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

氣，氦氣。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)。

2.1 

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

2.2

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，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)單說就是將待測(cè)

氣體連續(xù)不斷的通過一定長(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；

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，通過測(cè)

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(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

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

通過能斯特公式計(jì)算出來。

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(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，可通過測(cè)量氣體對(duì)激光的衰減來測(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，無其他氣體的交叉干擾，無需采樣，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

不同分子散射出來的光譜是特定不相同的，

這就是我們所稱的

“

拉曼散射光譜

”

。

拉曼激光氣體分析儀

RLGA

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。拉曼激光氣體分析儀

RLGA

根據(jù)這種原理，每種待測(cè)氣體的含量都是通過直接測(cè)

量得到的，不需要任何的導(dǎo)算；而且拉曼激光氣體分析儀

RLGA

的檢測(cè)精度更高；反應(yīng)速度更快。

優(yōu)點(diǎn)：

1

）能夠在線檢測(cè)幾乎所有的工業(yè)過程氣體種類（可測(cè)氣體種類已超過

100

種）。

2

）可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分散采樣，在化驗(yàn)室集中分析，也可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量，每秒鐘抽樣檢測(cè)達(dá)

20

次。

3

）可對(duì)氣體熱值進(jìn)行檢測(cè)分析。

4

）抽取式采樣，一臺(tái)分析儀可同時(shí)測(cè)量

8

種或者

16

種氣體，極適合復(fù)雜混合氣體測(cè)量。

所有測(cè)量結(jié)果均為直接測(cè)量所得，不需要導(dǎo)算。

5

）檢測(cè)間隔為

50

毫秒，響應(yīng)時(shí)間可低至

1

秒。

6

）氣體檢測(cè)量程不受限制，同一部分析儀可測(cè)量下線幾個(gè)

ppm

，上線為

100%

。

7

）可集成全自動(dòng)氣體連續(xù)采樣系統(tǒng)和標(biāo)定系統(tǒng)。

8

）可集成全自動(dòng)反吹和反沖洗系統(tǒng)。

9

）可集成檢測(cè)點(diǎn)壓力、溫度跟蹤系統(tǒng)。

10

）體積小，便于安裝和操作。

11

）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字

OPC

信號(hào)輸出（檢測(cè)結(jié)果、壓力、溫度、流量，及分析儀狀態(tài)等參數(shù)）。

12

）維護(hù)簡(jiǎn)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，不需要專業(yè)人員維護(hù)。

13

）使用壽命

8

年以上，光學(xué)儀器

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。