第八章 气体成分分析
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第8章 气体成分分析
Analysis of the Gas Componant
气体成分分析的意义
• 成分分析在工业生产及科学研究中具有广 泛的用途
• 燃烧过程可以通过对烟气中的O2或CO2含量 分析或判断，了解燃烧状况
• 环境监测，就是分析大气或烟气中NOx/SO2 等有害成分的含量是否超标，CO2???
• 实际上每一种化合物的分子并不是对红外光谱范 围内任意一种波长的辐射都具有吸收能力，而是 有选择性吸收某一个或某一组特定波段内的辐射， 这个特定的波段就是分子的特征吸收带，如同 “物质指纹”
• 通过对特征吸收带及其吸收光谱的分析，可以识 别分子类型，得到待测组分的含量
红外气体分析仪
• 对于一定波长的红外辐射吸收，其强度与待测 组分浓度间的关系可以由贝尔定律来描述：
热电势/mV 29.13 29.97 30.81 31.64 32.46
差值/mV 19.75 19.92 20.08 20.26 20.44
随温度变化，氧浓度差电势和热电势变化基本相等，二 者之差基本相等，由此可得到一种较为简单的补偿系统
氧化锆氧量计的测量系统
• 氧化锆产生的氧浓差电势和反串的热电势 之差都可以远传到二次仪表
氧化锆氧量计
• 8.1.1 氧化锆测氧原理
• 氧浓差电势：一块氧化锆两侧分别附上一个多孔铂 电极，并使其处于高温下。如果两侧氧含量不同， 那么两个电极间就会出现电动势，此电动势是由于 固体电解质两侧气体的含量浓度不同而产生的，故 称为氧浓差电势，这样的装置叫做氧浓差电池
－
P1
O 2 O 2
φ1
一、氧化锆氧量计
• 氧化锆氧量计是近30年发展起来的一种烟气 氧含量分析测量仪表
• 结构简单、灵敏度高、测量范围大、响应快 • 氧化锆的特性：固体电解质、离子导电特性、
升温过程晶相变化，会出现降氧离子空穴， 降温过程中反过来进行；当掺进去CaO时， 会产生很大浓度的氧离子空穴，推动氧离子 运动的能力就强，分析氧离子含量变化的分 辨率高
• 火灾研究中，气体成分分析，了解火灾产 生烟气中对人体健康最致命的成分含量及 排序？？？
气体成分分析技术
• 电化学方法测气体成分-氧化锆氧量计 • 红外法测多原子分子的气体成分（CO、
CO2、SO2）－红外气体分析仪 • 化学荧光法测NOx • 光谱分析技术:傅立叶红外光谱分析仪
（FTIR）、气相色谱仪(GC)、原子发射光 谱仪(ICP)
E E0ekcl
E 透射红外辐射的强度；E0 入射红外辐射的强度；
k 待测组分对波长为的红外辐射的吸收系数；
c 待测组分的量浓度；l 红外辐射穿过的待测组分的长度。
• 强度仅仅是待测组分物质的量浓度的单值函数
红外气体分析仪
单组分红外气体分析仪系统
5
1
2 34
6
7
8 9 10 11
• 使用此式是在气体总压和参比总压相等的条件下得 出，注意使用条件
氧化锆氧量计的测量系统
• 氧化锆管
3
2
1
3
ຫໍສະໝຸດ Baidu
氧化锆管是测氧计的发送 4 器，有封头式和无封头式
两种，铂电极分别附在内、 外壁上，并用铂丝作为电 极引出线
性能稳定，复制性好，空
4
隙小，纯度高等
铂电极应牢固附着在氧化 锆管上，且具有多孔性
O 2 O 2
＋
O2 P2 O2 φ2
如果φ1＝0，φ2 φ1 如果φ1≠0, φ2 φ1
ZrO2 CaO
铂电极
氧化锆氧量计
• 氧浓差电势
• 能斯特方程给出氧浓差电势大小：
E RT ln p2 nF p1
E 氧浓差电势（V）; F－法拉第常数，为96487C / mol; R 理想气体常数，8.314J /(mol K ); T 热力学温度（k); n 一个氧分子从正电极带到负电极的电子数，n 4
• 温度越高，氧浓度增大，浓差电势减小， 补偿结果的准确度稍有下降
• 所以不能完全补偿，但系统简单，在工业 上应用很广
• 如需要更精确测量，可采用更复杂的电路 结构或恒温装置
二、红外气体分析仪
• 根据红外理论，许多化合物分子在红外波段都具 有一定的吸收带。
• 吸收带的强弱及所在的波长范围由分子本身的结 构决定
氧化锆氧量计
• 实际应用中，取空气做气体2（参比气体）， 其含氧量φ2和氧分压p2固定不变，气体1即被 分析的气体
• 如果被分析气体和参比气体的总压都是p，则 可都采用相对压力p1/p，能斯特方程变为：
E RT ln p2 / p nF p1 / p
E T (0.0338 0.0496 lg 1) (mV )
红外气体分析仪
• 红外气体分析仪除了对单原子气体（He、Ne、 Ar等）和双原子气体同核分子（如O2、N2、 H2等）不能分析外，其他具有偶极矩的气体 分子都可以分析
1－凹面反射镜；2－红外光源；3－切光片；4－马达；5－参 考气室；6－样品气室；7－干涉滤光片；8－聚光镜；9－红 外探测器；10－信号放大器；11－显示器
红外气体分析仪
3组分含量 信号被分 4 5 离后记录
1
23
6
11
7 89
10
12
13 Ra Rb Rc
Sa Sb Sc
1－红外光源；2－马达；3－切光片；4－光源；5－光电二极 管；6－放大器；7－样品室；8－红外探测器；9－信号放大器； 10－分离器；11、12、13－显示器
氧化锆氧量计
• 温度T一定时，氧浓差电势E与被测气体含氧量φ1 成单值非线性函数关系，故二次仪表的刻度也是非 线性的
• 氧量信号作为调节信号时，应是线性化
• 氧浓差电势与温度有关，在测量系统中必须采用恒 温措施或对温度变化进行补偿
• 为保证一定的灵敏度，应使工作温度在600°C以 上，由于ZrO2的烧结温度为1200°C，故工作温度 不能超过1150°C
氧化锆氧量计的测量系统
• 补偿式测量系统
• 为得到氧浓度差电势与被测含氧量的单一关 系，方法之一就是在测量系统中加入温度补 偿回路对温度的变化进行补偿
＋ 浓差 电势 －
温差 － 电势 ＋
二次仪表
氧化锆氧量计的测量系统
温度/°C 700 720 740 760 780
氧浓差电势/mV 44.88 49.89 50.89 51.90 52.90
Analysis of the Gas Componant
气体成分分析的意义
• 成分分析在工业生产及科学研究中具有广 泛的用途
• 燃烧过程可以通过对烟气中的O2或CO2含量 分析或判断，了解燃烧状况
• 环境监测，就是分析大气或烟气中NOx/SO2 等有害成分的含量是否超标，CO2???
• 实际上每一种化合物的分子并不是对红外光谱范 围内任意一种波长的辐射都具有吸收能力，而是 有选择性吸收某一个或某一组特定波段内的辐射， 这个特定的波段就是分子的特征吸收带，如同 “物质指纹”
• 通过对特征吸收带及其吸收光谱的分析，可以识 别分子类型，得到待测组分的含量
红外气体分析仪
• 对于一定波长的红外辐射吸收，其强度与待测 组分浓度间的关系可以由贝尔定律来描述：
热电势/mV 29.13 29.97 30.81 31.64 32.46
差值/mV 19.75 19.92 20.08 20.26 20.44
随温度变化，氧浓度差电势和热电势变化基本相等，二 者之差基本相等，由此可得到一种较为简单的补偿系统
氧化锆氧量计的测量系统
• 氧化锆产生的氧浓差电势和反串的热电势 之差都可以远传到二次仪表
氧化锆氧量计
• 8.1.1 氧化锆测氧原理
• 氧浓差电势：一块氧化锆两侧分别附上一个多孔铂 电极，并使其处于高温下。如果两侧氧含量不同， 那么两个电极间就会出现电动势，此电动势是由于 固体电解质两侧气体的含量浓度不同而产生的，故 称为氧浓差电势，这样的装置叫做氧浓差电池
－
P1
O 2 O 2
φ1
一、氧化锆氧量计
• 氧化锆氧量计是近30年发展起来的一种烟气 氧含量分析测量仪表
• 结构简单、灵敏度高、测量范围大、响应快 • 氧化锆的特性：固体电解质、离子导电特性、
升温过程晶相变化，会出现降氧离子空穴， 降温过程中反过来进行；当掺进去CaO时， 会产生很大浓度的氧离子空穴，推动氧离子 运动的能力就强，分析氧离子含量变化的分 辨率高
• 火灾研究中，气体成分分析，了解火灾产 生烟气中对人体健康最致命的成分含量及 排序？？？
气体成分分析技术
• 电化学方法测气体成分-氧化锆氧量计 • 红外法测多原子分子的气体成分（CO、
CO2、SO2）－红外气体分析仪 • 化学荧光法测NOx • 光谱分析技术:傅立叶红外光谱分析仪
（FTIR）、气相色谱仪(GC)、原子发射光 谱仪(ICP)
E E0ekcl
E 透射红外辐射的强度；E0 入射红外辐射的强度；
k 待测组分对波长为的红外辐射的吸收系数；
c 待测组分的量浓度；l 红外辐射穿过的待测组分的长度。
• 强度仅仅是待测组分物质的量浓度的单值函数
红外气体分析仪
单组分红外气体分析仪系统
5
1
2 34
6
7
8 9 10 11
• 使用此式是在气体总压和参比总压相等的条件下得 出，注意使用条件
氧化锆氧量计的测量系统
• 氧化锆管
3
2
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
氧化锆管是测氧计的发送 4 器，有封头式和无封头式
两种，铂电极分别附在内、 外壁上，并用铂丝作为电 极引出线
性能稳定，复制性好，空
4
隙小，纯度高等
铂电极应牢固附着在氧化 锆管上，且具有多孔性
O 2 O 2
＋
O2 P2 O2 φ2
如果φ1＝0，φ2 φ1 如果φ1≠0, φ2 φ1
ZrO2 CaO
铂电极
氧化锆氧量计
• 氧浓差电势
• 能斯特方程给出氧浓差电势大小：
E RT ln p2 nF p1
E 氧浓差电势（V）; F－法拉第常数，为96487C / mol; R 理想气体常数，8.314J /(mol K ); T 热力学温度（k); n 一个氧分子从正电极带到负电极的电子数，n 4
• 温度越高，氧浓度增大，浓差电势减小， 补偿结果的准确度稍有下降
• 所以不能完全补偿，但系统简单，在工业 上应用很广
• 如需要更精确测量，可采用更复杂的电路 结构或恒温装置
二、红外气体分析仪
• 根据红外理论，许多化合物分子在红外波段都具 有一定的吸收带。
• 吸收带的强弱及所在的波长范围由分子本身的结 构决定
氧化锆氧量计
• 实际应用中，取空气做气体2（参比气体）， 其含氧量φ2和氧分压p2固定不变，气体1即被 分析的气体
• 如果被分析气体和参比气体的总压都是p，则 可都采用相对压力p1/p，能斯特方程变为：
E RT ln p2 / p nF p1 / p
E T (0.0338 0.0496 lg 1) (mV )
红外气体分析仪
• 红外气体分析仪除了对单原子气体（He、Ne、 Ar等）和双原子气体同核分子（如O2、N2、 H2等）不能分析外，其他具有偶极矩的气体 分子都可以分析
1－凹面反射镜；2－红外光源；3－切光片；4－马达；5－参 考气室；6－样品气室；7－干涉滤光片；8－聚光镜；9－红 外探测器；10－信号放大器；11－显示器
红外气体分析仪
3组分含量 信号被分 4 5 离后记录
1
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7 89
10
12
13 Ra Rb Rc
Sa Sb Sc
1－红外光源；2－马达；3－切光片；4－光源；5－光电二极 管；6－放大器；7－样品室；8－红外探测器；9－信号放大器； 10－分离器；11、12、13－显示器
氧化锆氧量计
• 温度T一定时，氧浓差电势E与被测气体含氧量φ1 成单值非线性函数关系，故二次仪表的刻度也是非 线性的
• 氧量信号作为调节信号时，应是线性化
• 氧浓差电势与温度有关，在测量系统中必须采用恒 温措施或对温度变化进行补偿
• 为保证一定的灵敏度，应使工作温度在600°C以 上，由于ZrO2的烧结温度为1200°C，故工作温度 不能超过1150°C
氧化锆氧量计的测量系统
• 补偿式测量系统
• 为得到氧浓度差电势与被测含氧量的单一关 系，方法之一就是在测量系统中加入温度补 偿回路对温度的变化进行补偿
＋ 浓差 电势 －
温差 － 电势 ＋
二次仪表
氧化锆氧量计的测量系统
温度/°C 700 720 740 760 780
氧浓差电势/mV 44.88 49.89 50.89 51.90 52.90