氣體分析儀的各種分析原理

    測量氣體成分的流程分析儀表。在很多生產(chǎn)過程中，特別是在存在化學(xué)反應(yīng)的生產(chǎn)過程中，僅僅根據(jù)溫度、壓力、流量等物理參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制常常是不夠的。例如，在合成氨生產(chǎn)中，僅控制合成塔的溫度、壓力、流量并不能保證zui高的合成率，必須同時(shí)分析進(jìn)氣的化學(xué)成分，控制氫氣和氮?dú)獾? 比例，才能獲得較高的生產(chǎn)率。又如在鍋爐的燃燒控制中除需控制燃料與助燃空氣的比例外，還必須在線分析煙道的化學(xué)成分，據(jù)此改變助燃空氣的供給量，使?fàn)t子獲得zui高的熱效率。此外，在排出有害氣體的工廠中，也必須采用氣體分析儀對有害氣體進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，以防止危害工人健康或污染環(huán)境或引起爆炸等惡性事故。由于被分析氣體的千差萬別和分析原理的多種多樣，氣體分析儀的種類繁多。常用的有熱導(dǎo)式氣體分析儀、電化學(xué)式氣體分析儀和紅外線吸收式分析儀等。

 

1、熱導(dǎo)式氣體分析儀
　　一種物理類的氣體分析儀表。它根據(jù)不同氣體具有不同熱傳導(dǎo)能力的原理，通過測定混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)來推算其中某些組分的含量。這種分析儀表簡單可靠,適用的氣體種類較多,是一種基本的分析儀表。但直接測量氣體的導(dǎo)熱系數(shù)比較困難，所以實(shí)際上常把氣體導(dǎo)熱系數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，再用電橋來測定。熱導(dǎo)式氣體分析儀的熱敏元件主要有半導(dǎo)體敏感元件和金屬電阻絲兩類。半導(dǎo)體敏感元件體積小、熱慣性小，電阻溫度系數(shù)大,所以靈敏度高,時(shí)間滯后小。在鉑線圈上燒結(jié)珠形金屬氧化物作為敏感元件，再在內(nèi)電阻、發(fā)熱量均相等的同樣鉑線圈上繞結(jié)對氣體無反應(yīng)的材料作為補(bǔ)償用元件（圖1）。這兩種元件作為兩臂構(gòu)成電橋電路，即是測量回路。半導(dǎo)體金屬氧化物敏感元件吸附被測氣體時(shí)，電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率即發(fā)生變化，元件的散熱狀態(tài)也隨之變化。元件溫度變化使鉑線圈的電阻變化，電橋遂有一不平衡電壓輸出，據(jù)此可檢測氣體的濃度。熱導(dǎo)式氣體分析儀的應(yīng)用范圍很廣，除通常用來分析氫氣、氨氣、二氧化碳、二氧化硫和低濃度可燃性氣體含量外，還可作為色譜分析儀中的檢測器用以分析其他成分。
2、電化學(xué)式氣體分析儀
　　一種化學(xué)類的氣體分析儀表。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(jié)構(gòu)。常用的電化學(xué)式分析儀有定電位電解式和伽伐尼電池式兩種。定電位電解式分析儀（圖2）的工作原理是在電極上施加特定電位，被測氣體在電極表面就產(chǎn)生電解作用，只要測量加在電極上的電位，即可確定被測氣體*的電解電位，從而使儀表具有選擇識別被測氣體的能力。伽伐尼電池式分析儀（圖3）是將透過隔膜而擴(kuò)散到電解液中的被測氣體電解，測量所形成的電解電流，就能確定被測氣體的濃度。通過選擇不同的電極材料和電解液來改變電極表面的內(nèi)部電壓從而實(shí)現(xiàn)對具有不同電解電位的氣體的選擇性。

 

3、紅外線吸收式分析儀
　　根據(jù)不同組分氣體對不同波長的紅外線具有選擇性吸收的特性而工作的分析儀表。測量這種吸收光譜可判別出氣體的種類；測量吸收強(qiáng)度可確定被測氣體的濃度。紅外線分析儀的使用范圍寬，不僅可分析氣體成分，也可分析溶液成分，且靈敏度較高，反應(yīng)迅速,能在線連續(xù)指示,也可組成調(diào)節(jié)系統(tǒng)。工業(yè)上常用的紅外線氣體分析儀的檢測部分由兩個(gè)并列的結(jié)構(gòu)相同的光學(xué)系統(tǒng)組成。
　　一個(gè)是測量室，一個(gè)是參比室。兩室通過切光板以一定周期同時(shí)或交替開閉光路。在測量室中導(dǎo)入被測氣體后，具有被測氣體*波長的光被吸收，從而使透過測量室這一光路而進(jìn)入紅外線接收氣室的光通量減少。氣體濃度越高，進(jìn)入到紅外線接收氣室的光通量就越少；而透過參比室的光通量是一定的，進(jìn)入到紅外線接收氣室的光通量也一定。因此，被測氣體濃度越高，透過測量室和參比室的光通量差值就越大。這個(gè)光通量差值是以一定周期振動(dòng)的振幅投射到紅外線接收氣室的。接收氣室用幾微米厚的金屬薄膜分隔為兩半部，室內(nèi)封有濃度較大的被測組分氣體，在吸收波長范圍內(nèi)能將射入的紅外線全部吸收，從而使脈動(dòng)的光通量變?yōu)闇囟鹊闹芷谧兓?，再可根?jù)氣態(tài)方程使溫度的變化轉(zhuǎn)換為壓力的變化，然后用電容式傳感器來檢測，經(jīng)過放大處理后指示出被測氣體濃度。除用電容式傳感器外，也可用直接檢測紅外線的量子式紅外線傳感器，并采用紅外干涉濾光片進(jìn)行波長選擇和配以可調(diào)激光器作光源，形成一種嶄新的全固體式紅外氣體分析儀。這種分析儀只用一個(gè)光源、一個(gè)測量室、一個(gè)紅外線傳感器就能完成氣體濃度的測量。此外，若采用裝有多個(gè)不同波長的濾光盤，則能同時(shí)分別測定多組分氣體中的各種氣體的濃度。
　　與紅外線分析儀原理相似的還有紫外線分析儀、光電比色分析儀等，在工業(yè)上也用得較多。