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气体混合检测

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发布时间：2025-06-11 13:05:37 更新时间：2025-06-10 13:05:37

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

气体混合检测：确保安全与工艺的核心环节

在许多工业、环境和科研领域，精确了解并监控气体混合物的组分及浓度至关重要。无论是化工生产中原料气的配比、工艺过程气的质量控制、环境大气中污染物的监测、密闭空间的安全保障（如矿井、储罐、船舱），还是实验室的研究分析，气体混合检测都扮演着不可或缺的角色。它直接关系到生产效率、产品质量、人员健康与生命安全、环境保护以及法规符合性。气体混合物的复杂性在于其组分可能包含可燃气体、有毒有害气体、氧气（或惰性气体）等多种性质迥异的成分，且各组分浓度可能处于微量、常量甚至高浓度水平。因此，准确、可靠且高效的检测技术是解决这些挑战的关键。

核心检测项目

气体混合检测的核心目标是确定混合物中各组分的身份及其浓度。主要检测项目包括：

1. 组分定性分析： 确定混合气体中具体包含哪些气体种类（如甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧气、氮气、氢气、硫化氢、氨气、挥发性有机化合物VOCs等）。

2. 组分定量分析： 精确测量各气体组分的浓度。这包括常量组分（百分比级）、微量组分（ppm级 - parts per million）甚至痕量组分（ppb级 - parts per billion）。浓度单位需明确（如 % v/v, ppm v/v, mg/m³等）。

3. 关键参数监控：

可燃气体浓度 (LEL% - Lower Explosive Limit)： 监测混合气体接近爆炸下限的程度，对安全预警至关重要。
氧气浓度 (O₂%)： 确保氧含量在安全范围（防止窒息或富氧燃烧）或满足特定工艺要求。
有毒有害气体浓度： 如CO, H₂S, SO₂, NOx等，需确保低于职业接触限值（如OELs, TWA, STEL）或环境排放标准。

常用检测仪器

针对不同的检测需求和场景，多种仪器被广泛应用于气体混合检测：

1. 多组分气体分析仪： * 非分散红外分析仪 (NDIR)： 基于气体分子对特定红外波段的吸收特性，常用于测量CO, CO₂, CH₄, SO₂, NO等。可配置多组分检测模块。 * 电化学传感器 (EC)： 通过气体在电极上的化学反应产生电流来测量浓度。常用于O₂, CO, H₂S, SO₂, NO₂, Cl₂等有毒气体和氧气。常用于便携式检测仪。 * 催化燃烧传感器 (Pellistor)： 测量可燃气体（甲烷、丙烷等）浓度（LEL%）。原理是气体在传感元件上燃烧引起温度/电阻变化。 * 光离子化检测器 (PID)： 利用紫外光离子化气体分子进行检测，对VOCs具有高灵敏度（ppb级）。 * 半导体传感器 (MOS)： 成本较低，对多种还原性气体（如CO, CH₄, H₂, 乙醇）有响应，但选择性和稳定性相对较差，常用于家用报警器或低端检测仪。 * 激光气体分析仪 (TDLAS)： 利用可调谐激光二极管和特定气体的吸收线，实现高选择性、高灵敏度的在线或原位测量。

2. 气相色谱仪 (GC)： 分离技术的“金标准”。通过色谱柱将混合气体中的各组分分离，然后使用检测器（如热导检测器TCD、火焰离子化检测器FID、电子捕获检测器ECD、质谱检测器MSD）对分离后的组分进行定性和定量分析。特别适合复杂混合物的全组分分析。

3. 质谱仪 (MS)： 通过电离样品分子并按质荷比分离离子碎片，提供极高的灵敏度和广泛的检测范围，能同时分析多种气体组分，常用于实验室精密分析和在线过程监控（如过程质谱）。

4. 傅里叶变换红外光谱仪 (FTIR)： 可同时分析多种具有红外吸收活性的气体（如CO, CO₂, N₂O, CH₄, SO₂, NO, NH₃, VOCs等），无需预分离，适用于连续排放监测和应急响应。

主要检测方法

气体混合检测的实施方法取决于应用场景、精度要求和响应速度：

1. 直接测量法 (原位/在线)： 将检测探头直接插入待测气体环境（如烟道、管道、反应器、密闭空间）进行连续或实时的组分和浓度监测。常用NDIR、激光分析仪、电化学、催化燃烧传感器。优点是响应快，反映真实条件。

2. 采样分析法 (离线/实验室)： 使用采样袋、采样罐（如苏玛罐）、吸附管或气密注射器等工具采集气体样品，然后带回实验室用GC、GC-MS、FTIR或精密分析仪进行详细分析。优点是精度高，可进行痕量分析和复杂组分识别。

3. 连续抽取法 (在线)： 通过采样泵和伴热管线将样气从工艺管道或烟囱中连续抽取出，经过预处理（过滤、除湿、降温/升温）后送入安装在分析小屋内的分析仪（如GC, FTIR, MS）进行测量。适用于高温、高湿、含尘等恶劣工况。

4. 便携式检测法： 使用便携式多气体检测仪或便携式GC/MS、FTIR，用于现场快速筛查、应急检测、泄漏排查、安全准入测试和移动点检。

关键检测标准

气体混合检测的实施需要遵循一系列国际、国家和行业标准，以确保结果的准确性、可比性和可靠性：

1. 分析方法标准： * ISO (国际标准化组织)：如ISO 6141 (标准气体)、ISO 6974 (天然气分析GC法)、ISO 6976 (天然气热值计算)等。 * ASTM (美国材料与试验协会)：如ASTM D1945 (用气相色谱法分析天然气)、ASTM D1946 (用气相色谱法分析重整气)、ASTM D6348 (用萃取FTIR测定排放气体)等。 * EPA (美国环保署)：如EPA Method 3A (氧和二氧化碳), EPA Method 10 (CO), EPA Method 25A (THC), EPA Method 18 (VOCs by GC) 等用于环境排放监测。 * GB (中国国家标准)：如GB/T 13610 (天然气组成分析气相色谱法)、GB/T 16157 (固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法)、GB 12358 (作业场所环境气体检测报警仪通用技术要求)、GB/T 50493 (石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准)等。 * HJ (中国国家环境保护标准)：如HJ 38 (固定污染源废气总烃、甲烷和非甲烷总烃的测定气相色谱法)、HJ 1011 (环境空气和废气挥发性有机物组分测定罐采样/气相色谱-质谱法)等。

2. 仪器性能标准： 规定仪器的最小检测限、量程、精度、响应时间、稳定性、抗干扰能力等性能指标（如EN 50104 / EN 45544 对氧气和有毒气体检测仪的要求，EN 60079-29-1 对可燃气体检测仪的要求）。

3. 校准与质量控制标准： 规定检测仪器必须使用经认证的标准气体进行定期校准（如ISO 6142, ISO 6143），并执行严格的质量控制程序（如零点/跨度检查、交叉干扰测试、线性度验证）。

4. 安全限值标准： 如OSHA PELs（美国职业安全与健康管理局允许暴露限值）、ACGIH TLVs（美国政府工业卫生学家协会阈限值）、GBZ 2.1（工作场所有害因素职业接触限值化学有害因素）等，规定了工作环境中各类气体的安全浓度上限。

遵循这些标准是确保气体混合检测结果有效、合规，并为决策提供可靠依据的根本保证。选择合适的方法、符合标准的仪器、严格执行的操作规程和定期的计量校准，共同构成了气体混合检测的质量保障体系。