气体组分测量与分析
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热工测试技术
南昌大学机电工程学院
第十一章、气体组分测量与分析
本章学习要求：
1. 气体组分测量仪器的工作原理 2. 仪器适用情况
第十一章、气体组分测量与分析 南昌大学机电工程学院
11.1 概述
❖ 气体组分分析是燃烧过程中常涉及到的一种测试技 术。尤其是在线气体分析，由于其测量时间短，使 用方便等优点而得到了大量的应用。
使用时，测量系统要采取保温措施或进行温度补偿 常用热电偶进行温度补偿。
11.4 氧含量测量
南昌大学机电工程学院
汽车氧传感器及陶瓷发热芯
第十一章、气体组分测量与分析 南昌大学机电工程学院
11.5 氮氧化合物含量测量 NDIR法缺点:稳定除湿，保持高温，防止 NO溶入水或吸附于壁面。 测量NOx一般采用化学发光法。
化学发光检测器（CLD） 也叫NOx分析仪。
11.5 氮氧化合物含量测量
南昌大学机电工程学院
1.基本原理：利用化学发光法测量NO，是依据NO－O3反应生成 NO2和O2,其中的一些二氧化氮被提升到电子激发状态，然后 随着光子的挥发又迅速恢复到原态。
❖ 常用：氧化锆氧量分析仪、磁性氧量分析仪
11.4 氧含量测量 ❖氧化锆氧量测量原理：
氧化锆浓差电池原理
ZrO2固体电解质
＋CaO或Y2O3后，增加氧离子 空穴含量，在800～1200℃， 成为氧离子导体
南昌大学机电工程学院
11.4 氧含量测量
南昌大学机电工程学院
11.4 氧含量测量
南昌大学机电工程学院
式中k -----I-被 测I0 气e体kC对l 波长λ的
红外辐射的吸收系数
C ------被测气体的浓度
l ------ 通过气样的光程长度
射入某种气体的外来辐射能，只有其频 率符合该气体分子的特征频率时，气体 才能吸收此辐射能。
❖ 两束等能量的红外光分别进入并行的两 个光学器件。一个通入参考气体，另一 个通入采样气体。检测器可连续测量两 个气室中所吸收的红外光能量的差别， 这个差别就是采样气体中待测气体成分 的浓度。
色谱分离过程动画 气相色谱动画
11.2 色谱分析仪 色谱分析仪分类：
南昌大学机电工程学院
按流动相：液相色谱分析仪和气相色谱分析仪
（载气）
按固定相：固态和液态；
气－固色谱；气－液色谱
色谱分析仪技术组成：
色谱分离技术＋检测技术
（色谱柱）＋（检测器）
气相色谱分析仪系统组成：
载气源＋色谱柱＋检测器
11.2 色谱分析仪
南昌大学机电工程学院
第十一章、气体组分测量与分析 南昌大学机电工程学院
11.4 氧含量测量
❖ 在现代内燃机和锅炉运行过程中，往往根据燃烧排 放物中的O2含量或CO2含量来判断过量空气系数的 大小，以控制燃料与空气的比例，维持良好的燃烧 条件。
❖ 由于O2含量与过量空气系数之间的函数关系 呈单值性，并很少受到燃料品种的影响，加 上O2含量的动态测量相对容易，所以在燃烧 过程监测与控制中，普遍采用O2含量来判断 过量空气系数的大小。
11.2 色谱分析仪
南昌大学机电工程学院
色谱分离过程的定量分析：
记录A、B经过色谱柱分离过 程的图谱称色谱图。其中A、 B组分在色谱柱中被洗脱用的 时间称保留时间，分别用tRA、 tRB表示。
11.2 色谱分析仪
南昌大学机电工程学院
组分分析方法： 1. 保留时间分析：
不同组分的保留时间长短不同； 与已经建立的组分－保留时间数据库进行比 较，可定性分析组分；
典型气体分析仪器工作原理分类 ❖ 化学法——用配制成的化学溶液吸收特定气体成份的方法；
色谱分析仪； ❖ 电化学法 ——电化学传感器。不同的传感器与特定成份发
生反应，产生毫伏信号，信号的大小与该种成份的浓度成 对应的关系。通过测量毫伏信号来确定气体的浓度；氧化 锆氧量分析仪； ❖ 物理方法 ——应用物理学原理（如物质的光学特性，磁化 性能等）进行气体浓度测定的方法；红外、荧光、顺磁等 类型的气体分析仪。
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第十一章、气体组分测量与分析 南昌大学机电工程学院
11.2 色谱分析仪（Chromatography）
色谱分析是一种混合物组份的分离技术。 基本原理是：被分析的混合物样品在流动气体或液 体(流动相)的推动下，流经一根装有填充物(固定相) 的管子(称色谱柱)时，受固定相的吸附或溶解作用， 样品中的各组份在流动相和固定相中产生浓度分配。 由于固定相对不同组份的吸附或溶解能力不同，因 此各种组份在流动相和固定相中的浓度分配情况不 同，最终导致各自从色谱柱流出的时间不同，从而 达到分离混合物组份的日的。
11.2 色谱分析仪
南昌大学机电工程学院
热导检测器 原理：气体组分不同，热传导率λ不同。 流速低，忽略对流与辐射
11.2 色谱分析仪
南昌大学机电工程学院
氢火焰电离检测器
载气＋被测气体＋H2，点燃后，火焰中HC产生 离子和电子，数目随C原子增加而增加，在电极 电场作用下形成电流。
常用于内燃机HC排放测量
在红外区有特定 的吸收带（波段）， 这对于某一种分子是 确定和标准的。
“物质指纹”
吸收率(%)
100
SO2 CO2
CO
CO
SO2 SO2
2 3 4 56 78 波长m
常用仪器：不分光红外气体分析仪（NDIR）
11.3 红外气体分析仪
❖ 设有一束红外线入射强度为I0,经过浓度 为C的气体后，透射的红外线的强度为I, 根据比尔（Beer）定律：
数据库是利用纯物质在相同流程条件下进行 色谱分析得到。
要实现定量分析 通过测量各组分的峰面积 占总峰面积的比例。 2. 加入纯物质比对分析 比较两幅色谱峰图， 看原图中的某一峰值是否在新图中有增高。
第十一章、气体组分测量与分析 南昌大学机电工程学院
11.3 红外气体分析仪
工作原理：有些分子 为不同原子构成的多 原子气体对入射的红 外线有按波长选择性 吸收能量的特性。
南昌大学机电工程学院
11.2 色谱分析仪
南昌大学机电工程学院
载气源：惰性大，不被固定相吸附或溶解，不同于 被测组分，与被检测组分的灵敏度相差较大。
H2、He、Ar
色谱柱：玻璃管、不锈钢管；填充固定相 固态固定相：氧化铝、硅胶、活性碳、分子筛 液态固定相：硅油、液体石蜡、甘油
检测器：热导检测器（TCD）：CO、CO2无机组分 氢火焰电离检测器（FID）：HC有机组分
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第十一章、气体组分测量与分析
本章学习要求：
1. 气体组分测量仪器的工作原理 2. 仪器适用情况
第十一章、气体组分测量与分析 南昌大学机电工程学院
11.1 概述
❖ 气体组分分析是燃烧过程中常涉及到的一种测试技 术。尤其是在线气体分析，由于其测量时间短，使 用方便等优点而得到了大量的应用。
使用时，测量系统要采取保温措施或进行温度补偿 常用热电偶进行温度补偿。
11.4 氧含量测量
南昌大学机电工程学院
汽车氧传感器及陶瓷发热芯
第十一章、气体组分测量与分析 南昌大学机电工程学院
11.5 氮氧化合物含量测量 NDIR法缺点:稳定除湿，保持高温，防止 NO溶入水或吸附于壁面。 测量NOx一般采用化学发光法。
化学发光检测器（CLD） 也叫NOx分析仪。
11.5 氮氧化合物含量测量
南昌大学机电工程学院
1.基本原理：利用化学发光法测量NO，是依据NO－O3反应生成 NO2和O2,其中的一些二氧化氮被提升到电子激发状态，然后 随着光子的挥发又迅速恢复到原态。
❖ 常用：氧化锆氧量分析仪、磁性氧量分析仪
11.4 氧含量测量 ❖氧化锆氧量测量原理：
氧化锆浓差电池原理
ZrO2固体电解质
＋CaO或Y2O3后，增加氧离子 空穴含量，在800～1200℃， 成为氧离子导体
南昌大学机电工程学院
11.4 氧含量测量
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11.4 氧含量测量
南昌大学机电工程学院
式中k -----I-被 测I0 气e体kC对l 波长λ的
红外辐射的吸收系数
C ------被测气体的浓度
l ------ 通过气样的光程长度
射入某种气体的外来辐射能，只有其频 率符合该气体分子的特征频率时，气体 才能吸收此辐射能。
❖ 两束等能量的红外光分别进入并行的两 个光学器件。一个通入参考气体，另一 个通入采样气体。检测器可连续测量两 个气室中所吸收的红外光能量的差别， 这个差别就是采样气体中待测气体成分 的浓度。
色谱分离过程动画 气相色谱动画
11.2 色谱分析仪 色谱分析仪分类：
南昌大学机电工程学院
按流动相：液相色谱分析仪和气相色谱分析仪
（载气）
按固定相：固态和液态；
气－固色谱；气－液色谱
色谱分析仪技术组成：
色谱分离技术＋检测技术
（色谱柱）＋（检测器）
气相色谱分析仪系统组成：
载气源＋色谱柱＋检测器
11.2 色谱分析仪
南昌大学机电工程学院
第十一章、气体组分测量与分析 南昌大学机电工程学院
11.4 氧含量测量
❖ 在现代内燃机和锅炉运行过程中，往往根据燃烧排 放物中的O2含量或CO2含量来判断过量空气系数的 大小，以控制燃料与空气的比例，维持良好的燃烧 条件。
❖ 由于O2含量与过量空气系数之间的函数关系 呈单值性，并很少受到燃料品种的影响，加 上O2含量的动态测量相对容易，所以在燃烧 过程监测与控制中，普遍采用O2含量来判断 过量空气系数的大小。
11.2 色谱分析仪
南昌大学机电工程学院
色谱分离过程的定量分析：
记录A、B经过色谱柱分离过 程的图谱称色谱图。其中A、 B组分在色谱柱中被洗脱用的 时间称保留时间，分别用tRA、 tRB表示。
11.2 色谱分析仪
南昌大学机电工程学院
组分分析方法： 1. 保留时间分析：
不同组分的保留时间长短不同； 与已经建立的组分－保留时间数据库进行比 较，可定性分析组分；
典型气体分析仪器工作原理分类 ❖ 化学法——用配制成的化学溶液吸收特定气体成份的方法；
色谱分析仪； ❖ 电化学法 ——电化学传感器。不同的传感器与特定成份发
生反应，产生毫伏信号，信号的大小与该种成份的浓度成 对应的关系。通过测量毫伏信号来确定气体的浓度；氧化 锆氧量分析仪； ❖ 物理方法 ——应用物理学原理（如物质的光学特性，磁化 性能等）进行气体浓度测定的方法；红外、荧光、顺磁等 类型的气体分析仪。
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第十一章、气体组分测量与分析 南昌大学机电工程学院
11.2 色谱分析仪（Chromatography）
色谱分析是一种混合物组份的分离技术。 基本原理是：被分析的混合物样品在流动气体或液 体(流动相)的推动下，流经一根装有填充物(固定相) 的管子(称色谱柱)时，受固定相的吸附或溶解作用， 样品中的各组份在流动相和固定相中产生浓度分配。 由于固定相对不同组份的吸附或溶解能力不同，因 此各种组份在流动相和固定相中的浓度分配情况不 同，最终导致各自从色谱柱流出的时间不同，从而 达到分离混合物组份的日的。
11.2 色谱分析仪
南昌大学机电工程学院
热导检测器 原理：气体组分不同，热传导率λ不同。 流速低，忽略对流与辐射
11.2 色谱分析仪
南昌大学机电工程学院
氢火焰电离检测器
载气＋被测气体＋H2，点燃后，火焰中HC产生 离子和电子，数目随C原子增加而增加，在电极 电场作用下形成电流。
常用于内燃机HC排放测量
在红外区有特定 的吸收带（波段）， 这对于某一种分子是 确定和标准的。
“物质指纹”
吸收率(%)
100
SO2 CO2
CO
CO
SO2 SO2
2 3 4 56 78 波长m
常用仪器：不分光红外气体分析仪（NDIR）
11.3 红外气体分析仪
❖ 设有一束红外线入射强度为I0,经过浓度 为C的气体后，透射的红外线的强度为I, 根据比尔（Beer）定律：
数据库是利用纯物质在相同流程条件下进行 色谱分析得到。
要实现定量分析 通过测量各组分的峰面积 占总峰面积的比例。 2. 加入纯物质比对分析 比较两幅色谱峰图， 看原图中的某一峰值是否在新图中有增高。
第十一章、气体组分测量与分析 南昌大学机电工程学院
11.3 红外气体分析仪
工作原理：有些分子 为不同原子构成的多 原子气体对入射的红 外线有按波长选择性 吸收能量的特性。
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11.2 色谱分析仪
南昌大学机电工程学院
载气源：惰性大，不被固定相吸附或溶解，不同于 被测组分，与被检测组分的灵敏度相差较大。
H2、He、Ar
色谱柱：玻璃管、不锈钢管；填充固定相 固态固定相：氧化铝、硅胶、活性碳、分子筛 液态固定相：硅油、液体石蜡、甘油
检测器：热导检测器（TCD）：CO、CO2无机组分 氢火焰电离检测器（FID）：HC有机组分