气体分析仪种类综合介绍

各类气体分析仪基本原理及特点1、质谱仪的基本原理质谱仪又称质谱计，是分离和检测不同同位素的仪器。它根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。具体工作过程为：质谱仪以离子源、质量分析器和离子检测器为核心。离子源是使试样分子在高真空条件下离子化的装置。电离后的分子因接受了过多的能量会进一步碎裂成较小质量的多种碎片离子和中性粒子。它们在加速电场作用下获取具有相同能量的平均动能而进入质量分析器。质量分析器是将同时进入其中的不同质量的离子，按荷质比 q/m（q 为电荷，m 为质量）大小分离的装置，原理公式：q/m=2U/ （U 为电压，B 为磁感应强度，r 为半径） 。2r分离后的离子依次进入离子检测器，采集放大离子信号，经计算机处理，绘制成质谱图。 优点：测量气体种类多，测试速度快，灵敏度高，结果精确，稳定性和重复性也较高。缺点：是价格偏高；仪器机构复杂，需要专业人员维护；要求环境高。2、气相色谱仪的基本原理检 测 混 合 物 由 载 气 （ 载 气 特 性 为 惰 性 气 体 ， 不 应 与 样 品 和 溶剂 反 应 。 一 般 可 选 用 且 常 用 的 载 气 有 氢 气 ， 氮 气 ， 氦 气 。 氦 气 有最 好 的 分 离 柱 效 果 ， 氦 气 用 于 热 导 式 测 量 组 件 ， 氢 气 用 于 当 氦 气不 能 使 用 的 场 合 ， 另 一 为 氦 气 和 氢 气 的 混 合 气 可 得 到 较 快 的 响 应 ）带 入 ， 检 测 混 合 物 通 过 色 谱 柱 （ 通 常 为 填 充 柱 和 毛 细 管 柱 ） 与 色谱 柱 内 固 定 相 （ 我 们 把 色 谱 柱 内 不 移 动 ， 起 分 离 作 用 的 填 料 称 为固 定 相 ） 相 互 作 用 ， 这 种 相 互 作 用 大 小 的 差 异 使 各 混 合 物 各 组 分按 先 后 次 序 从 流 出 ， 并 且 依 次 导 入 检 测 器 ， 从 而 得 到 各 组 分 的 检测 信 号 。 按 照 导 入 检 测 器 的 先 后 次 序 ， 经 过 对 比 ， 可 以 区 别 出 是什 么 组 分 ， 根 据 峰 高 度 或 峰 面 积 可 以 计 算 出 各 组 分 含 量 。 主要特点气 相 色 谱 仪 因 为 检 测 器 的 不 同 而 具 有 不 同 的 优 缺 点 。2、 氢 火 焰 检 测 器 气 相 色 谱 仪 。 氢 火 焰 检 测 器 (FID, flame ionization detector)是 利 用 氢 火 焰 作 电 离 源 ， 使 被 测 物 质电 离 ， 产 生 微 电 流 的 检 测 器 。 它 是 破 坏 性 的 、 典 型 的 质 量 型检 测 器 。优点：对 几 乎 所 有 的 有 机 物 均 有 响 应 ， 特 别 是 对 烃 类 化 合 物 灵 敏 度 高 ，而 且 响 应 值 与 碳 原 子 数 成 正 比 ； 对 H2O、 CO2和 CS2等 无 机 物 不敏 感 ； 对 气 体 流 速 、 压 力 和 温 度 变 化 不 敏 感 。 它 的 线 性 范 围 宽 ，结 构 简 单 、 操 作 方 便 ， 死 体 积 几 乎 为 零 。 因 此 ， 作 为 实 验 室 仪 器 ，FID 得 到 普 遍 的 应 用 ， 是 最 常 用 的 气 相 色 谱 检 测 器 。缺 点 ：需 要 可 燃 气 体 (氢 气 ) 、 助 燃 气 体 和 载 气 三 种 气 源 钢 瓶 及 其 流速 控 制 系 统 。 因 此 ， 制 作 成 一 体 化 的 便 携 式 仪 器 非 常 困 难 ， 特 别是 应 对 突 发 性 环 境 污 染 事 件 的 分 析 与 检 测 就 更 加 困 难 ， 因 为 它 需要 点 “一 把 火 ”,增 加 了 引 燃 、 引 爆 的 潜 在 危 险 性2、 热 导 检 测 器 气 相 色 谱 仪 。 热 导 检 测 器 ( TCD, thermal conductivity detector)是 利 用 被 测 组 分 和 载 气 热 导 系 数 不 同 而响 应 的 浓 度 型 检 测 器 （ 在 一 定 浓 度 范 围 （ 线 性 范 围 ） 内 ， 响 应 值R（ 检 测 信 号 ） 大 小 与 流 动 相 中 被 测 组 分 浓 度 成 正 比 （ R C） ） ，它 是 整 体 性 能 检 测 器 ， 属 物 理 常 数 检 测 方 法 。优 点 ：它 对 所 有 的 物 质 都 有 响 应 ， 结 构 简 单 、 性 能 可 靠 、 定 量 准 确 、 价格 低 廉 、 经 久 耐 用 ， 又 是 非 破 坏 性 检 测 器 ， 因 此 ， TCD 始 终 充满 着 旺 盛 的 生 命 力 。 近 十 几 年 来 ， 配 置 于 商 品 化 气 相 色 谱 仪 的 产量 仅 次 于 FID,应 用 范 围 较 广 泛 。缺 点 ：与 其 他 检 测 器 相 比 ， TCD 的 灵 敏 度 低 ， 这 是 影 响 其 应 用 于 环 境 分析 与 检 测 的 主 要 因 素 。 以 氦 气 作 载 气 ， 进 气 量 为 2 mL 时 ， 检 出限 可 达 量 级 。 因 此 ， 使 用 这 种 检 测 器 的 便 携 式 气 相 色 谱 仪 ，106不 适 于 室 内 外 一 般 环 境 污 染 物 分 析 与 检 测 ， 大 多 用 于 污 染 源 和 突发 性 环 境 污 染 事 故 的 分 析 与 检 测 。3、红外线气体分析仪基本原理红 外 线 气 体 分 析 仪 的 测 量 依 据 ：朗 伯 -比 尔 定 律 ： 其 物 理 意 义 是 当 一 束 平 行 单 色 光 垂 直 通 过 某一 均 匀 非散 射 的 吸 光 物 质 时 ,其 吸 光 度 与 吸 光 物 质 的 浓 度 及 吸 收 层 厚 度 成 正比 。红 外 线 气 体 分 析 仪 工 作 原 理 ：基 于 某 些 气 体 对 红 外 线 的 选 择 性 吸 收 。 红 外 线 分 析 仪 常 用 的 红外 线 波 长 为 212 m。 简 单 说 就 是 将 待 测 气 体 连 续 不 断 的 通 过 一定 长 度 和 容 积 的 容 器 ， 从 容 器 可 以 透 光 的 两 个 端 面 中 的 一 个 端 面侧 边 射 入 一 束 红 外 光 ， 然 后 在 另 一 个 端 面 测 定 红 外 线 的 辐 射 强 度 ，最 后 依 据 红 外 线 的 吸 收 与 吸 光 物 质 的 浓 度 成 正 比 就 可 知 道 被 测 气体 的 浓 度 。优 点 ： 1） 测 量 范 围 宽 ： 可 分 析 气 体 上 限 达 100%， 下 限 达 几 个 （ ppm）的 浓 度 。 进 行 精 细 化 处 理 后 ， 还 可 以 进 行 痕 量 (ppb)分 析 （ 物质 中 含 量 在 百 万 分 之 一 以 下 组 合 的 分 析 方 法 ） ；2） 灵 敏 度 高 ： 具 有 很 高 的 监 测 灵 敏 度 ， 气 体 浓 度 有 微 小 变 化 都 能分 辨 出 来 ；3） 测 量 精 度 高 ： 一 般 都 在 FS（ 满 量 程 ） ,不 少 产 品 达 到 FS。与 其 他 分 析 手 段 相 比 ， 它 的 精 度 较 高 且 稳 定 性 好 ； 反 应 速 度 快 ：响 应 时 间 一 般 在 10S 以 内 （ 达 到 T90 的 时 间 ） ；缺 点 ：不 能 分 析 对 称 结 构 无 极 性 双 原 子 分 子 （ 如 、 、 ）22及 单 原 子 分 子 气 体 （ He、 Ne、 Ar） ， 或 者 需 要 和 其 他 检 测 器 使 用 。4、紫外线气体分析仪的原理紫 外 线 气 体 分 析 仪 是 可 见 分 光 光 度 计 中 的 一 种 ， 其 分 析 方 法 属 于紫 外 吸 收 光 谱 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 为 吸 光 度 ； T 为 透 射 比 ， 是 透 射 光 强 度 比 上 入 射 光 强 度 K 为 摩 尔 吸 收 系 数 ， 它 与 吸 收 物 质 的 性 质 及 入 射 光 的 波 长 有关 ； c 为 吸 光 物 质 的 浓 度 ； b 为 吸 收 层 厚 度 ； 当 光 源 、 波 长 和 样品 池 厚 度 确 定 后 ， 它 们 就 成 了 常 数 。 这 时 透 过 样 品 的 光 强 度 仅 与样 品 中 待 测 组 分 的 浓 度 有 关 。 紫 外 线 气 体 分 析 仪 就 是 根 据 这 一 原理 工 作 的 。优点：操 作 简 单 ， 可 以 测 量 SO2、 NOx、 HCl、 NH3 等 气 体缺点：测 量 精 确 度 不 高 ， 同 等 性 能 、 功 能 情 况 下 仪 器 价 格 比 红 外线 高 。5、热导式气体分析仪基本原理热 导 式 气 体 分 析 仪 是 一 种 物 理 类 的 气 体 分 析 仪 表 。 它 根 据 不同 气 体 具 有 不 同 的 热 传 导 能 力 的 原 理 ， 通 过 测 定 混 合 气 体 热 导 系数 来 推 算 其 中 某 些 组 分 的 含 量 。优 点 ： 热 导 式 分 析 仪 器 是 一 种 结 构 简 单 、 性 能 稳 定 、 价 廉 、 技 术上 较 为 成 熟 。 适 用 的 气 体 种 类 较 多 ， 是 一 种 基 本 的 分 析 仪 表缺 点 ： 热 导 式 分 析 仪 器 对 气 体 的 压 力 波 动 、 流 量 波 动 十 分 敏 感 ，介 质 中 水 汽 、 颗 粒 等 杂 质 对 测 量 影 响 较 大 ， 所 以 必 须 安 装 复 杂 的采 样 预 处 理 系 统 。6、电化学式气体分析仪基本原理电 化 学 式 气 体 分 析 仪 是 一 种 化 学 类 气 体 分 析 仪 表 。 它 根 据 化学 反 应 所 引 起 的 离 子 量 的 变 化 或 者 电 流 变 化 来 测 量 气 体 成 分 。 为了 提 高 选 择 性 ， 防 止 测 量 电 极 表 面 沾 污 和 保 持 电 解 液 性 能 ， 一 般采 用 隔 膜 结 构 。 常 用 的 电 化 学 式 分 析 仪 有 定 位 电 解 式 和 伽 伐 尼 电池 式 。优 点 ： 体 积 小 、 检 测 速 度 快 、 准 确 、 便 携 、 可 现 场 直 接 检 测 和 连续 检 测 。缺 点 ： 电 化 学 式 气 体 分 析 仪 中 使 用 成 本 较 大 ， 在 实 际 使 用 中 还 会普 遍 存 在 取 样 流 量 、 气 体 交 叉 干 扰 （ 电 化 学 传 感 器 通 过 设 置 不 同的 电 极 电 位 ， 使 得 传 感 器 对 应 某 一 特 定 气 体 敏 感 ， 从 而 达 到 测 定的 目 的 ， 但 对 于 电 极 电 位 相 似 的 气 体 ， 会 产 生 交 叉 干 扰 ） 以 及 预前 处 理 等 方 面 的 问 题 。7、氧分析仪按原理分为氧化钴、顺磁性。7.1.氧化钴分析仪基本原理氧 化 钴 分析仪测 量 含 氧 量 的 基 本 原 理 是 利 用 所 谓 的 “氧 浓 差电 势 ”， 即 在 一 块 氧 化 钴 两 侧 分 别 附 以 多 孔 的 铂 电 极 （ 又 称 铂 黑 ）并 使 其 处 于 高 温 下 。 如 果 两 侧 气 体 中 含 氧 量 不 同 ， 那 么 在 两 电 极间 就 会 出 现 电 动 势 。 这 种 电 动 势 是 由 于 固 体 电 解 质 两 侧 气 体 含 氧浓 度 不 同 而 产 生 的 ， 所 以 叫 氧 浓 差 电 势 ， 而 氧 浓 差 电 势 大 小 可 以通 过 能 斯 特 公 式 计 算 出 来 。优点：一般用于烟道排放或燃烧控制，取样探头可耐高温及耐腐蚀，安装方式为直接插入式或抽取式。它结 构 简 单 ， 稳 定 性 好 、 灵 敏 度高 ， 响 应 快 等 特 点 ， 输 出 信 号 便 于 信 号 传 输 与 处 理 ， 精 度 比 较 高 。缺点：测 量 时 易 受 温 度 影 响 ， 测 量 气 体 单 一 。7.2.顺磁性分析仪基本原理顺磁式氧分析仪，也可叫做磁效应式氧分析仪、或磁式氧分析仪，我们通常通称为磁氧分析仪。它一般分为磁机械式、磁压力式和氧热磁对流式分析仪三种该类型。顺磁性氧分析仪利用氧分子具有顺磁性，被测气体引至内置磁场，氧分子在磁场内顺应磁场运动，在悬挂的哑铃球上产生推力，通过测量哑铃球的偏移而得出被测气体中的氧含量。优点：响应速度快，测量精度高，常用于精确过程控制。缺点：顺磁氧对仪器环境要求高，不能受到震动，测 量 气 体 单 一8、激光气体分析仪8.1.半导体激光气体分析仪基本原理DLAS(DiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)半导体激光吸收光谱技术的简称。D LAS 技 术 本 质 上 是 一 种 光 谱 吸 收 技 术 ， 通 过 分 析激 光 被 气 体 的 选 择 性 吸 收 来 获 得 气 体 的 浓 度 。 它 与 传 统 红 外 光 谱吸 收 技 术 的 不 同 之 处 在 于 ， 半 导 体 激 光 光 谱 宽 度 远 小 于 气 体 吸 收谱 线 的 展 宽 。 因 此 ， DLAS 技 术 是 一 种 高 分 辨 率 的 光 谱 吸 收 技 术 ，半 导 体 激 光 穿 过 被 测 气 体 的 光 强 衰 减 可 用 朗 伯 -比 尔 （ Lambert-Beer） 定 律 表 述 式 得 出 ， 关 系 式 表 明 气 体 浓 度 越 高 ， 对 光 的 衰 减也 越 大 。 因 此 ， 可 通 过 测 量 气 体 对 激 光 的 衰 减 来 测 量 气 体 的 浓 度 。优点：响 应 测 量 时 间 可 降 到 1 秒 ， 无 其 他 气 体 的 交 叉 干 扰 ， 无 需 采样 ， 能 现 场 在 线 测 量 ， 可 以 进 行 非 常 低 (ppb 级 和 低 ppm 级 )的 探测 极 限 。缺点：安 装 复 杂 ， 不 好 对 仪 器 进 行 维 护 ， 在 测 量 过 程 易 受 被 测 气体 影 响 导 致 测 量 结 果 不 准 确 。8.2.拉曼激光气体分析仪基本原理拉 曼 激 光 气 体 分 析 仪 RLGA 的 核 心 部 分 是 一 个 激 光 检 测 装 置 ，其 中 的 氦 氖 激 光 器 可 以 发 射 一 种 安 全 的 低 功 率 单 波 激 光 到 一 个 气体 测 试 腔 内 。 由 于 激 光 能 量 微 弱 ， 装 置 内 部 通 过 检 测 腔 两 端 的 反射 镜 不 断 进 行 反 射 ， 将 能 量 放 大 1000 倍 左 右 。 光 子 与 气 体 分 子发 生 碰 撞 后 发 生 散 射 ， 产 生 一 种 不 同 于 激 光 频 谱 的 光 谱 ， 而 且 不同 分 子 散 射 出 来 的 光 谱 是 特 定 不 相 同 的 ， 这 就 是 我 们 所 称 的 “拉曼 散 射 光 谱 ”。 检 测 腔 内 壁 装 有 8 个 光 学 滤 波 器 和 光 电 传 感 器 ，用 来 吸 收 和 检 测 不 同 分 子 的 特 定 光 谱 频 率 ， 从 而 得 到 8 种 不 同 待测 气 体 成 分 含 量 。 根 据 这 种 原 理 ， 每 种 待 测 气 体 的 含 量 都 是 通 过直 接 测 量 得 到 的 ， 不 需 要 任 何 的 导 算 ； RLGA 的 检 测 精 度 更 高 ； 反应 速 度 更 快 。优点：1、 能 现 场 在 线 检 测