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各類氣體分析儀基本原理及特點

瀏覽次數: 日期:2018年10月17日

1、質譜儀的基本原理

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

具體工作過程為:質譜儀以離子源、質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量分析器。質量分析器是將同時進入其中的不同質量的離子,按荷質比q/m(q為電荷,m為質量)大小分離的裝置。分離后的離子依次進入離子檢測器,采集放大離子信號,經計算機處理,繪制成質譜圖。

優點:測量氣體種類多,測試速度快,靈敏度高,結果精確,穩定性和重復性

      也較高。

缺點:是價格偏高;儀器機構復雜,需要專業人員維護;要求環境高。

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)帶入,檢測混合物通過色譜柱(通常為填充柱和毛細管柱)與色譜柱內固定相(我們把色譜柱內不移動,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,并且依次導入檢測器,從而得到各組分的檢測信號。按照導入檢測器的先后次序,經過對比,可以區別出是什么組分,根據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缺點。

2、   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,使被測物質電離,產生微電流的檢測器。它是破壞性的、典型的質量型檢測器。

優點:

對幾乎所有的有機物均有響應,特別是對烴類化合物靈敏度高,而且響應值與碳原子數成正比;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,結構簡單、操作方便,死體積幾乎為零。因此,作為實驗室儀器,FID得到普遍的應用,是最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。因此,制作成一體化的便攜式儀器非常困難,特別是應對突發性環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、熱導檢測器氣相色譜儀。熱導檢測器( TCD, thermal conductivity detector)是利用被測組分和載氣熱導系數不同而響應的濃度型檢測器(在一定濃度范圍(線性范圍)內,響應值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,屬物理常數檢測方法。

優點:

它對所有的物質都有響應,結構簡單、性能可靠、定量準確、價格低廉、經久耐用,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量僅次于FID,應用范圍較廣泛。

缺點:

與其他檢測器相比,TCD的靈敏度低,這是影響其應用于環境分析與檢測的主要因素。使用這種檢測器的便攜式氣相色譜儀,不適于室內外一般環境污染物分析與檢測,大多用于污染源和突發性環境污染事故的分析與檢測。

3、紅外氣體分析儀基本原理

紅外氣體分析儀的測量依據:

   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

散射的吸光物質時,其吸光度與吸光物質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側邊射入一束紅外光,然后在另一個端面測定紅外線的輻射強度,最后依據紅外線的吸收與吸光物質的濃度成正比就可知道被測氣體的濃度。

優點:

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),不少產品達到FS。與其他分析手段相比,它的精度較高且穩定性好;反應速度快:響應時間一般在10S以內(達到T90的時間);

缺點:

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

4、紫外UV氣體分析儀的原理

紫外UV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,它與吸收物質的性質及入射光的波長λ有關;c為吸光物質的濃度;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。這時透過樣品的光強度僅與樣品中待測組分的濃度有關。紫外線氣體分析儀就是根據這一原理工作的。

優點:操作簡單,可以測量SO2、NOx、HCl、NH3等氣體

缺點:測量精確度不高,同等性能、功能情況下儀器價格比紅外線高。

5、熱導式氣體分析儀基本原理

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

優點:熱導式分析儀器是一種結構簡單、性能穩定、價廉、技術上較為成熟。適用的氣體種類較多,是一種基本的分析儀表

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

 

6、電化學式氣體分析儀基本原理

電化學式氣體分析儀是一種化學類氣體分析儀表。它根據化學反應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,一般采用隔膜結構。常用的電化學式分析儀有定位電解式和伽伐尼電池式。

優點:體積小、檢測速度快、準確、便攜、可現場直接檢測和連續檢測。

缺點:電化學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(電化學傳感器通過設置不同的電極電位,使得傳感器對應某一特定氣體敏感,從而達到測定的目的,但對于電極電位相似的氣體,會產生交叉干擾)以及預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。如果兩側氣體中含氧量不同,那么在兩電極間就會出現電動勢。這種電動勢是由于固體電解質兩側氣體含氧濃度不同而產生的,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。它結構簡單,穩定性好、靈敏度高,響應快等特點,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。

優點:響應速度快,測量精度高,常用于精確過程控制。

缺點:順磁氧對儀器環境要求高,不能受到震動,測量氣體單一

 

8、激光氣體分析儀

8.1.半導體激光氣體分析儀基本原理

DLAS(DiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)半導體激光吸收光譜技術的簡稱。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。

優點:

響應測量時間可降到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:安裝復雜,不好對儀器進行維護,在測量過程易受被測氣體影響導致測量結果不準確。

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。光子與氣體分子發生碰撞后發生散射,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。

優點:

1、能現場在線檢測幾乎所有工業過程氣體(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,不需要導算

4、檢測間隔為50毫秒,響應時間可低至1

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采樣系統和標定系統

7、可集成全自動反吹和反沖洗系統

8、可集成檢測點壓力、溫度跟蹤系統

9、體積小,便于安裝和操作(僅家用微波爐大小)

10、標準數字OPC信號輸出(包括氣體檢測結果、壓力、溫度、流量,及分析儀狀態等參數)

11、維護簡單,只需定期清洗光學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。光學器件國內暫時做不到,都要靠國外提供。

所屬類別: 行業新聞

該資訊的關鍵詞為:氣相色譜儀  紅外氣體分析儀  紫外UV氣體分析儀  順磁式氧分析儀 

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