氧氣測量在空分工藝制造中的重要意義：

 
隨著國民經濟各部門的飛速發展，對氣體制造和應用技術的要求越來越高。為穩定工藝，確保產品氣體的質量，不僅需要對整個工藝過程的熱力學參數，如溫度，壓力，流量等進行測量和控制，而且對工藝過程的每個關鍵部位需要進行成分量的測定和控制。在現階段，對成分量的測定和控制以逐漸成為不可缺少的工作環節。不僅如此，成分量的測定數據，對工藝條件變化反映及時準確，直觀性強這一特點，足以使它可以成為操作人員的得力助手和重要參謀。因此，近十多年來，在氣體制造及應用中，以成分分析儀器作為必要的配套設備已逐漸成為**質量管理的一個重要發展趨勢。
成分分析儀器在氣體制造及應用中的重要作用具體表現在以下幾個方面：
(1)監測工藝過程參數，為設計人員和生產操作人員及時提供所需成分含量數據，達到調整生產控制操作，穩定工藝，以及改進工藝和設備的目的。
(2) 監測產品質量，嚴格把關，保證產品質量符合氣體標準及客戶的需要。
(3)監測**生產，如對空分生產提供液氧中乙炔及碳氫化合物等數據，及時反映生產中的問題，監督超標運行，督促生產人員及時采取**措施。
本文僅以空分生產為例介紹氣體分析儀器的選用和配套。
二． 現狀和發展趨勢：
1． 現狀：
(1)氣體制造和應用技術的不斷發展，對分析儀器的不斷增加，對分析儀器質量和性能要求也在不斷提高。廣大客戶的需要和眾多分析課題的迫切提出，大大促進了國內氣體分析儀器的進一步發展。
(2)隨著氣體應用技術的不斷提高，各氣體制造部門及應用部門，為了加強企業質量管理以及參與市場競爭，對成分量的監測逐漸重視，注意安排適量資金選購及配套分析儀器，對培訓人員，建設新型化驗室等，這就使氣體分析工作提高到一個新的階段。
(3)隨著分析儀器制造技術的發展，國內不少儀器廠家先后引進了國外先進儀器的制造技術，把國產儀器的制造水平提高到一個新的階段。另一方面，一些研究院（所）也相繼研制成功不少新的儀器設備。這也為提高國內氣體制造水平及應用技術的提高創造了有利的條件。
2． 發展趨勢：
隨著企業管理工作的不斷加強及縱深發展，追求效益，質量，**已成為共同的努力目標。在生產設備固定后，氣體生產管理的好壞，其中分析儀器起著非常重要的作用。國內氣體分析儀器在應用方面的發展趨勢表現在：
(1)加強配套監測工藝操作的在線分析儀器。可保證及時發現及時調整操作參數，以穩定工藝。這是自八十年代以來儀器應用的趨勢。目前，國內各氣體生產部門一般都配套一定數量的在線分析儀器。這種應用正在逐漸得到推廣。
(2)加強氣體產品（及原材料氣體）的質量監測。對氣體制造廠來說，加強產品質量監測可確保出廠產品質量合格，而對氣體應用部門來說，加強購入氣體原材料的質量監測可確保本企業應用中不因原材料氣不合格而影響本企業生產工藝及產品質量。
(3)配備**分析儀器，進行經常性的**生產分析，積累數據，研究制定實施**措施，確保**生產。尤其是對易燃，易爆，高壓，低溫液化氣體，保證**生產及使用是非常重要的。
(4)采用國外先進分析儀器配套工藝，彌補國內儀器水平差距，有效的保障重要部門的生產及質量監控。目前，由于國內儀器與國外先進的儀器設備在性能，質量等方面尚有不小的差距，因此，國內各部門生產高純氣體的廠家為穩定工藝，提高產品質量，加強市場競爭，開始引進國外先進儀器設備。另外，部分生產工業氣體的廠家也選購部分可靠性較高的進口儀器，作為在線監測工藝使用。還有一些企業，引進先進的分析儀器是為建立標準傳遞，監督與保證一線分析儀器的運行完好率，從而建立并完善企業分析檢測系統和質量監控系統。
(5)近十年來，計算機的廣泛應用使大中型空分設備的現代化管理又進入了一個新的階段。然而，實現計算機管理的前提之一，是成分量的監測還需具有相當的可行性，否則計算機就無法按照準確的輸入進行生產控制。因此，國內大中型空分設備采用進口的在線分析儀器配套也是近年來國內空分新技術發展的一個趨勢。
三. 氣體制造使用分析儀器的配套：（以空分為例）
在空分生產中，氣體成分的分析監測自成一個系統。該系統一般包括四個部分：（1）原材料分析；（2）生產控制監測分析（在線監測）；（3）產品質量檢驗；（4）**分析。
如果按照分析儀器的取樣方式和運行狀態來分類，那么，一套空分裝置所需要的分析儀器包括兩大類：（1）連續在線分析監測儀器；（2）非連續取樣實驗室用分析儀器。
目前國內大中型空分裝置所需分析儀器的配套形式一般分為三種：
(1) 全部國產儀器
例如，現在國內生產的空分裝置，大部分由國內分析儀器廠配套在線分析儀器。而實驗室用分析儀器則多由各有關設計院（所）提供選購國內分析儀器的方案。
以國產分析儀器為主的配套方法，儀器價格便宜，適合于對工藝和技術要求不高的場合。一般為小型及部分中型空分裝置配套所常見。
(2) 全部進口儀器
以進口儀器為主的配套方式，主要用于大型及中型空分裝置，對生產控制及產品質量要求較高的場合，尤其是副產高純氣體，如氬、氮、氧、氦等（純度>99.999%）及高純度液化氣體的場合.例如,某合資廠自美國引進大型空分裝置,配套在線分析儀器包括:氧分儀5臺,微量氧分儀5臺,微量水分儀3臺,微量二氧化碳分析儀1臺,微量氮分析儀1臺,微量碳氫化合物分析儀1臺等.
又如,某廠合資后,雖然添置了國產大型空分裝置一套,但是,其在線分析儀器全部采用進口分析儀器配套,共記11臺,而且全部成套供貨.
(3) 部分進口儀器及部分國產儀器
在資金有限而對分析儀器要求較高的場合,可選擇配套部分進口儀器和部分國產儀器.對常量和一般微量氣體分析儀(通常>10ppm)可酌情選用國產儀器,而對<5ppm含量范圍的氣體成份分析則采用進口儀器。如某鋼鐵公司氧氣廠進口蘇聯制氧機，在蘇制儀器不耐用的情況下，改用進口的分析儀器。
又如，某化工廠為進口乙炔工程配套國產空分裝置，在線儀器為國產的，但同時進口幾臺實驗室用靈敏度及精度較高的分析儀器，作為標準儀器監督檢查國產儀器運行情況。
另外，某些設計研究所現在對設計配套或出廠的中型以上空分裝置也開始配套或者向客戶推薦進口儀器了。這是提高國產空分裝置水平的一個新起點。
四. 外先進分析儀器簡介
1.微量氣體分析儀器----帶放電離子化檢測器的氣相色譜儀,放電離子檢測器(DID)是一種通用的濃度型多功能檢測器,它利用高能光電離檢測樣品成分,*低檢測下限可達PPB級濃度.特別是當底氣為N2,Ar,Ne,He,H2等氣體時,可檢測其中的雜質成份包括:H2,Ar,Ne,O2,CH4,CO,CO2。目前這種檢測器配套的氣相色譜儀已在世界各大氣體生產公司得到廣泛應用，用以代替氦離子化檢測器配套的氣相色譜儀。
(1)工作原理
放電離子化檢測器的結構如圖所示。該檢測器由電離室和放電室兩部分組成，兩室之間有狹路相通。當在放電室內的兩個高壓電極上加以適量高壓電后，兩電極之間就會產生放電，從而得到一束高能量的紫外光輻射（400-500nm）。高能紫外光被引入射向電離子室內，在這過程中，高能光子直接照射樣品成分中被測雜質成分，使其電離成離子，或者高能光子首先將載氣氦離子激發至亞穩態（He*），然后，具有較高能量的He*再與樣品中雜質分子發生非彈性碰撞并使其電離。此時在集電極上加以適當電壓收集被電離的雜質分子，并將其信號放大記錄即得到被測成分的譜峰。由于光子和亞穩態氦原子均具有較高的能量（24.8ev），因此可使包括氖在內的一切物質分子電離，所以，DID是一種通用型檢測器。
(2)儀器組成及規格：（見儀器樣本）
(3)應用：（見儀器樣本）
(4)與氦離子化色譜儀比較：
過去，在氣體制造和應用部門多采用氦離子檢測器（HID）氣相色譜儀（如2700型）進行高純氣體中痕量雜質的測定。和HID比較，帶放電離子化（DID）檢測器的氣相色譜儀性能更為優越，表現在：
①HID帶有氚源做為激發能源，但氚源因受半衰期的影響，能量隨時間逐漸下降，使儀器不能保持長時間穩定，且易造成大氣污染。而DID不需要放射源，儀器穩定性提高了，且無污染。
② 靈敏度可提高到5ppb以下，要比HID提高幾倍。
③和2700型HID相比采用多維色譜技術，柱分離功能設計更完善。可完成前切、后切、中心切割，解決主組分大峰掩蓋雜質峰的問題，并可配毛細管柱。對特種氣體及部分有機氣體也能完成測定。
④ 配有氦純化器，將氦氣從99.995%純化到99.99999%He。從而使DID靈敏度得到有效提高。
⑤價格適中。和2700型HID氣相色譜儀相比，主機價格均為3萬多美元，但是，其功能和靈敏度指標要優于HID。因此，目前世界上各氣體制造廠家和電子公司客戶都將其作為更新換代儀器產品使用。
⑥ 如連續在線測定或取樣測定氬氣體中雜質氣體成分含量，則可采用高純氬作為載氣，會使操作成本低廉，使用更簡便。
2.氣體中微量水的測定儀器
(1) 電容式氧化鋁濕度計
在工業生產過程中和實驗室內,常常需要對氣體中的水含量進行測量,因此各種各樣的水分含量方法和儀器應運而生。雖然各種方法都有氣特點，但總的來說，對于工業生產過程中能夠快速、準確地連續測量水分含量的方法仍然是極少的。眾多類型的濕度計都存在著因采樣引起的污染問題，采樣管路和器具的干濕度常會使原樣品中的含水量改變，濕度的不同將促進產生新的氣液平衡，這些都會造成含水量的變化。
SHAW公司及PANA公司研制的由國外許多廠家廣泛采用的氧化鋁濕度計可以克服上述困難，完成在廣的含濕量范圍內的在線連續監測。
1)原理：濕度計的傳感器部分為一獨特的氧化鋁結構，該濕度元件是用特殊的加工方法制成的。通常是將鋁片放在酸性介質中通過交流電氧化，即形成厚度為一定的，孔徑均為一致的無定型氧化鋁層。再在沸水中煮沸，使其轉變為硬水合型薄土鋁。用真空蒸發法在此氧化鋁上鍍上一層金膜，鋁片基底和金層形成電容器的兩個電極，用引線接出即構成一濕敏元件。
在測量時由于金層很薄，水蒸氣分子可以迅速透過，然后在孔壁上達到平衡，（其他分子不能透過，它與敏感器周圍氣體中水蒸氣壓存在函數關系。氧化鋁層所吸收的水分子數決定了孔壁的電導率，每一孔壁電阻都有一具體數值，它就是水蒸氣壓的直接量度。
氧化鋁濕敏元件反應非常迅速，當水蒸氣濃度從10000微克/升降至10微克/升時，5秒內輸出信號變化達到總含水量的63%。
2)測量：氧化鋁濕度計測量水蒸氣含量的范圍是從露點/霜點+20℃到-110℃。相當于從20000微克水/升到0.001微克水/升。此儀器測量濕度的下限靈敏度比其他濕度計至少高兩個數量級。
3)應用
1.在線測量：因儀器敏感元件尺寸很小，且不需要管路連接，也不需要調壓器等，可直接放在容器及工藝管路內進行無滯后測量，使用非常方便。信號還可以通過電纜遠傳，進行多點集中操作測量。敏感元件能夠在真空或高壓下進行濕度測量，總壓范圍可由幾個微米汞柱到500磅/寸。對于靜止氣流或速度達1000厘米/秒的氣流可進行正常的濕度測量。
氧化鋁濕度計還可以作成小型便攜式露點儀，作為非連續采樣分析用。這種儀器體積小，體重輕，快速測定，自動干燥，使用非常方便。因其價格便宜，所以國內不少廠家選用這種儀器作為瓶裝及管道氣體中水含量的快速檢測用儀器。
2.高靈敏度電解式濕度計
由于電解式濕度計具有運行穩定，不需經常校驗等優點，故近年來國外發展了電解式濕度計，將其靈敏度大大提高，而且檢測下限達到PPB。如英國SYSTECH公司的電解濕度儀。MM1000型檢測范圍為0-10/100/1000ppmH20。儀器內部管路全部為電拋光不銹鋼制，以便為水的吸附及脫附縮短平衡時間。此儀器專用于不含氫的超高純氣體中痕量水的檢測。
3.氣體中氧含量的測定儀器
在空分及其他氣體產品中，含氧量的檢測從來都是作為主要檢測項目來完成的，通常它包括常量、微量及痕量這樣一個濃度范圍很寬的檢測范圍。正因為氧含量的檢測具有如此重要的地位，所以國內外不少廠家研制了各種不同種類的儀器產品。僅介紹其中兩類用于測定微量氧含量的儀器，這兩類也是空分和氣體制造過程中應用*多*廣的儀器。
（1）燃料池式氧分析儀
1）原理：氣體中氧含量的測定是通過一個電化學傳感器-微型燃料電池完成的。在測定時，氣體中氧進入儀器，擴散到電池內部，在電池兩極上產生電流的大小和氧濃度有一定的比例關系。若將燃料電池產生的微弱電流加以放大，并由二次表指示記錄，便可得知氣體中氧的含量。
①線性范圍寬，在常量及微量各不同測量范圍，有多種儀器形式。可用于25%-0.1ppmO2測定。
②響應迅速。在0-1ppm內達90%時<60秒；
在0-1000ppm內達90%時<10秒；
③傳感器保養容易，微型燃料池傳感器是一個密封的電化學裝置，無需經常添加電解液，也不要經常清洗電極。
④用空氣校驗，微型燃料池傳感器對于氧濃度產生一個線性輸出，故可以利用空氣（含氧20.95%）校驗微量范圍的氧分析儀。對微量氧分析也可使用標準氣校驗。
氧分析儀可配套一個氣體進樣系統，尤其是當用于在線分析時更需如此。對不同的使用條件可有不同的進樣系統。
（2）赫茲電池式氧分析儀
赫茲電池式氧分析儀（即原電池式氧分析儀），屬于濕式氧分析儀。由于和燃料池式相比，該方法具有靈敏度高，響應更快速，防干性好等優點，近年來在國外發展很快，而且不同公司的產品有各自特點。
僅舉兩例：
1） 耐酸性氣干擾的DELTA F公司氧分析儀
DELTAF公司發展了一種在樣氣中存在酸性氣體成分不干擾測定的氧檢測方法。即在電解池內部增加帶有非消耗電極的電解液調解系統（STAB-EL）。這樣，在樣氣中有酸性氣體存在時，可以防止酸性氣體存在使電極失效和中毒。
儀器特點是：
① 不會產生因酸氣干擾而顯示出不正常的低數值。
② 不需要頻繁校驗。
③ 不需周期性更換電解池。
④ 對氧量瞬時過量的沖擊不靈敏。
⑤ 不需要在啟動時校驗儀器。
2） PPM-PPB級氧含量檢測的氧分析儀
英國SYSTECH公司生產的赫茲電池式低含量氧分析儀（176型及276型）可檢測10ppm-1ppb氧含量。儀器以微處理器為基礎，自動量程，精密的質量流量控制器，過氧及發生事故時報警。并配有自動校驗設備，任意定時自動校驗。
4.液氧中碳氫化合物分析儀
液氧中碳氫化合物（CnHm）分析是空分防爆工作中非常重要的基礎工作。目前，國內許多廠家，尤其是有大、中型空分裝置的工廠紛紛建立健全這項分析。
液氧中CnHm的分析通常采用帶有氫焰檢測器的氣相色譜儀來完成，可一次取樣測定液氧中C1-C4共10余種有機化合物成分含量。
（1）原理：氫焰色譜法：氫火焰離子化檢測即以氫氣和空氣混合燃料形成的火焰作為能源，將載氣中樣品氣的有機成分帶入燃燒的火焰中，發生離子化反應，生成許多離子對。當火焰的上部及下部電極對上施加一定的電壓時，則會產生一定數量的離子流，離子流的大小與樣品中有機成分含量成正比，因而可由離子流大小的測定決定樣品氣中的有機物成分含量。
（2）儀器性能：
可測定液氧中碳氫化合物成分的種類：CH4，C2H4，C2H6，C2H2，C3H6，C3H8，C4H10，C4H6等。
靈敏度：50ppbCH4。
儀器型式：在線型及實驗室型。
應用：根據氣體生產工藝不同的需要和具體的使用條件，儀器可分為在線式進行自動連續測定和在實驗室內定時或隨機取樣分析兩類。如需監測<10ppbC2H2時，則必須改用帶放電檢測器的氣相色譜儀才能完成。
5.凈化空氣中二氧化碳含量分析儀
在空分裝置中，凈化后入塔空氣中二氧化碳含量的監測是一個非常重要的課題。但是，由于國內缺少適用的儀器，而又往往對國外儀器水平不了解，故一些單位選購及配套十分不合理，不僅浪費資金，還不能保證正常生產。如目前國內大、中型空分一般配套在線CO2分析儀，其檢測下限范圍是0-20ppm，這樣所控制的濃度指標是在儀器不靈敏范圍之內，故儀器不能在控制指標2ppm以下濃度范圍準確測定并顯示結果。再者，若從在線分析儀器允許漂移范圍考慮，也不能達到監測目的。
（1）原理：非分散紅外法：當一束具有特定波長的紅外光射入氣體吸收池時，在池內樣品氣中的二氧化碳將吸收這一波長的紅外光，使透過的紅外光在吸收光譜圖上產生一個吸收峰，此峰高度與二氧化碳含量成正比，從而得知氣體中二氧化碳含量。
（2）儀器性能：
檢測范圍：0-1/2/3/10/ppmCO2。
靈敏度：0。01ppmCO2或CH4、CO。
被測成分：可用檢測CO、CO2、CH4中任意兩種成分。
被測樣氣種類：N2，O2，Air、Ar、He等
6.流程氣相色譜儀
在空分生產中，有不少重要常量成分含量需要在線連續檢測和控制，如氬中過量氫含量分析，污氮中氧含量分析，粗氬中氧含量分析，氮中氫含量分析，氦中氮氧純度分析等。以上這些種常量分析通常采用熱導型氣體分析儀完成。一般空分廠（站）選用國產儀器較常見，但是，一些大、中型空分裝置，為確保生產正常運行，減少不必要的麻煩，往往選用進口儀器。
（1）原理，熱導型氣相色譜法
熱導池檢測器是根據不同物質具有和載氣不同的導熱系數，當通過熱導池孔道的氣體成分濃度發生變化時，就會從熱敏元件上帶走不同的熱量，從而引起元件阻值變化。這種阻值變化可以用電橋進行測量，從而得知樣品氣體中被測成分的濃度值。
（2）儀器規格：根據不同需要有不同形式，一般來說廠家可提供從100ppm-100%范圍的任何含量檢測用儀器，這里不一一介紹了。