在线分析仪器及分析系统设计与应用技术1

6、在线质谱仪 主要分为： 四极质谱仪 磁质谱仪 飞行时间质谱仪等 7、其它专用在线气体分析仪 包括：在线硫化氢、总硫分析仪、在线总碳 氢分析仪等。
1.2在线气体分析仪器性能及主要技术指标


1.2.1关于在线分析仪器的性能特性 通常仪器性能是指仪器达到预定功能的能力， 性能特性是指对仪器性能规定的某些参数的定量 描述，也就是性能指标。由于仪器种类不同、应 用范围不同，其性能特性表述和概念也不同。 ⑴基本性能特性 是针对仪器分析测量适用性、可靠性等功能特 性。 在线分析测量适应性,如：对仪器分析的测量对 象、测量范围、分析量程，以及环境条件适应性 等。
1.3.3 在线分析仪器的智能化


1） 过程分析仪器的计算机应用主要集中在嵌入式 系统、仪器的网络功能和智能化三个方面。 2）计算机系统采用嵌入式结构，主要采用微型计 算机和微型控制器 ，嵌入式系统的发展，软硬件 分离正被软硬件融合所代替。 3）灵活方便的网络通信功能。 4）过程分析仪器远程维护网站的研究 。 5）信息智能处理 。 过程分析仪器的数字化，网络化，智能化是其发展 方向。
1.3.2 分析流路技术的研究





主要发展包括多检测器组合技术、并行检测技术、 微器件应用、系统重构和取样处理技术等方面。 组合技术的应用 这是多传感器信息融合技术在过 程分析上的应用 并行检测技术对同一样品进行多同样传感器的分析， 由智能处理系统对多结果进行信息数据融合，甄别 和选择最可靠的分析结果。 微型化小型化过程分析仪及分析流路系统重构。 取样处理技术及原位分析技术的应用发展

第一讲 第二讲 第三讲 第四讲 第五讲 第六讲 第七讲 第八讲 第九讲
在线气体分析仪器概述 红外气体分析仪器 顺磁式氧分析器 热导式气体分析器 电化学式气体分析器 在线气相色谱仪 半导体激光光谱 紫外-可见光谱仪 在线硫分析仪及应用
第一讲 在线气体分析仪器概述



⑶在线分析仪器的检定与校准 在线分析仪器的检定与校准都是传递量值或量 值溯源的方式。 检定是定期对仪器的计量性能较全面的评价； 校准是日常进行的对仪器主要性能的检查，以 保证仪器的示值的准确。
1.2.2在线分析仪器的主要技术指标

⑴准确度 仪器的准确度又称为精确度，是指仪器的指示 值与被测量真值的一致程度。通常用测量误差 表示。主要表示方法有： ①绝对误差 绝对误差=测量结果-约定真值 ②相对误差 相对误差=绝对误差/约定真值 ③基本误差是指仪器在参比条件下使用的误差 ④影响误差 ⑤干扰误差
1.3 在线气体分析仪器的近期发展



在线分析仪器近期研究和发展趋势主要体现在分析 检测器，分析流路和仪器智能化三个方面。 1.3.1分析检测器研究 一是将已在实验室中采用的分析方法及其检测检测 器经过创新和改进引用到过程检测中； 二是研究直接用于过程分析的检测器。主要集中于 微流分析检测器、在线拉曼光谱检测器、光声过程 检测器 等。


⑷检测限 检测限是指能产生一个确证在样品中存在被测 物质的分析信号所需要的该物质的最小含量或 最小浓度，是表征和评价分析仪器检测能力的 一个基本指标。新国标称为最小可检测变化。 ⑸分辨力 分辨力是指仪器区别相邻近信号的能力。不同 分析仪器所指的相邻近信号有所不同，如光谱 仪是指最临近的波长，色谱仪是指最邻近的两 个峰，质谱仪是指最邻近的两个质量数。


⑻重复性 重复性又称重复性误差是指用相同的方法、相同 的试样、在相同的条件下测得的一系列结果之之 间的差异。重复性误差用实验室标准偏差表示 。 ⑼稳定性 稳定性是指在规定的工作条件下输入保持不变， 在规定的时间内仪器示值保持不变的能力。可用 噪声和漂移两个参数表示。


⑽响应时间 响应时间表征仪器测量速度的快慢，定义为从被测 量发生阶跃性变化的瞬时起，到仪器的示值达到两 个稳态值之差的90%处所经过的时间，称为90% 响应时间，用T90表示 。


在线分析仪器的可靠性是指仪器的主要性能随 时间保持不变的能力，只有满足在线分析的适 用性以及仪器自身的性能稳定可靠，才能确保 在线分析测量的可靠性。 对在线分析仪器的长期稳定运行能力的要求， 通常用可靠性指针的平均无故障工作时间 （MTBF）表示.


⑵主要技术指标 是对分析仪器本身的性能技术指标的定量要求。 分析仪器的种类不同，其主要技术性能指标的 数值、量纲可能不同，但分析仪器的主要性能 技术指标的基本定义相同，是评价分析仪器基 本性能的重要参数。 例如：分析仪器的测量准确度、灵敏度、稳定 性、重复性、线性范围、响应时间等，这些性 能指标与实验室仪器分析的要求基本相同。
图中 1-光源；2-切光片； 3-同步电机；4-测量气室； 5-参比气室；6-滤光气室； 7-检测气室；8-前置放大； 9-主放大器；10-指示仪表


图2-2 不分光型红外分析仪工作原理图
2.2 红外气体分析仪的分类和特点





2.2.1红外线分析仪的分类及部分产品介绍 ⑴红外线分析仪的分类 ①按是否把红外光变成单色光来划分，分为不分 光型（非色散型）和分光型（色散型）两种。 不分光型（NDIR）：光源发出的连续光谱全部 投射到被测样品上，待测组分吸收其特征吸收波 带的红外光。固定分光型（CDIR）：采用一套 分光系统，使通过测量气室的辐射光谱与待测组 分的特征吸收光谱相吻合。 ②按光学系统来划分，分为双光路和单光路两种。
第二讲 红外线气体分析仪器


2.1红外线气体分析仪器的测量原理 2.1.1电磁辐射波谱 红外线是电磁波谱中的一段，介于可见光区和微波 区之间，红外线的波长大于可见光线，其波长为 0.75～1000μm。红外线可分为三部分，即近红 外线，波长为0.75～1.50μm 之间；中红外线， 波长为1.50～6.0μm 之间；远红外线，波长为 6.0～l000μm 之间。 红外辐射主要是热辐射，在红外线分析仪中，使用 的波长范围通常在1~16μm 之内。


⑹选择性 选择性是指对被测组分之外的其它组分呈低灵敏 度或无灵敏度的能力。可用干扰系数描述，即对 相同浓度的被测组分和干扰组分的回应比。



⑺线性度、线性误差和线性范围 线性度是指仪器的校准曲线与规定直线（一般为被 测量的线性函数直线）之间的吻合程度。 线性误差是指仪器的校准曲线与规定直线的最大偏 差。新国标定义为：仪器实际读数与通过被测量的 线性函数求出的读数之间的最大差异。 线性范围是指校准曲线所跨越的最大线性区间。用 来表示对被测组分的含量或浓度的适用性。

4、电化学式气体分析器 固体电解质氧化锆氧分析仪 燃料电池式氧分析仪 电解池式氧分析器 定电位电解式有毒气体检测器


5、在线气相色谱仪 按照分析对象及用途分类有： 通用工业气相色谱仪 防爆工业气相色谱仪 专用在线色谱仪如：小型天然气在线色谱仪等。 工业色谱仪常用检测器分类有：热导检测器 （TCD）、氢火焰检测器（FID）、火焰光度 检测器（FPD）等；

第二部分内容为 《在线分析系统设计及工程应用技术》 分为六讲，分别介绍：在线气体分析系统概论、 样气取样及处理系统、在线分析系统的设计集 成与应用、CEMS烟气参数监测分析技术、烟 气脱硫及脱硝等CEMS的设计与应用、在线分 析系统在石化等行业的应用。

第一部分 在线气体分析仪器 设计与应用技术

实验室色谱法的多检测器应用，除TCD、FID、 FPD等常用检测器外，电子捕获检测器（ECD）、 热离子检测器（TID）、光离子化检测器（PID） 以及超高灵敏度热导式检测器（HTCD）等气相 色谱仪已经在石化等行业在线分析得到广泛应用。


质谱法包括：四极质谱仪、磁质谱仪、飞行时间 质谱仪、离子阱质谱仪、傅里叶变换质谱仪等， 以及联用技术如：三重串联四极杆质谱仪、四极 杆-飞行时间质谱仪等已经开始进入在线分析。 其它技术如：核磁共振（NMR）、X射线荧光光 谱、电子能谱、拉曼（Raman）光谱法等复杂的 分析技术，以及光谱与色谱、质谱之间的联用在 实验室分析中已经很普遍，也已经开始走向在线 分析。
1.1在线气体分析仪器的定义及其分类 1.1.1在线分析仪器的定义 在线分析仪器又称过程分析仪器（process analyzers），通常指直接安装在工业生产流 程或其它源流体现场，对被测介质组成的成分 参数或物性参数进行自动连续分析测量的一类 仪器。



在流程工业的过程分析中，在线气体分析仪器 大致分为两类。 一类是直接安装在流程工艺管线的在线分析仪 器（on-line），仪器传感器直接安装在工艺 管道或设备中，也称为原位式在线分析仪器； 另一类是通过简单的取样预处理，将样气从工 艺管线取出，送到安装在现场的过程分析仪器 （in-line）检测，也称为取样式在线分析仪器。 取样式在线分析仪器通常配置简单的取样预处 理装置，被称为分析仪器的取样预处理部件。
1.1.2在线气体分析仪器的分类


在线气体分析仪器的分类大多按照分析的原理进 行分类。常用在线气体分析仪器按照原理主要有： 1、光学式气体分析器 主要分为： 红外线气体分析仪 紫外光谱气体分析仪 激光光谱气体分析仪 傅里叶变换红外光谱仪 化学发光气体分析器 紫外荧光气体分析仪等


2、顺磁式氧分析器 热磁对流式氧分析器 磁力机械式氧分析器 磁压式氧分析器 3、热学式气体分析器 热导式气体分析仪 热化学气体分析仪 催化燃烧式可燃气体分析器 热值仪等
图2-1部分常见气体的红外吸收光谱图
常用红外气体特征吸收波长是：CO-4.72µm；
CO2-4.25µm；CH4-3.45µm；SO2-7.3µm；NO-5.3µm。
2.1.2红外线分析仪测量原理