小型气体分析仪的原理

本文介绍了检测沼气成分的五种主要方法:奥氏气体分析法、热催化燃烧检测法、热导元件检测法、气相色谱GC检测法、红外气体分析法，分析了这五种检测方法的特点及其在我国沼气服务体系中的适应性，并总结了目前最适宜我国大中型沼气工程沼气成分监测的分析方法是红外沼气成分分析技术。1、奥氏气体分析法 奥氏气体分析法是一种经典的化学式手动分析方法，该方法是利用溶液吸收法来测定CO、CO2和O2浓度，CH4和H2浓度则在爆炸燃烧法后用吸收法测定，剩余气体为N2。目前传统的奥氏气体分析方法在沼气成分检测中应用较少。针对农村沼气服务体系的特定应用，通常采用检测管法，该方法操作更简便，常用的检测管有H2S、O2、CO2、CO等，但没有直接测量CH4浓度的检测管，CH4浓度是通过计算所得，即100%-[ CO2 ]-[空气]-[H2S]-[ CO ]等，因此存在一定误差。 奥氏气体分析仪具有结构简单、价格便宜、维修容易等优点，常用于CO2、O2、CO、H2、烃类等气体浓度的测定，在实验室里应用广泛。但该仪器长期运行成本高，仅每年购买试剂和玻璃器皿至少要1万多元，且必须对气体进行人工取样，才可在实验室内进行分析，其中分析人员的操作技能和“态度”对分析的精确度也有着较大影响。同时奥氏气体分析仪只能对单一成分逐个进行检测分析，不具备多重输入和信号处理功能，分析费时，操作繁琐，响应速度慢，效率低，难以实时在线地分析现场工况，现逐渐被全自动分析仪器替代。2、热催化燃烧检测方法 热催化燃烧检测方法是利用两只热催化（黑白）元件——补偿元件和桥臂电阻构成惠斯顿电桥加一恒定电压，将铂丝加热到500℃，当遇到空气中的可燃气体时，测量元件在催化剂的作用下，在元件表面发生催化反应，使得温度升高，阻值增大，电桥输出不平衡，以此来测定甲烷浓度。该方法是检测甲烷泄漏最简单、经济的方法，在我国煤矿安全检测领域具有广泛应用。但载体催化元件只能检测0~4％的甲烷浓度，当空气中甲烷浓度超过5％后，元件会发生“激活”现象，造成永久损坏。同时检测设备需要频繁标定，热催化元件的仪器使用寿命一般在1年内，精度较差（10%），而在高H2S条件下，易造成传感器中毒甚至报废，使用寿命大大缩短。3、热导元件检测方法 不同气体的导热系数存在差别，热导元件检测方法就是根据这一特性，来测定气体的体积浓度。沼气的主要成分是CH4和CO2 ，被测沼气的导热系数由CH4和CO2共同决定。对于彼此之间无相互作用的多组分气体,其导热系数可近似地认为是各组分导热系数浓度的加权平均值。因此,根据沼气的导热系数与各组分导热系数之间的关系,就可以实现沼气多组分气体浓度的测定。 目前该检测方法已广泛应用在煤矿瓦斯抽排领域，也可用于沼气中甲烷浓度的测量。但该类型传感器使用寿命一般在2年左右，且该传感器对于低浓度测量，具有较大局限性，如无法测量浓度低于5%的甲烷浓度，如果用于甲烷的泄露报警将会造成较大误差。4、气相色谱GC检测方法 气相色谱GC分析方法是利用气体物理吸附能力的差别，将采样的气体在色谱中分离然后,热导检测器通过热电阻与被测气体之间热交换和热平衡来实现其CH4、CO2、O2等气体浓度的检测，该检测方法分离效能高，对物理化学性能很接近的复杂混合物质都可以进行定性、定量检测，灵敏度较高。气相色谱分析原理示意图 由于柱温与载气对分离结果的具有较大影响，其中柱温对分离结果的影响比载气的大，所以在检测过程中，除了要经常更换色谱柱外，还需要对色谱柱温和载气流速进行适度的调节，以免影响分离结果造成误差。同时色谱价格相对较贵，需要采样，不能实现在线分析。5、红外气体分析方法 当对应某一气体特征吸收波长的光波通过被测气体时，其强度将明显减弱，强度衰减程度与该气体浓度有关，两者之间的关系遵守朗伯一比尔定律，也就是红外光谱检测方法的基本原理。红外气体分析技术作为一种快速、准确的气体分析技术在实际应用中十分普遍。由于该方法是采用物理原理，分析气体不与传感器发生反应，因此传感器使用寿命很长，该类型传感器不仅可以用于测量沼气泄露的低浓度报警，也可以用于高浓度的沼气成分测量。 由上表可知，红外气体分析技术相较于奥氏、热催化、热导元件、气相色谱气体分析技术，具有响应时间快、灵敏度高、使用寿命长、仪器操作方便等优势。但对国内用户而言，红外气体分析技术普遍存在NDIR传感器价格昂贵、维护困难、产品质量参差不齐等问题。针对这些问题，四方仪器对NDIR传感器进行了升级，将红外传感器进行模块化设计，一个传感器对应检测一个气体组分，拆卸维护方便，使得仪器在体积、性能、维护、价格上具有以往仪器无法比拟的优势。 如沼气分析仪（智能便携型）Gasboard-3200Plus，采用自主知识产权的模块化红外传感器，可实现CO、CO2、CH4等多组分气体浓度的快速测量。同时其H2S、O2浓度测量可拓展，流速、流量可采集，体积轻量化，APP终端智能化等创新设计，弥补了沼气成分、流量一台仪器不可同时测量，长距离、大规模沼气项目监测设备不易携带，监测数据获取流程复杂等的不足，可广泛用于生物沼气、污水处理废气和垃圾填埋气体等沼气成分的可靠准确且经济有效的监测。在满足行业标准应用的同时，仪器测量组分还可根据用户需求定制，轻巧便携，实用性大大提高。模块化红外气体传感器工作原理6、结论 在沼气技术服务体系建设中，气体分析仪发挥了十分重要的作用，在选择配置时需要考虑仪器的使用寿命、功能、质量保障体系、实用性、性价比等因素。在奥氏吸收、热导元件、热催化、气相色谱、红外光谱的气体分析仪中，从寿命、功能、实用性等方面考虑，可优先选择红外方法的仪器；如果仅测量甲烷浓度或检测泄露，可以考虑基于热导和热催化原理的仪器；如果用于实验室定性与定量的精准测量，也可以考虑色谱分析方法。 但随着沼气生产和过程控制要求的逐渐提高，不断实现技术创新升级的红外沼气分析仪将逐渐取代奥氏吸收、热导元件、热催化、气相色谱等气体成分检测技术，成为我国大中小型沼气工程沼气成分监测与工艺过程调控必不可少的气体成分监测设备。（来源：沼气圈）

谱育科技EXPEC 3050 手持式挥发性有机气体分析仪基于FID原理仅2kg，单手可拎持可拓展为FID+PID版本VOCs监察执法新利器■ 不同于业界现有手持VOCs分析仪采用PID检测器的情况，EXPEC 3050 手持式挥发性有机气体分析仪是一款基于FID原理的手持式VOCs分析仪，仪器还可以拓展为FID+PID的版本。■ 仪器符合《挥发性有机物无组织排放控制标准》（GB37822-2019）、《泄漏和敞开液面排放的挥发性有机物检测技术导则》（HJ733-2014）、《地块土壤和地下水中挥发性有机物采样技术导则》（HJ1019-2019）等标准。# 仪器特色 #01FID原理在检测总烃时，FID检测器相较于PID检测器更加准确。FID对所有VOCs有响应，响应和碳成正比；PID仅对部分VOCs有些响应，且对无机物也有响应。02更轻巧首次将FID原理仪器的重量降低到2kg，约同类型的50%。03更方便采用氢气发生器充气，解决找不到氢气源的烦恼。04更简单仅需2步即可出结果，并且用户能够通过面板进行检测数据查看、校准和参数设置等功能。05更安全氢气采用小型的储氢合金，仪器运输和存放更安全。# 应用领域 #固定污染源VOCs快速检测无组织现场VOCs快速检测土壤中VOCs快速筛查加油站、储油库及油品运输的VOCs检测VOCs治理设施的效果评估各种场合VOCs泄漏检测......

在第一台激光器诞生60多年后的今天, 随着激光光源、探测技术、实验装置和数据处理等各方面技术的飞跃发展, 激光光谱技术作为微观感知领域的核心技术, 已经成为物理、化学、生物、环境以及天文学等领域中研究光与物质相互作用的重要手段, 从实验室基础研究到各领域应用第一线都扮演着无可替代的角色。拉曼光谱技术早有布局，突破工业过程气体分析技术瓶颈在工业过程气体监测领域，傅里叶红外（FITR)、质谱(MS)、气相色谱(GC)等原理的气体分析仪各有优点。傅里叶红外技术一个气室很难适合不同的量程，也无法分析H2、02、N2甚至不同的碳氢化合物；质谱分析技术对于同质量的气体分子识别度很低；气相色谱分析需要载气，对于不同类型气体需要切换不同的分离柱。而得益于激光技术的普及以及各种高精度光谱分析模块的出现，激光拉曼光谱气体分析技术发展迅速。该产品主要定位于石油天然气、页岩气、石化、大型煤化工等工业过程高端市场。四方光电副总经理、高级工程师石平静向记者介绍：随着我国对大型能源装备国产化要求的提高，针对高端气体分析仪器领域进口替代需求，为加快解决激光拉曼光谱气体分析仪在不同行业的应用问题，公司早在2012年就开始着手激光拉曼光谱气体分析仪的研究，并作为牵头单位实施国家重大科学仪器设备开发专项“激光拉曼光谱气体分析仪器的研发与应用”项目。通过开发专项的研发，四方光电形成了包括光路及光谱分析、拉曼信号增强、拉曼分析测控软件、智能算法等技术，解决了激光器功率、温度、压力等外部因素的波动对测量精度的影响问题，共获授10项发明专利。通过拉曼信号增强的技术突破及自主研制宽光谱范围的拉曼光谱分析模块，四方光电激光拉曼光谱气体分析仪可以满足天然气多组分快速同步分析。分析时间由原先行业的100秒至几十分钟缩短为10秒，提高了10倍以上；可快速测量CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、C4+、CO、CO2、H2、O2、N2、H2S、H2O、CH3OH、CH3-NO、NO等十余种气体，用一台激光拉曼光谱气体分析仪，配套采用不同应用场景的行业应用软件，就可以解决天然气页岩气成分、煤气化、高炉转炉焦炉、石油炼化等工业流程多组分气体在线监测的行业难点。图1：四方光电激光拉曼光谱气体分析仪（左：实验室台式分析仪 右：在线防爆型分析系统）深耕TDLAS技术，筑就气体分析产业高地近红外和中红外光谱区域新激光器的可用性又推动了气体测量传感器的发展，这些传感器现在广泛应用于工业过程。基于可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS) 分子，如 O2、CH4、H2O、CO、CO2、NH3、HCI和HF，可以在连续、实时操作中以高选择性和灵敏度进行原位检测。使用波长调制光谱 (WMS) 等灵敏的检测技术，通常可以在1秒的积分时间内进行低 ppb和ppm浓度测量。检测限值可以通过使用抽取式采样和长的多通道池来提高。当前TDLAS 已成为工业过程中用于困难测量任务的公认技术，因为它与高温、高压、粉尘水平和腐蚀性介质兼容，可以确定气体浓度、温度、速度和压力。石平静表示，基于四方光电气体传感技术平台，打造高端气体分析科学仪器是公司重要的长期战略。公司深耕激光TDLAS技术研究多年，旨在提升基于激光光谱测量技术的专业能力，进一步聚焦实验室和过程分析领域，实现业务可持续性发展，为工业客户提供从产品研发和工艺流程设计，到生产制造和质量控制的全方位专业支持。基于对TDLAS技术及激光器的自主研发，公司推出了GasTDL-3100高性能原位激光过程气体分析仪，采用对射式设计，响应时间快速，在原位式测量中以秒计算，可在线及时反应被测气体O2、CO、CO2或者CH4浓度，避免了采样式测量带来的时间延迟；在高温、高粉尘、高水分、高腐蚀性、高流速等恶劣测量环境下具有良好的适应性；气体浓度不易失真，测量精度高。可以广泛用于冶金、石化、水泥、电力、环保等行业。图2：四方光电TDLAS原位激光过程气体分析仪依托激光核心技术积累，发力环境气体监测正当时在环境监测烟气排放领域，基于TDLAS可调谐半导体激光吸收光谱技术，公司开发了GasTDL-3000激光氨逃逸气体分析仪，适用于在线监测脱硝工艺出口NH3的浓度，采用高温伴热抽取技术，可以有效降低气体冷凝损耗，实时准确地反应逃逸氨的变化，为环保监测提供可靠数据支持。图3：四方光电TDLAS激光氨逃逸气体分析仪“近年来，TDLAS激光气体检测技术以其高效、方便和卓越的通用性也正成为目前解决煤矿瓦斯、燃气报警等环境问题的研究热点”，石平静还告诉记者，在工业领域和日常生活中甲烷一直被广泛应用 ,是典型的易燃易爆气体，及时精准检测，对工矿安全运行、人身安全及环境保护有着十分重要的作用。TDLAS全光学设计、灵敏度高、电绝缘性好、不受电磁干扰、易于微机连接、能实现远距离传输，在易燃易爆物集散地、高温等极端环境中具有不可比拟的独特优势，是目前最有前景的一种甲烷监测传感技术。目前国内外市场上的甲烷传感器种类繁多，TDLAS调谐激光式方法相比于催化燃烧和氧化物半导体三种方法，是一种比较高端的甲烷测量方法，具有精度高、范围大、响应速度快、抗干扰、稳定性好，环境适应性高。近日，四方光电研发推出的一款激光甲烷气体传感器，按管廊标准要求进行设计，可应用于地下管廊(网)、地下井室石油化工、燃气生产运输等有甲烷气体的环境。图4：四方光电TDLAS激光甲烷传感器十年厚积，以激光光谱技术夯实高端医疗呼吸机用氧气传感器领导力地位四方光电坚持“1+3”发展战略，医疗健康气体传感器领域成果转化能力进一步提高，目前有制氧机超声波氧气传感器（取代传统的氧化锆氧气传感器）、激光氧气传感器（取代电化学和顺磁氧气传感器）、超声波肺功能检查仪等。氧气传感器是呼吸机、麻醉机的重要关键部件，开发高性能的医用氧气传感器，打破国外主流呼吸机企业和国外传感器供应商的技术垄断非常必要，是实现高端医疗呼吸机、麻醉机真正国产化的必要条件。呼吸机用氧气传感器国内目前主要采取电化学与顺磁测量氧气浓度，前者使用寿命短，通常使用一年就需要更换，且用一段时间会有偏差，需要不定期校准；后者价格昂贵，对气体压力比较敏感，需要进行压力补偿。针对目前呼吸机用氧气传感器存在的缺陷和技术难点，四方光电基于TDLAS可调谐激光光谱技术原理，就激光器选型与封装技术、氧气传感器控温及驱动电路设计、快速响应微小型气室设计以及信号解调及算法处理等多个方面进行研究，研制出具有较高精度、高稳定性、快速响应的激光氧气传感器，该产品替代同类进口产品，加快补齐我国高端医疗装备的短板，实现自主可控。 图5：四方光电快速激光氧气传感器写在结尾四方光电长期专注于气体传感器以及高端气体分析仪器的研发和产业化，依托省级技术中心、湖北省气体仪器仪表工程中心两个技术平台，四方光电积极融入国家技术创新体系，先后获得国家科技部创新基金重点项目、国家重大科学仪器专项、工信部物联网发展专项、湖北省重大技术创新项目、武汉市重大科技成果转化项目等多个项目的支持，逐步建立了包括红外、紫外、热导、激光拉曼、TDLAS、超声波、电化学、MEMS金属氧化物半导体等原理的气体传感器技术平台，这个平台为四方光电的高端气体分析仪器国产化提供了强有力的动力。最新发展的激光拉曼光谱、可调谐半导体激光吸收光谱TDLAS 等气体分析技术，配合公司常年发展积累的红外、热导、顺磁等原理的气体分析仪器技术，四方光电已经形成我国自有自主知识产权的高、中端完整的气体分析仪器应用解决方案，将大力推动钢铁冶金、煤化工、石油炼化、天然气等国家战略产业以及医疗健康等领域高端装备的国产化。