[科普中國]-氣體分析器

基本概念

氣體分析器，又稱氣體分析儀，是用于分析氣體組成成分的儀表，屬于流程分析儀表中的一種。其基本原理是利用氣體傳感器來檢測環(huán)境中存在的氣體種類1。

典型的氣體分析器激光氣體分析儀（1）DLAS(DiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)半導體激光吸收光譜技術

DLAS技術本質上是一種光譜吸收技術，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)紅外光譜吸收技術的不同之處在于，半導體激光光譜寬度遠小于氣體吸收譜線的展寬。因此，DLAS技術是一種高分辨率的光譜吸收技術，半導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。

（2）拉曼激光氣體分析儀

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。由于激光能量微弱，裝置內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”。檢測腔內壁裝有8個光學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，不需要任何的導算；RLGA的檢測精度更高；反應速度更快2。

氧分析儀按照原理分為：

（1）氧化鈷，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。

（2）順磁式，該類型分析儀響應速度快，測量精度高，常用于精確過程控制。順磁性氧分析儀利用氧分子具有順磁性，被測氣體引至內置磁場，氧分子在磁場內順應磁場運動，在懸掛的啞鈴球上產生推力，通過測量啞鈴球的偏移而得出被測氣體中的氧含量。

（3）電化學氧分析儀，用于微量氧含量測量。

紅外分析儀紅外分析儀根據(jù)Lambert-Beer定律，并采用NDIR（非色散紅外）原理，可選擇性在波長2-9um范圍內測量多種組分，例如：一氧化碳，二氧化碳，二氧化硫，甲烷，一氧化氮以及一些簡單碳氫化合物。

NDIR型紅外分析儀按照光學系統(tǒng)劃分，可分為雙光路和單光路兩種：

（1）雙光路：從兩個相同光源或一個精確分配的單光源，發(fā)出兩路彼此平行的光束，分別通過分析氣室后和參比氣室后進入檢測器。

（2）單光路：從光源發(fā)出單束紅外光，利用切光裝置將紅外光調制成不同波長的光束，輪流通過分析氣室進入檢測器。

氣相色譜儀氣相色譜儀應含有原件：

（1）載氣：將樣品傳輸至色譜分離柱，之后至測量組件，載氣特性為惰性氣體，不應與樣品和溶劑反應。一般可選用且常用的載氣有氫氣，氮氣，氦氣。氦氣有最好的分離柱效果，氦氣用于熱導式測量組件，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。

（2）取樣閥門，周期性地注入色譜柱分析所需要的測量樣品。

（3）分離色譜柱，將樣品分離為單個成分，分離色譜柱種類有成套分離柱和毛細管分離柱。

（4）檢測器，用于測量每個成分的組件，檢測器約有這些種類：

1）熱導檢測器（TCD）

2）氫火焰離子化檢測器（FID）

3）火焰光度檢測器（FPD）

4）電子捕獲檢測器

5）質譜檢測器。

質譜儀質譜分析法是利用不同離子在電場或者磁場中運動軌跡的不同，把離子按質荷比分離而得到質量圖譜，可以得到樣品的定性定量結果。質譜儀按照常用的質量分離器不同可分為掃描磁扇式磁場質譜儀和四極質譜儀，飛行時間質譜儀等幾種類型。目前工業(yè)應用上通常采用的是掃描磁扇式質譜儀。四極質譜儀的靈敏度高，適合實驗室或科學研究。掃描磁扇式的穩(wěn)定性和重復性較高，適合工業(yè)應用。

工業(yè)質譜儀主要由進樣系統(tǒng)、離子源、質量分析器和離子檢測器、真空系統(tǒng)、和與之配套的監(jiān)測與控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)七個部分組成3。

氣體分析器的應用1、氣體分析儀在化學反應生產中的應用

氣體分析儀多應用于存在化學反應的生產過程，例如氨氣合成流程中，在使用溫度儀表和壓力儀表控制反應環(huán)境以外，還需要使用氣體分析儀表來分析進氣的化學成分，控制氫氣和氨氣之間的合理比例，這樣才能最大限度的提高氨氣合成率，而獲得較高的生產效率。

2、氣體分析儀在鍋爐燃燒中的應用

氣體分析儀在鍋爐燃燒控制中也起到了非常重要的作用。氣體分析儀多應用于鍋爐燃燒時的燃料供給控制，幫助操作人員調節(jié)燃料與助燃劑之間的比例成分。氣體分析儀在鍋爐燃燒中還起到了煙道化學成分分析的作用，據(jù)此操作人員可以恰當調整助燃空氣的供給量。

3、氣體分析儀在有毒有害氣體監(jiān)控上的應用

氣體分析儀在工廠廢氣排放方面，特別是有毒有害氣體排放上，也起到了非常重要的作用。氣體分析儀的作用是對有毒有害氣體進行連續(xù)的監(jiān)控，防止有毒有害氣體的濃度過高，威脅到工作人員的安全，或引起爆炸等惡性事故1。

氣體分析器的應用難點1、氣體分析是實現(xiàn)一系列的化工過程

一臺氣體分析儀或一套氣體分析系統(tǒng)相當于一套完整的化工工藝設備，因此，氣體分析儀器系統(tǒng)工作過程就是在實現(xiàn)一系列的化工過程。若想通過氣體分析得到準確數(shù)據(jù)，就必須了解這一系列化工過程中各階段的情況及變化，認真研究并掌握其中的規(guī)律，只有這樣才能達到準確測定的目的。應當指出，不僅在一臺氣體分析儀器內部具備一套化工工藝過程的同樣情況和條件，而且，有時在儀器前級的樣氣預處理部分（含取樣系統(tǒng)）也同樣是一套化工工藝過程。如遇到較復雜、較特殊的工藝技術條件的話，那么樣氣預處理系統(tǒng)所體現(xiàn)的化工過程還是非常復雜的，相當于一個小化工廠的凈化處理工藝過程。由此可見，氣體分析的過程就是在了解并掌握整個化工過程系統(tǒng)條件的前提下，嚴格控制各種影響測定條件的因素，從而得到工藝及管理人員所需要的準確數(shù)據(jù)。

2、應用過程中控制影響因素和排除干擾因素困難較大

在儀器應用的過程中，影響因素種類較多且變化較復雜，而要想有效地控制這些影響因素及排除干擾測定的因素則困難比較大。例如微量氧的測定，不但要嚴格控制系統(tǒng)材質和密封，而且系統(tǒng)的潔凈等諸多因素也必須逐一解決好，否則，氧成分分析不會得到準確的測定結果。而對于氣體中微量水含量的測定，除了考慮以上提到的各種影響因素外，還必須考慮到樣氣中的水在管道內的吸附平衡問題，而這一問題的妥善處理必須依靠反復試驗，了解其變化情況和規(guī)律，掌握其中的操作技術，以便得到準確無誤的結果。當然，使用氣相色譜儀測定高純氣體中ppm—ppb級雜質成分含量要考慮和控制的影響因素就更加復雜了。

3、微量氣體成分分析的影響因素更復雜

氣體成分在管道及設備中流動時發(fā)生的微觀變化是復雜的、多變的。在常量氣體成分分析時可以忽略的諸多影響因素，在微量氣體成分分析時不僅不能忽略，反而必須認真對待，此時，這些因素已經(jīng)成為影響微量氣體成分分析正確結果的主要矛盾，必須逐一排除和解決才能使微量氣體分析儀器工作順利完成。這些影響因素主要包括以下幾個方面：①取樣管路內氣體多次的反復混合；②管壁與氣體成分的物理化學作用；③管路材質；④管路連接方式；⑤管路潔凈程度。

4、儀器和方法驗證是獲得準確數(shù)據(jù)的關鍵之一

儀器作為一種計量檢測工具，在正常運行情況下，給出的數(shù)據(jù)絕大多數(shù)都是相對量值，測定數(shù)據(jù)是否準確及準確的程度（精度），儀器本身是無法提供的，也是無法證實的。必須依靠外圍技術工作完成，這就是分析數(shù)據(jù)的驗證工作。

（1）儀器線性關系的驗證。首先，為確保儀器的正常運行，分析儀器作為計量儀器的一種，必須每年經(jīng)過權威計量部門按照國家制訂的規(guī)程進行檢測，方能許可使用。同時，每年還需要用系列標準氣體檢查儀器在整個線性范圍內的線性關系是否保持正常的狀態(tài)。否則盲目相信分析儀器（即使是進口儀器）的完好程度肯定會使錯誤的數(shù)據(jù)導致生產管理及質量管理上的失誤。

（2）誤差分析。在分析儀器的應用過程中，對于每一次測定結果的數(shù)據(jù)，必須作出誤差分析，以確定數(shù)據(jù)分析的真實性、可靠性和可信程度。一個合格的分析工作者是不會也不應該隨隨便便地把每次分析測定的結果上報或公布的。一般是在測定結果得出后，經(jīng)過誤差分析，在確定分析數(shù)據(jù)的誤差總和小于規(guī)定的允許誤差時，才將這一個（或一組）數(shù)據(jù)視為正確測定結果上報或公布。否則，不準確的數(shù)據(jù)會給生產管理者帶來嚴重的不良后果。

（3）定量分析常用的儀器校正。氣體分析儀作為一種定量分析儀器，在做定量分析前必須使用標準氣進行校正（或標定）。標準氣一般是從國家計量部門或合法工廠購買的，在特殊情況下，也可以自行配置（但要具有配置標準氣的資格和能力以及相關的設備）。標準氣保質期為一年，在使用標準氣校正分析儀器時，還必須深入了解正常手續(xù)和使用規(guī)律。如果購買和使用不合乎要求的標準氣，會導致分析數(shù)據(jù)的極大偏差。如果對標準氣的使用要求不甚了解，也會因得不到準確數(shù)據(jù)結果，給空分生產帶來麻煩2。