空分气体分析仪器应用中的若干问题,分析仪性能特点

【摘要】介绍了微量气体分析系统的复杂性，分析了分析仪器在应用过程中的各种影响因素和干扰因素，具体阐述了分析仪器的校验和验证，*后指出合格的分析工程师要不断纳新、提高分析技术。

关键词：空分设备；气体分析；仪器；微量；影响因素；干扰因素

中图分类号：TQll6．02 文献标识码：B

近些年来，随着国内空分设备向大型化发展，为了适应大中型空分生产管理及质量管理的需要，与之配套引进的气体成分分析仪器的数量和种类越来越多。这些先进的气体分析仪器对空分生产管理及气体产品质量的提高起到了一定的促进作用。但是，由于一些历史上的原因，大多数从事分析仪器应用和管理的人员都是来自热工仪表、自动化工程及仪器制造专业和部门，他们没有从事过或较少接触和研究过气体分析仪器的选型和应用技术，因此一些企业对进口的仪器设备选型不当，仪器功能不能满足生产需要，在经济上造成浪费。另一方面，进口气体分析仪器作为一类高科技产品和高灵敏度、高精度的科技工具，往往由于对其使用要求认识不足及人员操作水平不高而应用不好，对空分生产及全面质量管理不能发挥应有的作用。以上这些问题在目前国内空分行业较普遍地存在，这一问题不妥善解决，则大中型空分的管理水平难以提高，空分设备安全、气体质量(尤其是高纯气体的质量)也难以有效地得到保障。

1 气体分析仪器应用是一项专业技术

气体分析仪器(本文专指为微量气体分析用的仪器)是一种用来进行气体成分分析检验的工具，借助它能得到某些成分种类和含量的数据。但是，气体分析仪器不是一种简单的工具，它既不像流量计、压力表那样结构简单，也不像各种热工仪表那样易于操作使用。它是一类结构复杂、使用技术难度较大的工具，使用气体分析仪器是一项较复杂且不易掌握的专门技术。

一般地说，气体分析仪器应用本身是一门独特的技术工作，而且是一种具有研究性质的工作。但是，这一点是不为行外人所认知和理解的。目前为止，国内空分行业气体分析仪器应用的技术水平与石化行业及化工化肥行业相比，仍然停留在初级阶段，难以快速提高和发展，主要原因正在于此。

2 气体分析仪器应用难点分析

关于气体分析仪器应用的难点，从以下几方面分析可以概略地了解一二。

2．1 气体分析是实现一系列的化工过程

一台气体分析仪或一套气体分析系统相当于一套完整的化工工艺设备，因此，气体分析仪器系统工作过程就是在实现一系列的化工过程。若想通过气体分析得到准确数据，就必须了解这一系列化工过程中各阶段的情况及变化，认真研究并掌握其中的规律，只有这样才能达到准确测定的目的。应当指出，不仅在一台气体分析仪器内部具备一套化工工艺过程的同样情况和条件，而且，有时在仪器前级的样气预处理部分(含取样系统)也同样是一套化32212艺过程。如遇到较复杂、较特殊的工艺技术条件的话，那么样气预处理系统所体现的化工过程还是非常复杂的，相当于一个小化工厂的净化处理工艺过程。由此可见，气体分析的过程就是在了解并掌握整个化工过程系统条件的前提下，严格控制各种影响测定条件的因素，从而得到工艺及管理人员所需要的准确数据。

2．2 应用过程中控制影响因素和排除干扰因素困难较大

在仪器应用的过程中，影响因素种类较多且变化较复杂，而要想有效地控制这些影响因素及排除干扰测定的因素则困难比较大。例如微量氧的测定，不但要严格控制系统材质和密封，而且系统的洁净等诸多因素也必须逐一解决好，否则，氧成分分析不会得到准确的测定结果。而对于气体中微量水含量的测定，除了考虑以上提到的各种影响因素外，还必须考虑到样气中的水在管道内的吸附平衡问题，而这一问题的妥善处理必须依靠反复试验，了解其变化情况和规律，掌握其中的操作技术，以便得到准确无误的结果。当然，使用气相色谱仪测定高纯气体中ppm—ppb级杂质成分含量要考虑和控制的影响因素就更加复杂了。

2．3 微量气体成分分析的影响因素更复杂

气体成分在管道及设备中流动时发生的微观变化是复杂的、多变的。在常量气体成分分析时可以忽略的诸多影响因素，在微量气体成分分析时不仅不能忽略，反而必须认真对待，此时，这些因素已经成为影响微量气体成分分析正确结果的主要矛盾，必须逐一排除和解决才能使微量气体分析仪器工作顺利完成。这些影响因素主要包括以下几个方面：①取样管路内气体多次的反复混合；②管壁与气体成分的物理化学作用；③管路材质；④管路连接方式；⑤管路洁净程度。

2．4 仪器和方法验证是获得准确数据的关键之一

仪器作为一种计量检测工具，在正常运行情况下，给出的数据绝大多数都是相对量值，测定数据是否准确及准确的程度(精度)，仪器本身是无法提供的，也是无法证实的。必须依靠外围技术工作完成，这就是分析数据的验证工作。

(1)仪器线性关系的验证。首先，为确保仪器的正常运行，分析仪器作为计量仪器的一种，必须每年经过权威计量部门按照国家制订的规程进行检测，方能许可使用。同时，每年还需要用系列标准气体检查仪器在整个线性范围内的线性关系是否保持正常的状态。否则盲目相信分析仪器(即使是进口仪器)的完好程度肯定会使错误的数据导致生产管理及质量管理上的失误。

(2)误差分析。在分析仪器的应用过程中，对于每一次测定结果的数据，必须作出误差分析，以确定数据分析的真实性、可靠性和可信程度。一个合格的分析工作者是不会也不应该随随便便地把每次分析测定的结果上报或公布的。一般是在测定结果得出后，经过误差分析，在确定分析数据的误差总和小于规定的允许误差时，才将这一个(或一组)数据视为正确测定结果上报或公布。否则，不准确的数据会给生产管理者带来严重的不良后果。

(3)定量分析常用的仪器校正。气体分析仪作为一种定量分析仪器，在做定量分析前必须使用标准气进行校正(或标定)。标准气一般是从国家计量部门或合法工厂购买的，在特殊情况下，也可以自行配置(但要具有配置标准气的资格和能力以及相关的设备)。标准气保质期为一年，在使用标准气校正分析仪器时，还必须深入了解正常手续和使用规律。如果购买和使用不合乎要求的标准气，会导致分析数据的极大偏差。如果对标准气的使用要求不甚了解，也会因得不到准确数据结果，给空分生产带来麻烦。

2．5 分析工程师要不断改进和提高分析检测技术

一个合格的分析工程师需要不断学习和研究分析仪器的新技术及仪器分析新技术，并及时将其应用到本职工作中，以达到不断改进和提高分析检测技术的目的。一个分析工程师不但要能够尽可能搞好现有设备的应用，而且还应当在对现今使用的仪器试验方法、结构及性能深入了解的基础上，随时吸收国外及国内先进分析技术，不断技术创新，进一步完善并提高现有仪器的检测水平，而不只是满足于简单操作。

3 结束语

总之，微量气体分析是一项专门技术，也是门带有研究性质的工作，它决定着气体分析仪器应用效果和水平。微量气体分析技术又是一门实科学，必须经过大量的实验实践才能摸索出其中化的规律性，才能很好地掌握它，并圆满解决各具体的微量气体分析课题。这也是在20世纪6070年代开始研制高纯气体时，我国*代气体析工作者的经验总结。他们几十年的气体分析实得出的这一结论应该引起后人的重视。我们希望分行业气体分析技术工作者能够在空分飞速发展新形势下，获得更快更大的发展。

作者简介：张丙新(1938- )，男，高级工程师，1964年毕业于北京化工大学，曾工作于北京氧气厂，现为北京赛思瑞泰科技有限公司空分仪器配套部经理，著有《气体分析基础和方法》一书。

尿液分析仪是测定尿中某些化学成分的自动化仪器，它是医学实验室尿液自动化检查的重要工具，此种仪器具有操作简单、快速等优点。

工作试验方法

此类仪器一般用微电脑来控制，采用球面积分仪接受双波长反射光的方式测定试带上的颜色变化进行半定量测定。

试剂带上有数个含各种试剂的试剂垫，各自与尿中相应成分进行独立反应，而显示不同颜色，颜色的深浅与尿液中某种成分成比例关系，试剂带中还有另一个“补偿垫”，作为尿液本底颜色，对有色尿及仪器变化所产生的误差进行补偿。

将吸附有尿液的试剂带放在仪器比色槽内，试剂带上已产生化学反应的各种试剂垫被光源照射，其反射光被球面积分仪接收，球面积分仪的光电管被反射的双波长光（通过滤片的测定光和一束参考光）照射，各波长的选择由检测项目决定。

仪器按下列公式自动化计算出反射率，然后与标准曲线比较，自动找印也各种成分的相应结果，尿液中某种成分含量高，其相应试剂垫的反射光较暗，否则较强。

反射率分式：R（%）=Tm.Cs/TsCm×100%

式中的R（%）为反射率；Tm为试剂垫对测定波长的反射强度；Ts为试剂垫对参考波长的反射强度；Cm为较准垫对测定疵长的反射强度；Cs为校准对参考波长的反射强度。

分类

（1）按工作方式分类 可分为湿式尿液分析仪和干式尿液分析仪。其中干式尿液分析仪主要用于自动评定干试纸法的测定结果，因其结构简单、使用方便，临床普遍应用。

（2）按测试项目分类，可分为8项尿液分析仪、9项尿液分析仪、10项尿液分析仪、11项尿液分析仪、12项尿液分析仪、13项尿液分析仪和14项尿液分析仪。

检测项目包括尿蛋白、尿葡萄糖、尿pH、尿酮体、尿胆红质、尿胆原、尿潜血、亚硝酸盐、尿白细胞、尿比重、维生素C和浊度。

（3）按自动化程度分类 可分为半自动尿液分析仪和全自动尿液分析仪。

但是尿液分析仪人使用不当和许多中间环节及影响因素都直接影响自动化分析结果的准确性，不仅会引起实验结果的误差，甚至延误诊断因此要求操作者对尿液分析仪的试验方法、性能、注意事项及影响因素等方面的知识在有充分的了解，正确地使用尿液分析仪，这样才能使尿液分析仪得出的结果更可靠、准确。

连续污染物排放监测系统CEMS自上世纪八十年代应用于国内的排放监测以来，在国内逐渐建立起对污染物的排放监测网络，系统安装总数也接近两万套。其中多数采用了直接抽取式取样加红外气体分析的方法。随着国家对污染源控制的加强，实际排放浓度逐年降低，这对红外烟气分析仪器的适用性提出了更高的要求。尤其是在高湿低浓度条件下，对红外气体分析仪的测试精度、分辨率、抗干扰性提出了更高的要求。
红外烟气分析仪受水分干扰的消除方法
由于烟气排放中的水含量是影响二氧化硫和氮氧化物测定的主要干扰物（水分干扰直接影响了仪器的测量精度。这也是为什么部分红外气体分析仪在实验室条件下使用标准气检定时合格，在CEMS现场测试却达不到要求的原因。
通常CEMS系统取样中采取冷干法脱除水分，以防止水分冷凝和水分干扰，但由于排放工况的变化和冷凝效率的原因，冷凝器的出口露点往往存在波动。在高湿低浓度条件下，水分的干扰往往超过了仪器本身的测量误差，干扰误差尤为明显。
消除水分干扰误差的方法通常两种：
采用脱水装置；
设置水分传感器并进行软件补偿。
采用脱水装置的方法有采用高效干燥剂如无水高氯酸镁，或者采用NAFION膜式干燥管。其主要问题在于需要经常更换，人为增加了运行维护成本。仪器生产厂家也有可能在检定时使用脱水装置，但是在运行时为减少运行费用不采用该装置，造成实际运行中的性能改变，导致CEMS监测数据不确定度增加。 采用水分传感器软件补偿的方法一般只修正零点的水分干扰，且低端的分辨率较低。对于同时含水和含SO2,NO的气体的修正精度很差。
此外对于NO分析仪，由于在相同的气室长度下，NO的分辨率低于H2O的分辨率，采用水分传感器修正的方法对NO会造成很大的误差。 那么如何真正有效降低水分对红外分析仪测量的影响呢？红外烟气分析仪在传统微流红外传感器的基础上，增加了调水机构。它是通过将不同温度下的饱和空气依次通入红外传感器，通过调节调水机构，使得含有非冷凝水的气体与N2的信号一致。同时通过硬件调节及线性修正，来消除H2O（气）对SO2、NOx的干扰。进一步实验结果还表明，通过该方法调节后的传感器可以满足各种水分含量条件下的水分干扰消除，干扰的程度可控制在5ppm以内。
低量程红外烟气分析仪分辨率的检定 红外测量试验方法是基于郎伯比尔定律，即通过吸收光强的变化测定气体浓度。当气体浓度较小时，光强变化也小，若传感器分辨率不够，就无法响应浓度的变化。 很多仪器为提高零点稳定性，会采用不同的算法，以保证减小零点的波动；还有如前所述，为了补偿水分的干扰影响，也会采用零点补偿方式。这样的直接结果就是零点附近仪器没有反应。 实际应用中低量程仪器的***大量程要求不高于200ppm，为保证测量可靠性，实际的分辨率应不大于1ppm。 检定时可采用10ppm的标准气体（SO2,NO），利用气体分割器（配气仪）将浓度控制在5ppm，通入仪器内，读取仪器的测量结果A，此后利用配气仪将浓度控制在4.9ppm，读取仪器的读数B,连续多次（3次以上）测量得到A,B的平均值，两平均值的差就是仪器实际的分辨率。 只有解决水分干扰和分辨率的问题，烟气分析仪才能真正满足高湿低浓度的测量要求，真正有效实现监控污染物排放，为减排提供切实准确的统计数据。 在CEMS烟气分析仪使用过程中红外线分析仪必须去除水分的影响，所以在预处理过程中一般双路冷凝器比较保险，还有弱酸性液体对分析仪的影响也要考虑。