各类气体分析仪基本原理及特点

1

、质谱仪的基本原理

质谱仪又称质谱计，

是分离和检测不同同位素的仪器。

它根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，

按

物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。

具体工作过程为：质谱仪以离子源、质量分析器和离子检测器为核心。离子源是使试样分子在高真空条件

下离子化的装置。

电离后的分子因接受了过多的能量会进一步碎裂成较小质量的多种碎片离子和中性粒子。

它们在加速电场作用下获取具有相同能量的平均动能而进入质量分析器。质量分析器是将同时进入其中的

不同质量的离子，

按荷质比

q/m

（

q

为电荷，

m

为质量）

大小分离的装置，

原理公式：

q/m=2U/

（

U

为电压，

B

为磁感应强度，

r

为半径）。分离后的离子依次进入离子检测器，采集放大离子信号，经计算机处理，绘

制成质谱图。

优点：测量气体种类多，测试速度快，灵敏度高，结果，稳定性和重复性也较高。

缺点：是价格偏高；仪器机构复杂，需要专业人员维护；要求环境高。

2

、气相色谱仪的基本原理

检测混合物由载气（载气特性为惰性气体，不应与样品和溶剂反应。一般可选用且常用的载气有氢气，氮

气，氦气。氦气有的分离柱效果，氦气用于热导式测量组件，氢气用于当氦气不能使用的场合，另一

为氦气和氢气的混合气可得到较快的响应）带入，检测混合物通过色谱柱（通常为填充柱和毛细管柱）与

色谱柱内固定相（我们把色谱柱内不移动，起分离作用的填料称为固定相）相互作用，这种相互作用大小

的差异使各混合物各组分按先后次序从流出，并且依次导入检测器，从而得到各组分的检测信号。按照导

入检测器的先后次序，经过对比，可以区别出是什么组分，根据峰高度或峰面积可以计算出各组分含量。

主要特点

气相色谱仪因为检测器的不同而具有不同的优缺点。

2.1 

氢火焰检测器气相色谱仪。氢火焰检测器

(FID, flame ionization detector)

是利用氢火焰作电离源，使

被测物质电离，产生微电流的检测器。它是破坏性的、典型的质量型检测器。

优点：

对几乎所有的有机物均有响应，特别是对烃类化合物灵敏度高，而且响应值与碳原子数成正比；对

H2O

、

CO2

和

CS2

等无机物不敏感；对气体流速、压力和温度变化不敏感。它的线性范围宽，结构简单、操作

方便，死体积几乎为零。因此，作为实验室仪器，

FID

得到普遍的应用，是zui常用的气相色谱检测器。

缺点：

需要可燃气体

(

氢气

)

、助燃气体和载气三种气源钢瓶及其流速控制系统。因此，制作成一体化的便携式

仪器非常困难，

特别是应对突发性环境污染事件的分析与检测就更加困难，

因为它需要点

“

一把火

”,

增加了

引燃、引爆的潜在危险性

2.2

热导检测器气相色谱仪。热导检测器

( TCD, thermal conductivity detector)

是利用被测组分和载气热导

系数不同而响应的浓度型检测器（在一定浓度范围（线性范围）内，响应值

R

（检测信号）大小与流动相

中被测组分浓度成正比（

R

∝

C

）），它是整体性能检测器，属物理常数检测方法。

优点：

它对所有的物质都有响应，

结构简单、

性能可靠、

定量准确、

价格低廉、

经久耐用，

又是非破坏性检测器，

因此，

TCD

始终充满着旺盛的生命力。近十几年来，配置于商品化气相色谱仪的产量仅次于

FID,

应用范

围较广泛。

缺点：

与其他检测器相比，

TCD

的灵敏度低，这是影响其应用于环境分析与检测的主要因素。以氦气作载气，

进气量为

2

mL

时，检出限可达量级。因此，使用这种检测器的便携式气相色谱仪，不适于室内外一般环

境污染物分析与检测，大多用于污染源和突发性环境污染事故的分析与检测。

3

、红外线气体分析仪基本原理

红外线气体分析仪的测量依据：

朗伯

-

比尔定律：其物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时

,

其吸光度与吸

光物质的浓度及吸收层厚度成正比。

红外线气体分析仪工作原理：

基于某些气体对红外线的选择性吸收。红外线分析仪常用的红外线波长为

2~12μm

。简单说就是将待测

气体连续不断的通过一定长度和容积的容器，从容器可以透光的两个端面中的一个端面侧边射入一束红外

光，然后在另一个端面测定红外线的辐射强度，zui后依据红外线的吸收与吸光物质的浓度成正比就可知道

被测气体的浓度。

优点：

1

）测量范围宽：可分析气体上限达

100%

，下限达几个（

ppm

）的浓度。进行精细化处理后，还可以进行

痕量

 (ppb)

分析（物质中含量在百万分之一以下组合的分析方法）；

2

）灵敏度高：具有很高的监测灵敏度，气体浓度有微小变化都能分辨出来；

3

）测量精度高：一般都在

 FS

（满量程）

,

不少产品达到

FS

。与其他分析手段相比，它的精度较高且稳

定性好；反应速度快：响应时间一般在

10S

以内（达到

T90

的时间）；

缺点：

不能分析对称结构无极性双原子分子（如、、）及单原子分子气体（

He

、

Ne

、

Ar

），或者需要和其他检测

器使用。

4

、紫外线气体分析仪的原理

紫外线气体分析仪是可见分光光度计中的一种，其分析方法属于紫外吸收光谱法，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

为吸光度；

T

为透射比，是透射光强度比上入射光强度

K

为摩尔吸收系数，它与吸收物质的性质

及入射光的波长

λ

有关；

c

为吸光物质的浓度；

b

为吸收层厚度；当光源、波长和样品池厚度确定后，它

们就成了常数。这时透过样品的光强度仅与样品中待测组分的浓度有关。紫外线气体分析仪就是根据这一

原理工作的。

优点：操作简单，可以测量

SO2

、

NOx

、

HCl

、

NH3

等气体

缺点：测量度不高，同等性能、功能情况下仪器价格比红外线高。

5

、热导式气体分析仪基本原理

热导式气体分析仪是一种物理类的气体分析仪表。它根据不同气体具有不同的热传导能力的原理，通过测

定混合气体热导系数来推算其中某些组分的含量。

优点：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。适用的气体种类较多，是一

种基本的分析仪表

缺点：

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。

6

、电化学式气体分析仪基本原理

电化学式气体分析仪是一种化学类气体分析仪表。它根据化学反应所引起的离子量的变化或者电流变化来

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位电解式和伽伐尼电池式。

优点：体积小、检测速度快、准确、便携、可现场直接检测和连续检测。

缺点：电化学式气体分析仪中使用成本较大，在实际使用中还会普遍存在取样流量、气体交叉干扰（电化

学传感器通过设置不同的电极电位，使得传感器对应某一特定气体敏感，从而达到测定的目的，但对于电

极电位相似的气体，会产生交叉干扰）以及预前处理等方面的问题。

7

、氧分析仪按原理分为氧化钴、顺磁性。

7.1.

氧化钴分析仪基本原理

氧化钴分析仪测量含氧量的基本原理是利用所谓的

“

氧浓差电势

”

，即在一块氧化钴两侧分别附以多孔的铂

电极（又称铂黑）并使其处于高温下。如果两侧气体中含氧量不同，那么在两电极间就会出现电动势。这

种电动势是由于固体电解质两侧气体含氧浓度不同而产生的，所以叫氧浓差电势，而氧浓差电势大小可以

通过能斯特公式计算出来。

优点：

一般用于烟道排放或燃烧控制，取样探头可耐高温及耐腐蚀，安装方式为直接插入式或抽取式。它结构简

单，稳定性好、灵敏度高，响应快等特点，输出信号便于信号传输与处理，精度比较高。

缺点：测量时易受温度影响，测量气体单一。

7.2.

顺磁性分析仪基本原理

顺磁式氧分析仪，也可叫做磁效应式氧分析仪、或磁式氧分析仪，我们通常通称为磁氧分析仪。它一般分

为磁机械式、磁压力式和氧热磁对流式分析仪三种该类型。顺磁性氧分析仪利用氧分子具有顺磁性，被测

气体引至内置磁场，氧分子在磁场内顺应磁场运动，在悬挂的哑铃球上产生推力，通过测量哑铃球的偏移

而得出被测气体中的氧含量。

优点：响应速度快，测量精度高，常用于过程控制。

缺点：顺磁氧对仪器环境要求高，不能受到震动，测量气体单一

8

、激光气体分析仪

8.1.

半导体激光气体分析仪基本原理

DLAS(DiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)

半导体激光吸收光谱技术的简称。

DLAS

技术本质上是一种光

谱吸收技术，通过分析激光被气体的选择性吸收来获得气体的浓度。它与传统红外光谱吸收技术的不同之

处在于，半导体激光光谱宽度远小于气体吸收谱线的展宽。因此，

DLAS

技术是一种高分辨率的光谱吸收

技术，半导体激光穿过被测气体的光强衰减可用朗伯

-

比尔（

Lambert-Beer

）定律表述式得出，关系式表明

气体浓度越高，对光的衰减也越大。因此，可通过测量气体对激光的衰减来测量气体的浓度。

优点：

响应测量时间可降到

1

秒，无其他气体的交叉干扰，无需采样，能现场在线测量，可以进行非常低

(ppb

级

和低

ppm

级

)

的探测极限。

缺点：安装复杂，不好对仪器进行维护，在测量过程易受被测气体影响导致测量结果不准确。

8.2.

拉曼激光气体分析仪基本原理

拉曼激光气体分析仪

RLGA

的核心部分是一个激光检测装置，其中的氦氖激光器可以发射一种安全的低功

率单波激光到一个气体测试腔内。由于激光能量微弱，装置内部通过检测腔两端的反射镜不断进行反射，

将能量放大

1000

倍左右。光子与气体分子发生碰撞后发生散射，产生一种不同于激光频谱的光谱，而且

不同分子散射出来的光谱是特定不相同的，

这就是我们所称的

“

拉曼散射光谱

”

。

拉曼激光气体分析仪

RLGA

检测腔内壁装有

8

个光学滤波器和光电传感器，用来吸收和检测不同分子的特定光谱频率，从而得到

8

种

不同待测气体成分含量。拉曼激光气体分析仪

RLGA

根据这种原理，每种待测气体的含量都是通过直接测

量得到的，不需要任何的导算；而且拉曼激光气体分析仪

RLGA

的检测精度更高；反应速度更快。

优点：

1

）能够在线检测几乎所有的工业过程气体种类（可测气体种类已超过

100

种）。

2

）可进行现场分散采样，在化验室集中分析，也可以进行现场在线测量，每秒钟抽样检测达

20

次。

3

）可对气体热值进行检测分析。

4

）抽取式采样，一台分析仪可同时测量

8

种或者

16

种气体，极适合复杂混合气体测量。

所有测量结果均为直接测量所得，不需要导算。

5

）检测间隔为

50

毫秒，响应时间可低至

1

秒。

6

）气体检测量程不受限制，同一部分析仪可测量下线几个

ppm

，上线为

100%

。

7

）可集成全自动气体连续采样系统和标定系统。

8

）可集成全自动反吹和反冲洗系统。

9

）可集成检测点压力、温度跟踪系统。

10

）体积小，便于安装和操作。

11

）标准数字

OPC

信号输出（检测结果、压力、温度、流量，及分析仪状态等参数）。

12

）维护简单，只需定期清洗光学器件表面以及更换过滤器和干燥剂，不需要专业人员维护。

13

）使用寿命

8

年以上，光学仪器

5

年以上。

缺点：仪器宣传力度不够，了解这种仪器及其工作原理的人不多，人们一时难以接受。光学器件国内暂时

做不到，都要靠国外提供。