傳感器與檢測(cè)技術(shù)（第5版）課件 第9章 成分檢測(cè)

9.1概述9.1.1成分分析儀器簡(jiǎn)介9.1.2成分分析儀器的分類9.1.3成分分析儀器的組成9.1.4成分分析儀器的主要性能指標(biāo)9.1.1成分分析儀器簡(jiǎn)介專門用來測(cè)定物質(zhì)化學(xué)成分的一類儀器。物質(zhì)的化學(xué)成分：指一種化合物或混合物是由哪些種類的分子、原子或原子團(tuán)所組成，以及這些分子、原子或原子團(tuán)的含量是多少。成分分析包括內(nèi)容：確定物質(zhì)的化學(xué)組成，確定物質(zhì)中各種成分的相對(duì)含量9.1概述9.1.1成分分析儀器簡(jiǎn)介9.1.2成分分析儀器的分類9.1.3成分分析儀器的組成9.1.4成分分析儀器的主要性能指標(biāo)9.1.2成分分析儀器的分類按照使用場(chǎng)合的不同分:實(shí)驗(yàn)室分析儀器過程分析儀器兩大類。兩者的重要區(qū)別:在于過程分析儀器具有連續(xù)、可靠、精確地向操作人員或自控裝置及時(shí)提供工藝過程質(zhì)量信息的功能，在結(jié)構(gòu)上具有能夠自動(dòng)地連續(xù)采樣、對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理（抽吸、過濾、干燥等）、自動(dòng)地進(jìn)行分析、信號(hào)的處理和遠(yuǎn)傳以及抗干擾等裝置或部件，其結(jié)構(gòu)比實(shí)驗(yàn)室分析儀器復(fù)雜，精度通常比實(shí)驗(yàn)室分析儀器略低。按照測(cè)量原理分類：電化學(xué)式分析儀器：如電導(dǎo)式、電量式、電位式等；熱學(xué)式分析儀器：如熱導(dǎo)式、熱化學(xué)式、熱譜式等；磁學(xué)式分析儀器：磁性氧量分析儀，核磁共振波譜儀等；光學(xué)式分析儀器：吸收式光學(xué)分析儀，發(fā)射式光學(xué)分析儀；射線式分析儀器：如X射線分析儀，射線分析儀，同位素分析儀等；色譜分析儀器：如氣相色譜儀等；電子光學(xué)和離子光學(xué)式分析儀器：如電子探針、質(zhì)譜儀、離子探針等；物性測(cè)量?jī)x器：如水分計(jì)、粘度計(jì)、濕度計(jì)、密度計(jì)、電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x等。9.1概述9.1.1成分分析儀器簡(jiǎn)介9.1.2成分分析儀器的分類9.1.3成分分析儀器的組成9.1.4成分分析儀器的主要性能指標(biāo)9.1.3成分分析儀器的組成1．成分分析儀器的基本組成2.取樣裝置3.預(yù)處理系統(tǒng)4.分離裝置5.檢測(cè)器或檢測(cè)系統(tǒng)6.信號(hào)處理系統(tǒng)7.顯示環(huán)節(jié)1.成分分析儀器的基本組成成分分析儀器的基本組成框圖2.取樣裝置任務(wù)：將待分析的樣品引入到成分分析儀器根據(jù)被分析的對(duì)象不同，樣品可分為氣體、液體、熔融金屬、固體散狀物料等幾種情況。過程分析儀器大多為氣體分析儀器，如果樣品為液體也往往使它氣化。對(duì)于過程取樣裝置：首先要求能夠承受生產(chǎn)過程的惡劣條件；其次對(duì)于所取的樣品，應(yīng)有代表性，沒有被測(cè)量組分的損失；再次不應(yīng)與待分析樣品中任何組分起化學(xué)反應(yīng)，以防止失真。在取樣裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意取樣點(diǎn)選取、取樣探頭及探頭清洗幾個(gè)方面（1）取樣點(diǎn)選擇取樣點(diǎn)選擇應(yīng)滿足下列要求：

①能正確地反應(yīng)被測(cè)組分變化的地點(diǎn)； ②不存在泄漏； ③試樣含塵霧容量少，不致發(fā)生堵塞現(xiàn)象； ④試樣不處于化學(xué)反應(yīng)過程中。（2）探頭探頭的功能：直接與被測(cè)物流接觸取得試樣，并初步凈化試樣。要求：探頭有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，不與試樣起化學(xué)反應(yīng)和催化作用，不造成過大的取樣滯后，易于安裝、清洗。敞開式探頭結(jié)構(gòu)（3）探頭清洗有些分析儀器的探頭或檢測(cè)元件經(jīng)常被介質(zhì)中污染物污染，導(dǎo)致探頭或檢測(cè)元件反應(yīng)遲鈍，需要定期清洗。清洗時(shí)，先用閥門將探頭或檢測(cè)元件與工藝流程隔離，自動(dòng)清洗裝置采用增壓的流體噴射，或加熱、化學(xué)法及超聲波清洗。預(yù)處理系統(tǒng) 預(yù)處理是針對(duì)過程分析儀器而言的。預(yù)處理的任務(wù)是將取樣裝置從生產(chǎn)過程中提取的樣品加工處理，以滿足檢測(cè)器對(duì)樣品狀態(tài)的要求。如除塵、除濕、過濾有害物質(zhì)、穩(wěn)壓穩(wěn)流調(diào)節(jié)、流路及管線的合理布局等。分離裝置 在成分分析儀器中，分離是進(jìn)行定性或定量分析的基本手段之一。例如在氣相色譜儀中，待分析的氣樣在載氣（輸送樣品的氣體）帶動(dòng)下進(jìn)入充有吸附劑的色譜柱時(shí)，各組分經(jīng)過連續(xù)地分配、吸附及吸收作用，便可被分離成單一的組分，此后各組分依次通過檢測(cè)器即可實(shí)現(xiàn)多組分氣體的含量分析。檢測(cè)器或檢測(cè)系統(tǒng) 檢測(cè)器是成分分析儀器的核心部分，它能夠把待分析的含量信息轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的輸出信號(hào)，輸出信號(hào)大多數(shù)是電參數(shù)。信號(hào)處理系統(tǒng) 由于檢測(cè)器輸出的信號(hào)多數(shù)是電信號(hào)，所以信號(hào)處理系統(tǒng)也是以電信號(hào)處理為主。檢測(cè)器輸出的信號(hào)一般是很微弱的，所以信號(hào)處理系統(tǒng)一般都包括放大環(huán)節(jié)和一些運(yùn)算環(huán)節(jié)等。顯示環(huán)節(jié) 顯示環(huán)節(jié)主要是顯示成分分析的最終結(jié)果。顯示裝置有模擬顯示裝置、數(shù)字顯示裝置、圖像顯示裝置等。9.1概述9.1.1成分分析儀器簡(jiǎn)介9.1.2成分分析儀器的分類9.1.3成分分析儀器的組成9.1.4成分分析儀器的主要性能指標(biāo)9.1.4成分分析儀器的主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)有：靈敏度、精度、重復(fù)性、噪聲、線性范圍、選擇性、分辨力和響應(yīng)時(shí)間等。成分分析儀器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，除選擇性和分辨力外，與其它儀器相似。選擇性和分辨力是表示儀器區(qū)分特性相近組分的能力，選擇性一般用于單組分成分分析儀器，分辨力多用于多組分成分分析儀器，分辨力的問題比較復(fù)雜，往往不同儀器表示形式也不同。選擇性問題選擇性的好壞一般用選擇系數(shù)k來表示式中，Δ

φk——干擾組分的含量變化；

Δ

φm——與干擾組分等價(jià)的待測(cè)組分含量變化。這里所說的等價(jià)是指儀器的輸出信號(hào)而言，即Δ

φk和Δ

φm可以引起儀器有同樣的大小輸出。很明顯，一臺(tái)儀器的選擇性系數(shù)越大，儀器的區(qū)分能就越強(qiáng)。Endthe9.19.2熱導(dǎo)式氣體分析儀器9.2.1基本原理9.2.2熱導(dǎo)池（檢測(cè)器）9.2.3測(cè)量電路9.2.4熱導(dǎo)式氣體分析儀的應(yīng)用

9.2.1基本原理對(duì)于多組分氣體，由于組分含量不同，混合氣體導(dǎo)熱能力將會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)混合氣體導(dǎo)熱能力的差異，就可以實(shí)現(xiàn)氣體組分的含量分析。根據(jù)傳熱學(xué)理論，在溫場(chǎng)中的介質(zhì)傳導(dǎo)的熱流量通過介質(zhì)微元等溫面?zhèn)鲗?dǎo)的熱流量，不僅與等溫面處溫度梯度有關(guān)，而且與介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)成正比。導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)志著物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于不同的介質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)的大小是不同的。固體和液體的導(dǎo)熱系數(shù)較大，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)較小。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)通常與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大。導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系可近似寫成β——介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的溫度系數(shù)。常見氣體相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)及溫度系數(shù)氣體名稱相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)（00C時(shí)）溫度系數(shù)/0C-1（0~1000C）空氣1.0000.00253氫7.1300.00261氖1.9910.00256氧1.0150.00303氮0.9980.00264一氧化碳0.9640.00262氨0.897-氬0.6850.00311氧化亞氮0.646-二氧化碳0.6140.00495硫化氫0.538-二氧化硫0.344-氯0.322-甲烷1.3180.00655乙烷0.8070.00583乙烯0.7350.00763二乙醚0.5430.00700丙酮0.4060.00720汽油0.3700.00980二氯甲烷0.2730.00530水蒸氣0.973（1000C時(shí)）0.00455（1000C時(shí)）混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)由所含組分氣體的導(dǎo)熱系數(shù)共同決定的。對(duì)于彼此之間無相互作用的多組分氣體，其導(dǎo)熱系數(shù)可近似地認(rèn)為是各組分導(dǎo)熱系數(shù)按組成含量的加權(quán)平均值，即根據(jù)混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)與各組分導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)多組分氣體的含量分析。

嚴(yán)格地講，熱導(dǎo)式氣體成分分析儀只能解決雙組分氣體的含量分析，此時(shí)式（8.2.3）的具體形式為：由于C1+C2=100%只要測(cè)出混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，就可以根據(jù)兩組分的導(dǎo)熱系數(shù)求得待測(cè)組分的含量。對(duì)上式微分，可得儀器的靈敏度與兩個(gè)組分導(dǎo)熱系數(shù)之差成正比，即兩組分導(dǎo)熱系數(shù)相差越大，儀器的靈敏度就越高。對(duì)于煙氣和大多數(shù)多組分混合氣體，各組分之間滿足：（1）除待分析的組分外，其余組分的導(dǎo)熱系數(shù)相等或接近，即接近的程度越高，儀器的測(cè)量精度越高。若個(gè)別氣體的值與其它背景氣體的值相差較遠(yuǎn)時(shí)，則被視為干擾成分，在分析之前要去掉。（2）待分析組分與其余組分的導(dǎo)熱系數(shù)相差很大，以保證儀器有較高的靈敏度。9.2熱導(dǎo)式氣體分析儀器9.2.1基本原理9.2.2熱導(dǎo)池（檢測(cè)器）9.2.3測(cè)量電路9.2.4熱導(dǎo)式氣體分析儀的應(yīng)用9.2.2熱導(dǎo)池（檢測(cè)器）1.熱導(dǎo)池的工作原理2.影響熱導(dǎo)池特性的因素3.熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)1.熱導(dǎo)池的工作原理熱導(dǎo)池結(jié)構(gòu)示意圖1-腔體；2-電阻絲；3-支承架；4-絕緣；5-引線；6-氣體出口；

7-氣體入口當(dāng)電阻元件通過電流I時(shí)，電阻吸收的功率將全部轉(zhuǎn)換成熱量此熱流量一方面使電阻元件本身溫度升高，另一方面也向周圍散失。電阻元件向外散失的熱量主要是靠熱導(dǎo)池內(nèi)氣體的導(dǎo)熱。當(dāng)通過電阻元件的電流，氣體成分以及熱導(dǎo)池壁面溫度一定時(shí)，電阻元件溫度上升到某一數(shù)值后，便會(huì)出現(xiàn)電源供給的熱量與氣體的導(dǎo)熱量相平衡的情況，以后電阻元件的溫度以及熱導(dǎo)池內(nèi)的溫場(chǎng)分布都將保持不變。熱平衡時(shí)熱導(dǎo)池內(nèi)的溫場(chǎng)為一系列同軸圓柱等溫面。對(duì)于半徑為r的等溫面，單位時(shí)間氣體的導(dǎo)熱量為熱平衡時(shí)各等溫面的導(dǎo)熱量相當(dāng)，dQ值與r無關(guān)，則式變?yōu)閷?duì)于熱導(dǎo)池壁，當(dāng)r=rc時(shí)，t=tc，代入上式可得積分常數(shù)C為式中，rc——熱導(dǎo)池內(nèi)壁半徑。式中，λ0——混合氣體在0℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)；

β——混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)的溫度系數(shù)；假定電阻絲r=rw表面處的溫度t=tw

式中，λm——混合氣體的平均導(dǎo)熱系數(shù)；

K——與熱導(dǎo)池尺寸有關(guān)的常數(shù)，稱為熱導(dǎo)池常數(shù)。電阻絲的阻值是溫度的函數(shù)熱導(dǎo)式氣體分析儀熱導(dǎo)池的特性方程當(dāng)電阻絲通過的電流I和熱導(dǎo)池的壁面溫度tc固定時(shí)，電阻絲的阻值只與分析氣體的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。測(cè)量電阻絲阻值，便可對(duì)多組分氣體待測(cè)組分的含量分析。新型熱導(dǎo)式分析儀硅傳感器熱導(dǎo)池原理圖2.影響熱導(dǎo)池特性的因素（1）電阻絲的參數(shù)（2）工作電流（3）腔壁溫度的影響（4）其它散熱的影響（1）電阻絲的參數(shù)由式（9.2.14）可見，電阻絲的初始電阻R0，電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)的數(shù)值及其穩(wěn)定性，對(duì)檢測(cè)器的靈敏度和精度都有很大的影響。一般R0的數(shù)值取大一些有利于靈敏度的提高。增大R0的方法有兩個(gè)：增大電阻絲的長(zhǎng)徑比，選用電阻率大的材料。（2）工作電流由式（9.2.14）可見，工作電流I的大小與電阻絲阻值R的關(guān)系很大，電流的大小及穩(wěn)定性將嚴(yán)重影響儀器的性能。一般在熱導(dǎo)式分析儀器中都有保持電流恒定的穩(wěn)流裝置，電流值應(yīng)與電阻絲的阻值R0統(tǒng)一考慮，以保證熱導(dǎo)池供給的熱量符合工作要求。（3）腔壁溫度的影響腔壁溫度的變化會(huì)直接影響測(cè)量精度。解決的辦法有兩種，采用差值法（或稱比較測(cè)量法），它是在同一塊金屬中加工兩個(gè)參數(shù)完全一致的熱導(dǎo)池，其中一個(gè)通入待分析氣體，作為工作熱導(dǎo)池；通過（或封入）組分固定的參比氣體，作為參比熱導(dǎo)池。由于兩個(gè)熱導(dǎo)池經(jīng)受大體相同的環(huán)境溫度影響，當(dāng)線路上采用差值測(cè)量時(shí)，二者所受溫度的影響可以相互抵消。這種方法比較簡(jiǎn)單，在要求不高的場(chǎng)合可以使用。另一種方法是采用恒溫法，把工作熱導(dǎo)池和參比熱導(dǎo)池都放在一個(gè)恒溫裝置中，使兩者經(jīng)受的環(huán)境溫度完全一致，并且恒定。很明顯，這種方法精度比較高，但需要一套恒溫裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高。（4）其它散熱的影響熱導(dǎo)池內(nèi)存在其它散熱損失包括： （1）輻射散熱。 （2）引線導(dǎo)熱損失。 （3）氣體對(duì)流散熱。 （4）氣體帶走的熱量。3.熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)池的四種結(jié)構(gòu)型式（2）電阻絲的結(jié)構(gòu)及支撐方法9.2熱導(dǎo)式氣體分析儀器9.2.1基本原理9.2.2熱導(dǎo)池（檢測(cè)器）9.2.3測(cè)量電路9.2.4熱導(dǎo)式氣體分析儀的應(yīng)用9.2.3測(cè)量電路被測(cè)氣體濃度的變化，經(jīng)過熱導(dǎo)池檢測(cè)器變成了電阻絲阻值的變化，阻值的變化可采用電橋來進(jìn)行測(cè)量。實(shí)際常用的測(cè)量電路有兩種：

(1)直流單橋測(cè)量線路

(2)交流雙橋測(cè)量線路(1)直流單橋測(cè)量線路穩(wěn)壓器供電的直流單橋測(cè)量線路(2)交流雙橋測(cè)量線路9.2熱導(dǎo)式氣體分析儀器9.2.1基本原理9.2.2熱導(dǎo)池（檢測(cè)器）9.2.3測(cè)量電路9.2.4熱導(dǎo)式氣體分析儀的應(yīng)用9.2.4熱導(dǎo)式氣體分析儀的應(yīng)用能夠測(cè)量的氣體種類很多，如H2，CO2，NH3，Cl2，Ar，He，SO2，H2中的O2，O2中的H2，N2中的H2等；測(cè)量范圍寬，待測(cè)組分含量在0%~100%測(cè)量范圍內(nèi)均可使用。Endthe9.29.3紅外線氣體分析儀9.3.1測(cè)量原理9.3.2紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)9.3.3紅外線分析儀的應(yīng)用9.3.1測(cè)量原理

紅外線一般指波長(zhǎng)從0.76μm至1000μm范圍內(nèi)的電磁幅射。在紅外線氣體分析儀器中實(shí)際使用的紅外線波長(zhǎng)大約在1~50μm。紅外線氣體分析儀是利用不同氣體對(duì)紅外波長(zhǎng)的電磁波能量具有特殊吸收特性的原理而進(jìn)行氣體成分和含量分析的儀器。吸收：紅外線通過某些物質(zhì)時(shí)，其中一些頻率的光強(qiáng)度大為減弱甚至消失。吸收現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)光輻射的能量轉(zhuǎn)移到物質(zhì)的分子或原子中去。這樣，某些頻率的光能減少，而物質(zhì)的分子或原子則由最低能級(jí)E0（基態(tài)）躍進(jìn)到較高能級(jí)E1（激發(fā)態(tài)）。原子、分子或離子具有不連續(xù)的、數(shù)目有限的能級(jí)。因此，物質(zhì)僅能吸收與兩個(gè)能級(jí)之差E1-E0相同或?yàn)槠湔麛?shù)倍的能量，即各種原子或分子所具有的能級(jí)數(shù)目和能級(jí)間的能量差不同，所以它們對(duì)光輻射的吸收情況也各不相同，從而形成不同的特征吸收峰。大部分的有機(jī)和無機(jī)氣體在紅外波段內(nèi)都有其特征吸收峰，有的氣體還有兩個(gè)或多個(gè)特征吸收峰。部分氣體的紅外線特征吸收峰圖朗伯特-比耳定律光的吸收定律單色平行光通過均勻介質(zhì)時(shí)能量被介質(zhì)吸收的規(guī)律光強(qiáng)度為I0

的單色平行光通過均勻介質(zhì)后，剩余光強(qiáng)度的大小隨著介質(zhì)濃度c和光程l按指數(shù)規(guī)律衰減。吸收系數(shù)k的大小取決于介質(zhì)的特性，不同介質(zhì)有不同的k值，而一種介質(zhì)的k值又會(huì)隨著光的波長(zhǎng)值而變化。因此，對(duì)于不同的介質(zhì)或不同波長(zhǎng)的光，吸收的光強(qiáng)也是不同的。

紅外線氣體分析儀的工作原理用人工的方法制造一個(gè)包括被測(cè)氣體特征吸收峰波長(zhǎng)在內(nèi)的連續(xù)光譜輻射源，讓這個(gè)光譜通過固定長(zhǎng)度的含有被測(cè)氣體的混合組分，在混合組分的氣體層中，被測(cè)氣體的濃度不同，吸收固定波長(zhǎng)紅外線的能量也不相同，繼而轉(zhuǎn)換成的熱量也不同。在一個(gè)特制的紅外檢測(cè)器中，再將熱量轉(zhuǎn)換成溫度或壓力，測(cè)量這個(gè)溫度和壓力，就可以準(zhǔn)確地測(cè)量被分析氣體的濃度。9.3紅外線氣體分析儀9.3.1測(cè)量原理9.3.2紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)9.3.3紅外線分析儀的應(yīng)用9.3.2紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)

工業(yè)紅外線氣體分析儀主要用于測(cè)量混合氣體中某種組分的濃度，它的種類很多。 從物理特性上可分：分光式及非分光式； 從測(cè)量方法上可分：直讀式和補(bǔ)償式； 從光學(xué)結(jié)構(gòu)上可分：?jiǎn)喂馐半p光束。

非分光直讀式雙光束紅外線分析儀優(yōu)點(diǎn)： 靈敏度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且可以測(cè)量微量和常量等，在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

雙光束直讀式紅外線氣體分析儀

1.雙光束直讀式紅外線氣體分析儀測(cè)量過程

2．雙光束直讀式紅外線氣體分析儀基本部件結(jié)構(gòu)

（1）光源和調(diào)制器 （2）氣室和濾光器 （3）檢測(cè)器3.具有雙層檢測(cè)氣室和光耦合器紅外線氣體分析儀測(cè)量原理1.氣體分析儀測(cè)量過程

不分光紅外線氣體分析儀的結(jié)構(gòu)2．分析儀基本部件結(jié)構(gòu)（1）光源和調(diào)制器（2）氣室（3）檢測(cè)器（1）光源和調(diào)制器光源的任務(wù)：產(chǎn)生具有一定調(diào)制頻率（2~12HZ）、兩束能量相等且穩(wěn)定的平行紅外光束1-反光鏡；2-光源；3-切光片；4-同步電機(jī)（2）氣室氣室包括分析氣室、參比氣室、接收器的測(cè)量接收室和參比接收室。分析氣室通入了待測(cè)氣體，其中，含有我們要測(cè)量的氣體，也可能有我們不要測(cè)量的氣體。這些氣體對(duì)紅外線有吸收作用，從而使原來能量相等的兩束紅外線產(chǎn)生了能量差。參比氣室內(nèi)封入的是不吸收紅外線能量的氮?dú)?，紅外線通過此氣室后能量保持不變。接收器的參比接收室和測(cè)量接收室都由前室和后室組成，都充有吸收氣體。所謂吸收氣體就是我們要測(cè)量的氣體。分析雙光路在下面一條光路中，兩個(gè)參比室是為了提供一個(gè)對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)，先是對(duì)紅外線能量一點(diǎn)都不吸收，再是對(duì)想要測(cè)量的氣體進(jìn)行吸收。在上面一條光路中，分析氣室通入待測(cè)氣體，有些波長(zhǎng)的光就被吸收了。在這些波長(zhǎng)中，有我們要測(cè)量的氣體的波長(zhǎng)，也可能有我們不要測(cè)量的氣體的波長(zhǎng)；再經(jīng)過后面一個(gè)接收氣室，其中是我們要測(cè)量的氣體。利用這種氣體對(duì)光做進(jìn)一步的吸收。這樣與下面一條光路中的光被吸收的情況進(jìn)行比較時(shí)，其結(jié)果就比較準(zhǔn)確。（3）檢測(cè)器1－窗口的光學(xué)玻璃，2－殼體，3－薄膜，其下部帶有電容傳感器的動(dòng)片，4－電容傳感器的定片5－絕緣體6－支架7和8－兩個(gè)氣室9－后蓋10－密封墊圈檢測(cè)器工作工程檢測(cè)器兩氣室所充的氣體就是需要測(cè)量的氣體，一般用中性氣體氮?dú)猓∟2）或氬氣（Ar）與被測(cè)氣體制成一定濃度的混合氣體充入檢測(cè)室中。被測(cè)氣體的濃度不要太高。 若濃度太高，紅外線中某一波長(zhǎng)的能量在檢測(cè)氣室窗口鏡片附近就會(huì)全部被吸收，而不能深入到檢測(cè)氣室的下層，此時(shí)局部溫度雖然相對(duì)高些，但窗口向四周的對(duì)流換熱和檢測(cè)氣室壁的傳導(dǎo)換熱損失會(huì)加大，檢測(cè)器的靈敏度就會(huì)下降。檢測(cè)氣室的密封極為重要檢測(cè)氣室動(dòng)片和定片之間必須保持很高的絕緣性，因此對(duì)封入的氣體要進(jìn)行深度的干燥。檢測(cè)器使用一段時(shí)間后，靈敏度會(huì)下降，可經(jīng)過重新充氣，方可繼續(xù)使用。3.具有雙層檢測(cè)氣室和光耦合器紅外線氣體分析儀測(cè)量原理

對(duì)于不同的氣體，雖然其吸收波長(zhǎng)各不相同，但也可能有部分重疊，這導(dǎo)致產(chǎn)生交叉干擾。

降低這種交叉干擾措施：（1）使用濾波氣室（分光器）；（2）使用帶有光耦合器的雙層檢測(cè)氣室；（3）使用濾光片。1-紅外線源（可調(diào)）2-光學(xué)過濾器；3-光束分離器（氣體過濾器）4-旋轉(zhuǎn)電流驅(qū)動(dòng)器5-斬光器6-樣氣入口7-樣氣室8-參比氣室9-樣氣出口10-檢測(cè)器（左）11-檢測(cè)器（右）12-微流量傳感器13-光耦合器14-滑動(dòng)觸頭（可調(diào)）9.4紅外線氣體分析儀9.4.1測(cè)量原理9.4.2紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)9.4.3紅外線分析儀的應(yīng)用9.4.3紅外線分析儀的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：選擇性好，靈敏度高，測(cè)量范圍廣，精度較高，常量為1~2.5級(jí)，低濃度（ppm）為2~5級(jí)，響應(yīng)速度快。 能吸收紅外線的CO、CO2、CH4、SO2等氣體、液體都可以進(jìn)行分析。應(yīng)用：大氣檢測(cè)、大氣污染、燃燒過程、石油及化工過程、熱處理氣體介質(zhì)、煤炭及焦炭生產(chǎn)過程等工業(yè)生產(chǎn)過程中。測(cè)定水中微量油分，醫(yī)學(xué)中肺功能的測(cè)定，并可在水果、糧食的儲(chǔ)藏和保管等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。Endthe9.39.4氣相色譜儀9.4.1色譜分析方法的由來9.4.2氣相色譜法的分離原理9.4.3定性分析和定量分析9.4.4工業(yè)氣相色譜儀的基本組成9.4.5氣相色譜儀的新發(fā)展9.4.1色譜分析方法的由來色譜法亦稱色層法或?qū)游龇ǎ臼且环N混合物分離技術(shù)?！吧V”這一術(shù)語二十世紀(jì)初俄國(guó)植物學(xué)家茨維特（M.Tswett）引用的，研究植物葉綠素的組成。在試驗(yàn)中，分離所用的玻璃試管稱為色譜柱， 沖洗劑石油醚稱為流動(dòng)相， 吸附劑CaCO3稱為固定相

色譜法原理：不同物質(zhì)在兩相——固定相和流動(dòng)相之間具有不同的分配系數(shù)，這些物質(zhì)同流動(dòng)相一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，在兩相間進(jìn)行反復(fù)多次的分配，使分配系數(shù)不同的物質(zhì)在移動(dòng)速度上產(chǎn)生顯著差別，從而使各組分達(dá)到完全分離。如果再配上適當(dāng)?shù)臋z測(cè)器對(duì)分離物進(jìn)行定性定量鑒定，就成為色譜分析法，簡(jiǎn)稱色譜法。色譜法分類依流動(dòng)相不同可分為氣相色譜法和液相色譜法。 依固定相也可以是固體或者液體，色譜法又可分為:氣-液色譜法氣-固色譜法液-液色譜法液-固色譜法氣相色譜法是一種以氣體為流動(dòng)相，采用柱色譜的物理分離分析技術(shù)。氣相色譜法的突出優(yōu)點(diǎn)

（1）分離效能高。對(duì)物理化學(xué)性能很接近的復(fù)雜混合物質(zhì)都能很好地分離，進(jìn)行定性、定量檢測(cè)。有時(shí)在一次分析時(shí)可同時(shí)解決幾十甚至上百個(gè)組分的分離測(cè)定。 （2）靈敏度高。能檢測(cè)出ppm級(jí)甚至ppb級(jí)的雜質(zhì)含量，而只需要不足1mL的氣體樣品或不足1的液體樣品。 （3）分析速度快。由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，甚至在幾秒鐘即可獲得精確的分析結(jié)果。 （4）應(yīng)用范圍廣。氣相色譜法可以分析氣體、易揮發(fā)的液體和固體樣品。就有機(jī)物分析而言，應(yīng)用最為廣泛，可以分析約20%的有機(jī)物。此外，某些無機(jī)物通過轉(zhuǎn)化也可以進(jìn)行分析。9.4氣相色譜儀9.4.1色譜分析方法的由來9.4.2氣相色譜法的分離原理9.4.3定性分析和定量分析9.4.4工業(yè)氣相色譜儀的基本組成9.4.5氣相色譜儀的新發(fā)展9.4.2氣相色譜法的分離原理1.氣相色譜儀的一般流程2.柱色譜的分離原理3.色譜圖及其主要參數(shù)1.氣相色譜儀的一般流程2.柱色譜的分離原理出峰時(shí)間的先后可作為定性分析的依據(jù)，峰的面積或峰高可作為定量分析的依據(jù)。氣-液色譜法

在一定溫度、壓力下，組分在氣液兩相間分配達(dá)到平衡時(shí)的質(zhì)量濃度比稱為分配系數(shù)，即Csi—組分i在固定相中的質(zhì)量濃度；Cmi—組分i在流動(dòng)相中的質(zhì)量濃度。在各個(gè)組分隨流動(dòng)相移動(dòng)過程中，分配系數(shù)較大的組分受到的阻滯力也較大，在固定相中停留的時(shí)間較多，移動(dòng)較慢。這種分配在柱管中要進(jìn)行103~106次。這就使得那些分配系數(shù)只有微小差別的物質(zhì)，在移動(dòng)速度上產(chǎn)生差別，只要有足夠的分配次數(shù)和足夠的時(shí)間，最終都可以使各組分達(dá)到完全分離。

色譜分析過程示意圖

3.色譜圖及其主要參數(shù)

由記錄儀得到的色譜圖又稱流出曲線。它是被分析樣品在載氣的帶動(dòng)下經(jīng)過色譜柱分離后進(jìn)入檢測(cè)器得到的信號(hào)圖形，是進(jìn)行成分定性分析和定量分析的依據(jù)。色譜圖主要參數(shù)（1）基線（2）保留時(shí)間

（3）保留體積

（4）區(qū)域?qū)挾群头蛛x度（1）基線基線：色譜儀啟動(dòng)后，只有載氣通過而沒有樣氣注入時(shí)所記錄的曲線。 基線一般不取零值，儀器性能穩(wěn)定時(shí)，它應(yīng)當(dāng)是平行于時(shí)間軸的直線。衡量色譜儀優(yōu)劣的主要指標(biāo):基線的漂移（2）保留時(shí)間進(jìn)樣信號(hào)：當(dāng)試樣注入時(shí)，由于壓力的突然變化或液體瞬間氣化切斷氣流，都會(huì)使檢測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)不大的輸出信號(hào)，如圖中的O點(diǎn)。死時(shí)間tr0：不能被固定相吸附或溶解的惰性組分（如空氣、惰性氣體等）從進(jìn)樣到出峰的時(shí)間，如圖中的OA段，此峰也叫空氣峰。tr0反映色譜柱中空隙體積的大小。保留時(shí)間tr：被分析組分從進(jìn)樣到出峰的時(shí)間，圖中OB段。校正保留時(shí)間：保留時(shí)間扣除死時(shí)間的數(shù)值，即,它表示該組分在固定相中停留的時(shí)間。（3）保留體積死體積、保留體積、校正保留體積分別指相應(yīng)的死時(shí)間tr0、保留時(shí)間tr和校正保留時(shí)間內(nèi)通過色譜柱載氣的體積。如果載氣的體積流量恒定不變，則體積保留值等于時(shí)間保留值與流量之積。（4）區(qū)域?qū)挾群头蛛x度色譜峰所占區(qū)域?qū)挾确从沉朔蛛x條件的優(yōu)劣。通常區(qū)域?qū)挾扔袃煞N表示方法：

①半峰寬：指色譜峰在峰高一半處的寬度，如圖8.5.5中的CH段。 ②基線寬Wb：指通過流出曲線的拐點(diǎn)所作的切線在基線上的截距，如圖8.5.5中的IJ段。分離度（或分辨力）只有相鄰的色譜峰能明顯分開時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)兩組分的有效分離。衡量指標(biāo)用分離度（或分辨力）來表示

分離度定義

相鄰兩色譜峰保留值（保留時(shí)間或保留體積）之差與兩峰寬度平均值之比，即R越大分散效果越好，R<1時(shí)兩峰有部分重疊；R=1時(shí)兩個(gè)等面積的高斯峰分離效率達(dá)98%；R=1.5時(shí)，其分離效率達(dá)99.7%，可以認(rèn)為完全分離。R若再大，則會(huì)加長(zhǎng)分析時(shí)間。在工業(yè)氣相色譜分析中，一般要求有很大的分離度，以便程序的安排和維持較長(zhǎng)的柱壽命，R的取值可達(dá)5~10。9.4氣相色譜儀9.4.1色譜分析方法的由來9.4.2氣相色譜法的分離原理9.4.3定性分析和定量分析9.4.4工業(yè)氣相色譜儀的基本組成9.4.5氣相色譜儀的新發(fā)展9.4.3定性分析和定量分析1、定性分析（1）相對(duì)保留值法

（2）加入已知物質(zhì)增加峰高法2、定量分析1.定性分析（1）相對(duì)保留值法某種物質(zhì)的校正保留值和基準(zhǔn)物質(zhì)的校正保留值之比ais僅與柱溫與固定相性質(zhì)有關(guān)，而與其操作條件無關(guān)，用ais定性就可以消除這些操作條件的影響。（2）加入已知物質(zhì)增加峰高法應(yīng)用范圍：如果樣品成分比較復(fù)雜，出峰時(shí)間接近或操作條件不易控制穩(wěn)定時(shí)。過程：首先通過色譜圖初步定性，把可能范圍縮小到某幾種物質(zhì)，然后用純物質(zhì)核對(duì)。方法：把一種或幾種純物質(zhì)依次分別加入到樣品中，如果加入某種純物質(zhì)時(shí)有一色譜峰相對(duì)增高，那么該峰就代表這種物質(zhì)。2.定量分析（1）定量分析原理（2）峰面積的測(cè)量方法（3）定量校正因子（4）兩種常用的定量計(jì)算方法（1）定量分析原理在氣相色譜儀中，用檢測(cè)器將組分質(zhì)量濃度或質(zhì)量轉(zhuǎn)換為易于測(cè)量的電信號(hào)。響應(yīng)與質(zhì)量濃度成正比的檢測(cè)器稱為濃度型檢測(cè)器，例如熱導(dǎo)池，其響應(yīng)方程為若響應(yīng)與質(zhì)量流量成正比，則稱為質(zhì)量型檢測(cè)器，如氫焰離子化檢測(cè)器，此時(shí)在一定的操作條件下，被測(cè)組分的質(zhì)量與它在色譜圖上表現(xiàn)出的面積成正比，用通式表達(dá)為顯然，進(jìn)行定量分析必須準(zhǔn)確測(cè)出峰面積，求出定量校正因子，并選用合適的計(jì)算方法把測(cè)量值換算成被測(cè)組分在試樣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。（2）峰面積的測(cè)量方法①峰高乘半峰寬法此方法適用于對(duì)稱性好的正常峰，其真實(shí)峰面積是上述計(jì)算值的1.065倍。②峰高乘平均峰寬法在峰高的15%和85%處分別測(cè)得峰寬，取兩者平均值作為峰寬，此法可用于帶前伸或拖尾的不對(duì)稱峰

③峰高乘以保留值法在一定操作條件下，結(jié)構(gòu)相近的同類物質(zhì)的半峰寬與保留值基本上成正比關(guān)系。因此，在相對(duì)測(cè)量中可用此方法。此方法方便，保留值也容易測(cè)準(zhǔn)確，適用于工廠分析。④自動(dòng)積分儀法配備電子自動(dòng)積分儀，直接測(cè)出色譜峰面積，精確度達(dá)到0.2%～2%，但測(cè)量小峰時(shí)誤差較大。（3）定量校正因子式（8.5.7）中的fsi不僅因不同組分而異，而且還取決于檢測(cè)器的靈敏度及某些操作條件，給實(shí)際應(yīng)用帶來困難，所以在定量分析中都使用相對(duì)校正因子。相對(duì)校正因子與操作條件無關(guān)，它可由實(shí)驗(yàn)確定，其詳細(xì)介紹可查閱有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)。（4）兩種常用的定量計(jì)算方法①歸一化法②外標(biāo)法①歸一化法當(dāng)樣品中所有組分都能出峰時(shí)，同時(shí)也得知各組分的校正因子，則可求出各組分的含量,歸一化定量計(jì)算法的優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算方便，準(zhǔn)確，進(jìn)樣量的波動(dòng)不影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。儀器的操作條件及其波動(dòng)對(duì)分析結(jié)果的影響比較小。使用歸一化定量法的條件：是必須保證樣品中所有組分在一定時(shí)間內(nèi)必須全部出峰，且峰形無重疊現(xiàn)象。②外標(biāo)法定量樣品校正法工廠控制分析中常用的絕對(duì)定量方法。首先，用已知組分的純樣品加稀釋劑，配成一系列不同質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣，在一定條件下進(jìn)行色譜分析，作出峰面積（或峰高）對(duì)質(zhì)量濃度的關(guān)系曲線，稱工作曲線。然后在同樣的操作條件下取同量被分析試樣注入色譜儀，測(cè)得待分析組分的峰面積（或峰高），由工作曲線查出被測(cè)組分含量。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，使用方便，分析的準(zhǔn)確度主要取決于進(jìn)樣量的重復(fù)性和操作條件的穩(wěn)定性。9.4氣相色譜儀9.4.1色譜分析方法的由來9.4.2氣相色譜法的分離原理9.4.3定性分析和定量分析9.4.4工業(yè)氣相色譜儀的基本組成9.4.5氣相色譜儀的新發(fā)展9.4.4工業(yè)氣相色譜儀的基本組成和一般實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜儀相比增加了取樣系統(tǒng)，采用柱切技術(shù)，而且程序控制和信息處理完全是自動(dòng)化的。1.取樣系統(tǒng)取樣系統(tǒng)完成取樣和樣品預(yù)處理任務(wù)，是生產(chǎn)裝置和工業(yè)氣相色譜儀的接口設(shè)備。實(shí)際上，在分析儀外部就應(yīng)對(duì)樣品進(jìn)行初步的預(yù)處理，例如減壓、除水、除塵等。分析儀內(nèi)部取樣及樣品預(yù)處理系統(tǒng)應(yīng)具有調(diào)壓、流路切換、流量監(jiān)視、大氣平衡和標(biāo)準(zhǔn)氣（或標(biāo)準(zhǔn)液）校正等功能。取樣及樣品預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮其它一些實(shí)際問題，例如，系統(tǒng)管路和部件的耐腐蝕性、防止泄漏、防爆、減少傳輸滯后時(shí)間以及控制排空污染等。2.載氣流路系統(tǒng)載氣流路系統(tǒng)包括：載氣源、凈化器、壓力與流量的穩(wěn)定與調(diào)節(jié)裝置（參見圖8.5.2）。通常使用鋼瓶中的高壓氣體作載氣源。鋼瓶出口要有減壓閥，使壓力降到0.1～0.5MPa。為了避免污染色譜柱，要求載氣純度高，穩(wěn)定性好。因此，多用硅膠、分子篩和活性炭等吸附載氣中的水分和烴類化合物?？捎米鬏d氣的氣體有氫氣、氮?dú)?、氬氣等。氣相色譜分析儀要求載氣流量保持恒定，其變化應(yīng)小于1%。所以在氣路中要配置流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥，還要加裝穩(wěn)壓閥來連續(xù)調(diào)整并穩(wěn)定流路的氣壓，從而達(dá)到穩(wěn)定流量的目的。3.進(jìn)樣裝置進(jìn)樣就是把氣體、液體或經(jīng)過轉(zhuǎn)化的固體樣品定量地加到色譜柱頭上，以便進(jìn)行色譜分離。進(jìn)樣數(shù)量的恒定性，進(jìn)樣時(shí)間的長(zhǎng)短，試樣氣化的速度等都會(huì)影響定量結(jié)果的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。（1）氣化室（2）進(jìn)樣閥（1）氣化室氣化室外壁用金屬塊制成，工作溫度可控制在50～500℃之間。工作溫度高于250℃時(shí)，為防止催化效應(yīng)，宜采用內(nèi)插玻璃管結(jié)構(gòu)。氣化室的功能：保證液體試樣在其中瞬間氣化。載氣進(jìn)入氣化室前要預(yù)熱，但硅橡膠墊應(yīng)冷卻，以避免發(fā)生多余的化學(xué)反應(yīng)。（2）進(jìn)樣閥要求：氣密性好，死體積小，可靠耐用，切換時(shí)間快，有的場(chǎng)合還要求能夠耐腐蝕和在一定溫度條件下工作進(jìn)樣閥工作原理4.色譜柱色譜柱是色譜分析儀的核心部件，它的好壞對(duì)整個(gè)儀器指標(biāo)具有重要作用。色譜柱有填充柱及毛細(xì)管柱兩種。填充柱中裝有固體吸附物質(zhì)或有固定液的擔(dān)體，選擇不同的填充物能夠分離N2，O2，H2，Ar等高沸點(diǎn)的各種化合物。毛細(xì)管柱具有較高的分離效率，固定相液體涂在內(nèi)徑很小的毛細(xì)管內(nèi)壁上。固定相可分為固體固定相和液體固定相兩種。固體固定相是一個(gè)吸附劑，對(duì)不同組分有不同的吸附能力。具有不同吸附能力的吸附劑

弱吸附劑中等吸附劑強(qiáng)吸附劑

吸

附作用增強(qiáng)蔗糖淀粉菊淀粉滑石粉碳酸鉀碳酸鈣磷酸鈣碳酸鎂氧化鎂氫氧化鈣活性硅膠活性硅酸鎂活性氧化鋁活性炭粘土固定液一些高沸點(diǎn)的有機(jī)液體，選擇固定液的原則是在使用溫度下完全不揮發(fā)或揮發(fā)性極小，而對(duì)各分析組分有一定溶解能力及分配系數(shù)的差別。當(dāng)用固定液時(shí)，需要把它涂在稱為擔(dān)體的固定材料上，擔(dān)體的作用是使固定液牢固地分布在上面。5.檢測(cè)器鑒定器儀器的關(guān)鍵部件，經(jīng)過色譜柱分離的組分用檢測(cè)器把它們轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行定性和定量分析。檢測(cè)器分為濃度型和質(zhì)量型兩大類。濃度型檢測(cè)器的響應(yīng)取決于載氣和組分在混合物中組分的質(zhì)量濃度，即輸出正比于質(zhì)量濃度，如熱導(dǎo)檢測(cè)器。質(zhì)量型檢測(cè)器的響應(yīng)取決于單位時(shí)間里進(jìn)入檢測(cè)器的組分質(zhì)量，而輸出正比于質(zhì)量流量，如氫焰離子化檢測(cè)器。（1）檢測(cè)器的主要技術(shù)指標(biāo)①靈敏度：在色譜儀中，靈敏度指一定量的組分通過檢測(cè)器時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)大小。如果以進(jìn)樣量P對(duì)輸出量R作圖，可得圖曲線：①靈敏度Ki：定義為該直線的斜率②檢測(cè)度：它表示檢測(cè)器所能檢測(cè)的最小進(jìn)樣量，其大小主要受噪聲所制約。設(shè)檢測(cè)器噪聲為RN(mV或),則檢測(cè)度為（8.5.12）③線性范圍：在圖8.5.10中，當(dāng)進(jìn)樣量大于時(shí)，R-P關(guān)系就明顯偏離直線，從到一段就表示檢測(cè)器線性工作范圍。線性范圍一般表示為與之比，并寫成10n或?qū)?shù)形式。（2）熱導(dǎo)池檢測(cè)器氣相色譜儀用熱導(dǎo)池檢測(cè)器特點(diǎn)：首先，一般希望熱導(dǎo)池半徑大，混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)小以提高靈敏度。其次，色譜儀用熱導(dǎo)池趨于小型化，使用小熱導(dǎo)池可以避免組分被“稀釋”，有利于減小峰寬，提高分離度。第三，為了測(cè)量微量試樣，對(duì)熱導(dǎo)池壁溫控制要求較高。因此，色譜儀用熱導(dǎo)池多采用直通式結(jié)構(gòu)，以便發(fā)揮它響應(yīng)快，靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。（3）氫焰離子化檢測(cè)器屬于離子化檢測(cè)器，根據(jù)物質(zhì)