抽取式气体分析仪分析原理

气体分析仪器现状与发展趋势一、气体分析技术介绍(1) 人工采样法传统的分析方法如化学分析法、[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱[/url]法较多采用人工采样法。人工采样法的特点是采用人工取样的方式，抽取某一时点的样气进行分析。它的缺点是显而易见的：必须对气体进行人工取样，在实验室进行分析，其中操作者的操作技能对分析的精度有很大影响；只能单一成份地逐个进行检测分析，不具备多重输入和信号处理功能；分析费时费力，响应速度慢，效率低，难以实时地反映工况信息。 (2) 连续采样法连续采样法主要有红外线式、紫外线式和热导式三种测量方法。连续采样法的特点是采用不同测量方法的气体分析系统都由采样预处理系统和分析仪表两部分组成，采样探头将被测气体从烟道或管道中引出并进行预处理后，连续送入仪器的气体室中，分析仪器通过不同的方法完成气体浓度的测量。上述三种测量方法的系统集成方式、适应性和性价比有很大的区别。应用最广泛的红外线式气体分析仪基于非色散红外吸收光谱（NDIR）的原理，其测量方法是基于气体对红外线进行选择性吸收的原理，当被测气体通过测量管道时吸收红外光源发出的特定频率光（与被测气体成分有关）使光强衰减，测出光强的衰减程度即确定了被测气体的浓度。紫外线式气体分析仪是基于被测气体对紫外光选择性的辐射吸收原理，可以测量SO2、NOx、HCl、NH3等气体，但在同等性能、功能情况下仪器价格较高。热导式气体分析仪的工作原理是利用各种气体不同的热导系数，即具有不同的热传导速率来进行测量的。当被测气体以恒定的流速流入分析仪器时，热导池内的铂热电阻丝的阻值会因被测气体的浓度变化而变化，运用惠斯顿电桥将阻值信号转换成电信号，通过电路处理将信号放大、温度补偿、线性化，使其成为测量值。热导式气体分析器的应用范围很广，如H2、Cl2、NH3、CO2、Ar、He、SO2、H2中的O2、O2中的H2和N2中的H2等等；它的测量范围也很宽，在0%~100%围内均可测量。热导式分析仪器是一种结构简单、性能稳定、价廉、技术上较为成熟的仪器。但是热导式分析仪器对气体的压力波动、流量波动十分敏感，介质中水汽、颗粒等杂质对测量影响较大，所以必须安装复杂的采样预处理系统。(3) 现场在线测量法现场在线测量法中以半导体激光吸收光谱技术（DLAS）最为先进和最具有代表性。DLAS技术的特点是无需采样预处理系统，分析仪器直接安装在测量现场，通过一束穿过被测气体的激光光束来实现现场在线气体分析。DLAS技术可实现多种气体如CO、CO2、O2、HF、HCl、CH4、NH3、H20、H2S、HCN、C2H2、C2H4等的自动检测，适用于钢铁、冶金、石化、环保、生化、航天等各种领域。虽然DLAS技术与其他吸收光谱气体分析技术都利用吸收光谱技术来实现气体分析，但由于DLAS技术采用了独特的“单线光谱”技术和调制光谱技术，可不受背景气体交叉干扰和粉尘、视窗污染的干扰，并可自动修正气体温度、压力等气体参数变化的影响，因此可以将分析仪器直接安装在测量现场，实现其他光谱吸收技术无法或很难实现的现场在线连续气体测量。DLAS技术的优势在于能适应高温、高水分、高粉尘、强腐蚀性和高流速的被测气体环境，无需采样预处理系统，测量精度高，响应速度快。随着半导体激光气体分析技术的逐步成熟，相关光电元器件成本的显著下降，其性价比优势更为突出。在发达国家，半导体激光气体测量技术已逐步取代传统气体检测技术，在气体在线监测领域得到了日益广泛的应用。二、DLAS技术简介聚光科技研发生产的LGA-2000系列激光现场在线气体分析仪是基于DLAS技术开发的现场在线气体分析仪器。DLAS（Diode Laser Absorption Spectroscopy）是半导体激光吸收光谱技术的简称。该技术是利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度的一种技术。具体来说，半导体激光器发射出的特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收导致激光强度产生衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比，因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。九十年代后，半导体激光器和光纤元件发展迅速，性能大大提高，价格大幅下降，室温工作、长寿命（100，000小时）、单模特性和较宽波长范围的半导体激光器被大量地生产出来并投入市场，一些高灵敏度的光谱技术如frequency modulation spectroscopy、cavity ringdown spectroscopy等也逐渐成熟，DLAS技术开始被较多地应用于科学和工程研究，发达国家的一些仪器公司也开始将DLAS技术应用于气体监测。由于DLAS技术较传统光谱检测技术具有显著的技术优势而得到了迅速推广。Focused Photonics,Inc.(FPI)是DLAS技术的主要开发厂商之一，FPI自主开发了拥有完全知识产权的全系列的激光气体分析产品，并广泛应用于钢铁、冶金、石化、环保、生化、航天等领域。FPI通过聚光科技（杭州）有限公司将该技术引入中国，结合中国各行业的实际需求，开发了LGA-2000系列激光现场在线气体分析仪、LGA-3000系列激光采样在线气体分析仪，并且在钢铁、焦化、石化、电力、环保、航天等行业取得了良好的应用。三、DLAS技术的特点DLAS技术的特点主要表现为：1.恶劣环境适应能力强，无需采样预处理系统，实现现场在线连续测量激光在线气体分析仪采用DLAS技术独有的“单线光谱”原理，使用非接触式激光测量方法，测量仪器与被测量气体环境隔离,其分析测量不受测量环境中背景气体、粉尘以及环境温度和压力的影响，具有高温、高粉尘、高水份、高腐蚀性、高流速等恶劣测量环境的良好适应性，避免了传统气体分析系统必需的复杂的采样预处理系统，从而实现了现场在线连续测量。2.克服了背景气体、水分和粉尘的吸收干扰，测量精度大大提高DLAS独特的“单线光谱”技术、频率扫描技术、谱线展宽自动修正技术克服了背景气体、水分和粉尘的吸收干扰，修正了温度和压力等气体参数变化对气体浓度测量的影响，而且系统直接对现场气体进行测量，气体信息不失真。相对于传统的气体测量技术，这些独特的测量技术和现场测量方法大大提高了测量的精度。3.响应速度快，实现工业过程实时在线管理DLAS技术进行气体分析不需采样预处理系统，节省了样气预处理的时间和样气在管道内的传输时间。系统可以达到毫秒级的响应速度，几乎是实时地反映过程气体浓度及其他参数变化状况，完全可以满足工业过程实时在线管理的需要。4.可同时检测多种气体参数，能测量分析多种气体，应用面广，仪器发展潜力大采用DLAS技术可同时在线测量气体的浓度、温度和流速等，并可实现多种气体如CO、CO2、O2、HF、HCl、CH4、NH3、H20、H2S、HCN、C2H2、C2H4等的自动检测，可广泛应用于钢铁、冶金、石化、环保、生化、航天等领域。较以往采用多种检测技术并进行系统集成而言，采用DLAS技术可大大简化仪器的结构，进而实现气体分析仪器的微型化、网络化（远距离数据无线传输）、智能化和自动化。5.光纤传输特性使系统的应用更加灵活，性价比更高DLAS技术采用的激光光源与常规光纤有良好的兼容性，所以可以将半导体激光器放置在中央处理单元内，把光纤输出的激光通过树形光纤分路耦合器同时耦合到多根光纤，不同的光纤把激光传递到几个不同的测量位置，对这几个不同位置的气体同时进行测量，从而实现分布式的在线气体监测分析。采用光纤后测量系统的抗电磁干扰能力、适应恶劣环境和防爆环境的能力非常强；整套测量系统的成本大大降低；与传统的气体分析系统相比，配置更加灵活，性价比也更高。

测量气体成分的流程分析仪表。在很多生产过程中，特别是在存在化学反应的生产过程中，仅仅根据温度、压力、流量等物理参数进行自动控制常常是不够的。例如，在合成氨生产中，仅控制合成塔的温度、压力、流量并不能保证最高的合成率，必须同时分析进气的化学成分，控制氢气和氮气的最佳比例，才能获得较高的生产率。又如在锅炉的燃烧控制中除需控制燃料与助燃空气的比例外，还必须在线分析烟道的化学成分，据此改变助燃空气的供给量，使炉子获得最高的热效率。此外，在排出有害气体的工厂中，也必须采用气体分析仪对有害气体进行连续监视，以防止危害工人健康或污染环境或引起爆炸等恶性事故。由于被分析气体的千差万别和分析原理的多种多样，气体分析仪的种类繁多。常用的有热导式气体分析仪、电化学式气体分析仪和红外线吸收式分析仪等。1、热导式气体分析仪　　一种物理类的气体分析仪表。它根据不同气体具有不同热传导能力的原理，通过测定混合气体导热系数来推算其中某些组分的含量。这种分析仪表简单可靠,适用的气体种类较多,是一种基本的分析仪表。但直接测量气体的导热系数比较困难，所以实际上常把气体导热系数的变化转换为电阻的变化，再用电桥来测定。热导式气体分析仪的热敏元件主要有半导体敏感元件和金属电阻丝两类。半导体敏感元件体积小、热惯性小，电阻温度系数大,所以灵敏度高,时间滞后小。在铂线圈上烧结珠形金属氧化物作为敏感元件，再在内电阻、发热量均相等的同样铂线圈上绕结对气体无反应的材料作为补偿用元件（图1）。这两种元件作为两臂构成电桥电路，即是测量回路。半导体金属氧化物敏感元件吸附被测气体时，电导率和热导率即发生变化，元件的散热状态也随之变化。元件温度变化使铂线圈的电阻变化，电桥遂有一不平衡电压输出，据此可检测气体的浓度。热导式气体分析仪的应用范围很广，除通常用来分析氢气、氨气、二氧化碳、二氧化硫和低浓度可燃性气体含量外，还可作为色谱分析仪中的检测器用以分析其他成分。

测量气体分析仪的流程分析仪表。在很多生产过程中，特别是在存在化学反应的生产过程中，仅仅根据温度、压力、流量等物理参数进行自动控制常常是不够的。例如，在合成氨生产中，仅控制合成塔的温度、压力、流量并不能保证最高的合成率，必须同时分析进气的化学成分，控制氢气和氮气的最佳比例，才能获得较高的生产率。又如在锅炉的燃烧控制中除需控制燃料与助燃空气的比例外，还必须在线分析烟道的化学成分，据此改变助燃空气的供给量，使炉子获得最高的热效率。此外，在排出有害气体的工厂中，也必须采用气体分析仪对有害气体进行连续监视，以防止危害工人健康或污染环境或引起爆炸等恶性事故。由于被分析气体的千差万别和分析原理的多种多样，气体分析仪的种类繁多。常用的有热导式气体分析仪、电化学式气体分析仪和红外线吸收式分析仪等。 　　1、热导式气体分析仪 　　一种物理类的气体分析仪表。它根据不同气体具有不同热传导能力的原理，通过测定混合气体导热系数来推算其中某些组分的含量。这种分析仪表简单可靠,适用的气体种类较多,是一种基本的分析仪表。但直接测量气体的导热系数比较困难，所以实际上常把气体导热系数的变化转换为电阻的变化，再用电桥来测定。热导式气体分析仪的热敏元件主要有半导体敏感元件和金属电阻丝两类。半导体敏感元件体积小、热惯性小，电阻温度系数大,所以灵敏度高,时间滞后小。在铂线圈上烧结珠形金属氧化物作为敏感元件，再在内电阻、发热量均相等的同样铂线圈上绕结对气体无反应的材料作为补偿用元件（图1）。这两种元件作为两臂构成电桥电路，即是测量回路。半导体金属氧化物敏感元件吸附被测气体时，电导率和热导率即发生变化，元件的散热状态也随之变化。元件温度变化使铂线圈的电阻变化，电桥遂有一不平衡电压输出，据此可检测气体的浓度。热导式气体分析仪的应用范围很广，除通常用来分析氢气、氨气、二氧化碳、二氧化硫和低浓度可燃性气体含量外，还可作为色谱分析仪中的检测器用以分析其他成分。 　　2、电化学式气体分析仪 　　一种化学类的气体分析仪表。它根据化学反应所引起的离子量的变化或电流变化来测量气体成分。为了提高选择性，防止测量电极表面沾污和保持电解液性能，一般采用隔膜结构。常用的电化学式分析仪有定电位电解式和伽伐尼电池式两种。定电位电解式分析仪（图2）的工作原理是在电极上施加特定电位，被测气体在电极表面就产生电解作用，只要测量加在电极上的电位，即可确定被测气体特有的电解电位，从而使仪表具有选择识别被测气体的能力。伽伐尼电池式分析仪（图3）是将透过隔膜而扩散到电解液中的被测气体电解，测量所形成的电解电流，就能确定被测气体的浓度。通过选择不同的电极材料和电解液来改变电极表面的内部电压从而实现对具有不同电解电位的气体的选择性。 　　3、红外线吸收式分析仪 　　根据不同组分气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性而工作的分析仪表。测量这种吸收光谱可判别出气体的种类；测量吸收强度可确定被测气体的浓度。红外线分析仪的使用范围宽，不仅可分析气体成分，也可分析溶液成分，且灵敏度较高，反应迅速,能在线连续指示,也可组成调节系统。工业上常用的红外线气体分析仪的检测部分由两个并列的结构相同的光学系统组成。 　　一个是测量室，一个是参比室。两室通过切光板以一定周期同时或交替开闭光路。在测量室中导入被测气体后，具有被测气体特有波长的光被吸收，从而使透过测量室这一光路而进入红外线接收气室的光通量减少。气体浓度越高，进入到红外线接收气室的光通量就越少；而透过参比室的光通量是一定的，进入到红外线接收气室的光通量也一定。因此，被测气体浓度越高，透过测量室和参比室的光通量差值就越大。这个光通量差值是以一定周期振动的振幅投射到红外线接收气室的。接收气室用几微米厚的金属薄膜分隔为两半部，室内封有浓度较大的被测组分气体，在吸收波长范围内能将射入的红外线全部吸收，从而使脉动的光通量变为温度的周期变化，再可根据气态方程使温度的变化转换为压力的变化，然后用电容式传感器来检测，经过放大处理后指示出被测气体浓度。除用电容式传感器外，也可用直接检测红外线的量子式红外线传感器，并采用红外干涉滤光片进行波长选择和配以可调激光器作光源，形成一种崭新的全固体式红外气体分析仪。这种分析仪只用一个光源、一个测量室、一个红外线传感器就能完成气体浓度的测量。此外，若采用装有多个不同波长的滤光盘，则能同时分别测定多组分气体中的各种气体的浓度。 　　与红外线分析仪原理相似的还有紫外线分析仪、光电比色分析仪等，在工业上也用得较多。