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氣體分析儀工作原理種類綜合介紹
各類氣體分析儀基本原理及特點(diǎn)
1,、質(zhì)譜儀的基本原理
質(zhì)譜儀又稱質(zhì)譜計(jì),，是分離和檢測(cè)不同同位素的儀器,。它根據(jù)帶電粒子在電磁場(chǎng)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(jìn)行分離和檢測(cè)物質(zhì)組成的一類儀器,。
具體工作過(guò)程為：質(zhì)譜儀以離子源,、質(zhì)量分析器和離子檢測(cè)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(guò)多的能量會(huì)進(jìn)一步碎裂成較小質(zhì)量的多種碎片離子和中性粒子,。它們?cè)诩铀匐妶?chǎng)作用下獲取具有相同能量的平均動(dòng)能而進(jìn)入質(zhì)量分析器。質(zhì)量分析器是將同時(shí)進(jìn)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，原理公式：q/m=2U/
（U為電壓,，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,，r為半徑） ,。分離后的離子依次進(jìn)入離子檢測(cè)器，采集放大離子信號(hào),，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理,，繪制成質(zhì)譜圖。
優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量氣體種類多,，測(cè)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(diǎn)：是價(jià)格偏高；儀器機(jī)構(gòu)復(fù)雜,，需要專業(yè)人員維護(hù),；要求環(huán)境高。
2,、氣相色譜儀的基本原理
檢測(cè)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?dú)猓?。氦氣有的分離柱效果,，氦氣用于熱導(dǎo)式測(cè)量組件，氫氣用于當(dāng)氦氣不能使用的場(chǎng)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(cè)混合物通過(guò)色譜柱（通常為填充柱和毛細(xì)管柱）與色譜柱內(nèi)固定相（我們把色譜柱內(nèi)不移動(dòng)，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(cè)器，從而得到各組分的檢測(cè)信號(hào),。按照導(dǎo)入檢測(cè)器的先后次序,，經(jīng)過(guò)對(duì)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(jì)算出各組分含量,。
主要特點(diǎn)
氣相色譜儀因?yàn)闄z測(cè)器的不同而具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。
- 氫火焰檢測(cè)器氣相色譜儀,。氫火焰檢測(cè)器 (FID, flame ionization detector)是利用氫火焰作電離源,，使被測(cè)物質(zhì)電離，產(chǎn)生微電流的檢測(cè)器,。它是破壞性的,、典型的質(zhì)量型檢測(cè)器。
優(yōu)點(diǎn)：
對(duì)幾乎所有的有機(jī)物均有響應(yīng)，特別是對(duì)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(duì) H2O、CO2和 CS2等無(wú)機(jī)物不敏感,；對(duì)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(jiǎn)單,、操作方便，死體積幾乎為零,。因此,，作為實(shí)驗(yàn)室儀器， FID得到普遍的應(yīng)用,，是zui常用的氣相色譜檢測(cè)器,。
缺點(diǎn)：
需要可燃?xì)怏w (氫氣 ) 、助燃?xì)怏w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(duì)突發(fā)性環(huán)境污染事件的分析與檢測(cè)就更加困難,，因?yàn)樗枰c(diǎn)“一把火 ”,增加了引燃,、引爆的潛在危險(xiǎn)性
2、熱導(dǎo)檢測(cè)器氣相色譜儀,。熱導(dǎo)檢測(cè)器( TCD, thermal conductivity detector)是利用被測(cè)組分和載氣熱導(dǎo)系數(shù)不同而響應(yīng)的濃度型檢測(cè)器（在一定濃度范圍（線性范圍）內(nèi),，響應(yīng)值R（檢測(cè)信號(hào)）大小與流動(dòng)相中被測(cè)組分濃度成正比（R∝C）），它是整體性能檢測(cè)器,，屬物理常數(shù)檢測(cè)方法,。
優(yōu)點(diǎn)：
它對(duì)所有的物質(zhì)都有響應(yīng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、性能可靠,、定量準(zhǔn)確、價(jià)格低廉,、經(jīng)久耐用,，又是非破壞性檢測(cè)器，因此,， TCD始終充滿著旺盛的生命力,。近十幾年來(lái)，配置于商品化氣相色譜儀的產(chǎn)量?jī)H次于 FID,應(yīng)用范圍較廣泛,。
缺點(diǎn)：
與其他檢測(cè)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(cè)的主要因素。以氦氣作載氣,，進(jìn)氣量為 2 mL時(shí),，檢出限可達(dá)
量級(jí)。因此,，使用這種檢測(cè)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(cè)，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(cè),。
3,、紅外線氣體分析儀基本原理
紅外線氣體分析儀的測(cè)量依據(jù)：
朗伯-比爾定律：其物理意義是當(dāng)一束平行單色光垂直通過(guò)某一均勻非
散射的吸光物質(zhì)時(shí),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(duì)紅外線的選擇性吸收,。紅外線分析儀常用的紅外線波長(zhǎng)為2~12μm,。簡(jiǎn)單說(shuō)就是將待測(cè)氣體連續(xù)不斷的通過(guò)一定長(zhǎng)度和容積的容器，從容器可以透光的兩個(gè)端面中的一個(gè)端面?zhèn)冗吷淙胍皇t外光,，然后在另一個(gè)端面測(cè)定紅外線的輻射強(qiáng)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(cè)氣體的濃度。
優(yōu)點(diǎn)：
1）測(cè)量范圍寬：可分析氣體上限達(dá)100%,，下限達(dá)幾個(gè) （ppm）的濃度,。進(jìn)行精細(xì)化處理后，還可以進(jìn)行痕量 (ppb)分析（物質(zhì)中含量在百萬(wàn)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(cè)靈敏度，氣體濃度有微小變化都能分辨出來(lái),；
3）測(cè)量精度高：一般都在 FS（滿量程）,不少產(chǎn)品達(dá)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(shí)間一般在10S以內(nèi)（達(dá)到T90的時(shí)間）,；
缺點(diǎn)：
不能分析對(duì)稱結(jié)構(gòu)無(wú)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(cè)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(jì)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(qiáng)度比上入射光強(qiáng)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(zhǎng)λ有關(guān),；c為吸光物質(zhì)的濃度,； b為吸收層厚度；當(dāng)光源,、波長(zhǎng)和樣品池厚度確定后,，它們就成了常數(shù)。這時(shí)透過(guò)樣品的光強(qiáng)度僅與樣品中待測(cè)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(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，可以測(cè)量SO2,、NOx,、HCl、NH3等氣體
缺點(diǎn)：測(cè)量度不高,，同等性能,、功能情況下儀器價(jià)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(guò)測(cè)定混合氣體熱導(dǎo)系數(shù)來(lái)推算其中某些組分的含量,。
優(yōu)點(diǎn)：熱導(dǎo)式分析儀器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、性能穩(wěn)定、價(jià)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(diǎn)：熱導(dǎo)式分析儀器對(duì)氣體的壓力波動(dòng),、流量波動(dòng)十分敏感,，介質(zhì)中水汽、顆粒等雜質(zhì)對(duì)測(cè)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(lái)測(cè)量氣體成分,。為了提高選擇性，防止測(cè)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(diǎn)：體積小,、檢測(cè)速度快,、準(zhǔn)確,、便攜、可現(xiàn)場(chǎng)直接檢測(cè)和連續(xù)檢測(cè),。
缺點(diǎn)：電化學(xué)式氣體分析儀中使用成本較大,，在實(shí)際使用中還會(huì)普遍存在取樣流量、氣體交叉干擾（電化學(xué)傳感器通過(guò)設(shè)置不同的電極電位,，使得傳感器對(duì)應(yīng)某一特定氣體敏感,，從而達(dá)到測(cè)定的目的，但對(duì)于電極電位相似的氣體,，會(huì)產(chǎn)生交叉干擾）以及預(yù)前處理等方面的問(wèn)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(cè)量含氧量的基本原理是利用所謂的“氧濃差電勢(shì)”，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(huì)出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。這種電動(dòng)勢(shì)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(shì),，而氧濃差電勢(shì)大小可以通過(guò)能斯特公式計(jì)算出來(lái)。
優(yōu)點(diǎn)：
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(jiǎn)單,，穩(wěn)定性好,、靈敏度高，響應(yīng)快等特點(diǎn),，輸出信號(hào)便于信號(hào)傳輸與處理，精度比較高,。
缺點(diǎn)：測(cè)量時(shí)易受溫度影響,，測(cè)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(jī)械式,、磁壓力式和氧熱磁對(duì)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(cè)氣體引至內(nèi)置磁場(chǎng),，氧分子在磁場(chǎng)內(nèi)順應(yīng)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng),，在懸掛的啞鈴球上產(chǎn)生推力，通過(guò)測(cè)量啞鈴球的偏移而得出被測(cè)氣體中的氧含量,。
優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快,，測(cè)量精度高，常用于過(guò)程控制,。
缺點(diǎn)：順磁氧對(duì)儀器環(huán)境要求高,，不能受到震動(dòng)，測(cè)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(jiǎn)稱,。DLAS技術(shù)本質(zhì)上是一種光譜吸收技術(shù)，通過(guò)分析激光被氣體的選擇性吸收來(lái)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(yuǎn)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(guò)被測(cè)氣體的光強(qiáng)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(duì)光的衰減也越大,。因此，可通過(guò)測(cè)量氣體對(duì)激光的衰減來(lái)測(cè)量氣體的濃度,。
優(yōu)點(diǎn)：
響應(yīng)測(cè)量時(shí)間可降到1秒,，無(wú)其他氣體的交叉干擾，無(wú)需采樣,，能現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量,，可以進(jìn)行非常低(ppb級(jí)和低ppm級(jí))的探測(cè)極限。
缺點(diǎn)：安裝復(fù)雜,，不好對(duì)儀器進(jìn)行維護(hù),，在測(cè)量過(guò)程易受被測(cè)氣體影響導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)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(gè)激光檢測(cè)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(gè)氣體測(cè)試腔內(nèi),。由于激光能量微弱，裝置內(nèi)部通過(guò)檢測(cè)腔兩端的反射鏡不斷進(jìn)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(lái)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(cè)腔內(nèi)壁裝有8個(gè)光學(xué)濾波器和光電傳感器，用來(lái)吸收和檢測(cè)不同分子的特定光譜頻率,，從而得到8種不同待測(cè)氣體成分含量,。根據(jù)這種原理，每種待測(cè)氣體的含量都是通過(guò)直接測(cè)量得到的,，不需要任何的導(dǎo)算,；RLGA的檢測(cè)精度更高；反應(yīng)速度更快,。
優(yōu)點(diǎn)：
1,、能現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)幾乎所有工業(yè)過(guò)程氣體（可測(cè)氣體超過(guò)100種）
2、樣氣采用抽取式,，進(jìn)入分析腔后,，一臺(tái)分析儀可同時(shí)測(cè)量8種氣體，適合復(fù)雜混合氣體測(cè)量
3,、所有測(cè)量值均為直接測(cè)量所得,，不需要導(dǎo)算
4、檢測(cè)間隔為50毫秒,，響應(yīng)時(shí)間可低至1秒
5,、任何氣體的檢測(cè)量程都不受限制，同一部分析儀可測(cè)量下線幾個(gè)ppm,，上線30%或100%
6,、可集成全自動(dòng)氣體連續(xù)采樣系統(tǒng)和標(biāo)定系統(tǒng)
7、可集成全自動(dòng)反吹和反沖洗系統(tǒng)
8,、可集成檢測(cè)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)字OPC信號(hào)輸出（包括氣體檢測(cè)結(jié)果,、壓力,、溫度、流量,，及分析儀狀態(tài)等參數(shù)）
11,、維護(hù)簡(jiǎn)單，只需定期清洗光學(xué)器件表面以及更換過(guò)濾器和干燥劑（周期六個(gè)月）,；
12、使用壽命長(zhǎng),，一般8年以上,，光學(xué)器件壽命在5年以上；
缺點(diǎn)：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(shí)難以接受,。光學(xué)器件國(guó)內(nèi)暫時(shí)做不到，都要靠國(guó)外提供,。