需采樣，能現(xiàn)場在線測量，可以進行非常低(ppb級和低ppm級)的探測極限。

缺點：安裝復(fù)雜，不好對儀器進行維護，在測量過程易受被測氣體影響導(dǎo)致測量結(jié)果不準確。

8.2.拉曼激光氣體分析儀基本原理

拉曼激光氣體分析儀RLGA的核心部分是一個激光檢測裝置，其中的氦氖激光器可以發(fā)射一種安全的低功率單波激光到一個氣體測試腔內(nèi)。由于激光能量微弱，裝置內(nèi)部通過檢測腔兩端的反射鏡不斷進行反射，將能量放大1000倍左右。光子與氣體分子發(fā)生碰撞后發(fā)生散射，產(chǎn)生一種不同于激光頻譜的光譜，而且不同分子散射出來的光譜是特定不相同的，這就是我們所稱的“拉曼散射光譜”。檢測腔內(nèi)壁裝有8個光學(xué)濾波器和光電傳感器，用來吸收和檢測不同分子的特定光譜頻率，從而得到8種不同待測氣體成分含量。根據(jù)這種原理，每種待測氣體的含量都是通過直接測量得到的，不需要任何的導(dǎo)算；RLGA的檢測精度更高；反應(yīng)速度更快。

優(yōu)點：

1、能現(xiàn)場在線檢測幾乎所有工業(yè)過程氣體（可測氣體超過100種）

2、樣氣采用抽取式，進入分析腔后，一臺分析儀可同時測量8種氣體，適合復(fù)雜混合氣體測量

3、所有測量值均為直接測量所得，不需要導(dǎo)算

4、檢測間隔為50毫秒，響應(yīng)時間可低至1秒

5、任何氣體的檢測量程都不受限制，同一部分析儀可測量下線幾個ppm，上線30%或100%

6、可集成全自動氣體連續(xù)采樣系統(tǒng)和標定系統(tǒng)

7、可集成全自動反吹和反沖洗系統(tǒng)

8、可集成檢測點壓力、溫度跟蹤系統(tǒng)

9、體積小，便于安裝和操作（僅家用微波爐大?。?/span>

10、標準數(shù)字OPC信號輸出（包括氣體檢測結(jié)果、壓力、溫度、流量，及分析儀狀態(tài)等參數(shù)）

11、維護簡單，只需定期清洗光學(xué)器件表面以及更換過濾器和干燥劑（周期六個月）；

12、使用壽命長，一般8年以上，光學(xué)器件壽命在5年以上；

缺點：儀器宣傳力度不夠，了解這種儀器及其工作原理的人不多，人們一時難以接受。光學(xué)器件國內(nèi)暫時做不到，都要靠國外提供。