一、系統概述

氣體檢測采樣預處理系統是連接氣體采樣點與分析儀器之間的關鍵環節，其主要功能是對采集的原始氣體進行物理或化學處理，去除干擾組分、調節氣體狀態，確保進入分析儀器的氣體符合儀器檢測要求，從而提高分析結果的準確性、可靠性和穩定性。該系統廣泛應用于環境監測、工業過程控制、科研實驗、醫療健康等多個領域，是保障氣體分析數據質量的重要組成部分。

二、系統組成及各部分功能

（一）采樣單元

采樣單元是系統與待測氣體環境直接接觸的部分，負責將目標氣體從采樣點抽取或收集到系統中。

1. 采樣探頭/采樣管：根據不同的采樣環境和氣體特性（如溫度、濕度、粉塵含量、腐蝕性等）選擇合適的材質（如不銹鋼、聚四氟乙烯、玻璃等）和結構。例如，在高溫煙道氣采樣中，常采用帶冷卻外套的金屬采樣探頭；在潔凈氣體采樣中，可使用簡單的玻璃或石英采樣管。采樣探頭的設計應盡量減少對氣流的干擾，保證采集到具有代表性的氣體樣品。

2. 采樣泵：提供動力，將氣體樣品從采樣點輸送到后續處理單元。根據系統所需的流量、壓力以及氣體性質選擇合適的采樣泵類型，如隔膜泵、蠕動泵、旋片泵等。采樣泵的流量穩定性和負壓能力是關鍵性能指標，直接影響采樣效率和樣品代表性。

3. 流量控制與計量裝置：如質量流量控制器（MFC）、轉子流量計、皂膜流量計等，用于精確控制和測量采樣氣體的流量。穩定的采樣流量是保證分析結果重復性的重要因素，同時也便于進行定量分析。

（二）預處理單元

預處理單元是系統的核心，針對不同的氣體樣品特性和分析要求，采用多種處理技術去除干擾因素。

1. 過濾裝置：用于去除氣體中的顆粒物（粉塵、氣溶膠等）。常用的過濾器有金屬燒結過濾器、玻璃纖維濾膜、聚四氟乙烯濾膜等。過濾器的選擇需考慮過濾效率、孔徑大小、耐溫性和耐腐蝕性，應定期更換或清洗，防止堵塞影響流量和過濾效果。

2. 除濕/干燥裝置：當氣體中水分含量過高可能對分析儀器或檢測結果產生干擾（如損壞傳感器、引起冷凝、影響某些氣體組分的吸附或反應）時，需要進行除濕處理。常用方法包括：

o 冷卻除濕：通過半導體制冷或壓縮機制冷將氣體冷卻至露點以下，使水分冷凝析出，適用于大流量、高濕度氣體，但可能導致部分易溶于水的氣體組分損失。

o 吸附干燥：利用干燥劑（如硅膠、分子篩、氯化鈣、五氧化二磷等）的吸附作用去除水分。吸附劑具有一定的吸附容量，需定期再生或更換。對于低露點要求，常采用雙塔切換吸附干燥，以實現連續工作。

3. 除水（化學法）/脫水：在某些特定場合，可能采用化學試劑吸收水分，如濃硫酸（但需注意其強腐蝕性和對某些氣體的吸收）。

4. 除干擾氣體組分裝置：如果樣品中含有對目標分析物有干擾的其他氣體組分，需要選擇性去除。例如：

o 選擇性吸附劑：如活性炭可吸附有機蒸氣，霍加拉特劑可去除氧氣（在特定條件下），堿性吸收劑（如NaOH）可去除酸性氣體（CO?、SO?、HCl等），酸性吸收劑（如H?SO?）可去除堿性氣體（NH?等）。

o 催化轉化裝置：利用催化劑將干擾氣體轉化為無害或不干擾的物質。例如，使用轉化爐將NO?轉化為NO，或在特定催化劑作用下將某些有機干擾物氧化為CO?和H?O。

5. 加熱與保溫裝置：在采樣和傳輸過程中，為防止氣體中的高沸點組分冷凝或某些易反應組分因溫度降低而發生變化，需要對采樣管線和部分預處理部件進行加熱和保溫。例如，采集煙氣中的VOCs時，通常需要全程加熱（如120℃或180℃）以防止其冷凝損失。

6. 富集與濃縮裝置：當待測氣體組分濃度低于分析儀器檢測，需要對目標組分進行富集濃縮。常用方法有固體吸附劑吸附-熱脫附、低溫冷阱濃縮等。例如，大氣中痕量VOCs的分析常采用Tenax等吸附劑進行富集。

（三）傳輸單元

負責將預處理后的潔凈氣體穩定、無損失地輸送至分析儀器。

1. 傳輸管線：應選擇化學惰性好、吸附性小、密封性好的材質，如聚四氟乙烯（PTFE）管、不銹鋼管等。管線應盡可能短，減少死體積，避免氣體在傳輸過程中的吸附、解析或反應。對于需要加熱傳輸的氣體，應采用伴熱管線。

2. 穩壓穩流裝置：在進入分析儀器前，有時需要進一步穩定氣體壓力和流量，確保儀器在條件下工作。

（四）控制與監測單元

隨著自動化程度的提高，現代氣體采樣預處理系統通常配備控制與監測單元。

1. 傳感器：如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器（用于檢測冷凝水）等，實時監測系統各關鍵部位的運行參數。

2. 控制器：如PLC（可編程邏輯控制器）、單片機、工業控制計算機等，根據傳感器反饋的信息，自動控制各執行部件（如采樣泵的啟停、流量控制器的調節、加熱裝置的開關、報警裝置的觸發等），實現系統的自動化運行和故障診斷。

3. 顯示與報警裝置：用于顯示系統運行狀態參數（流量、溫度、壓力、濕度等）和故障信息，并在出現異常情況（如流量超限、過濾器堵塞、溫度異常、氣源壓力不足等）時發出聲、光報警信號，提醒操作人員及時處理。

三、系統設計原則

1. 樣品代表性：系統設計應確保采集到的氣體樣品能真實反映采樣點的氣體組成和濃度，避免采樣過程中的污染、損失或組分變化。

2. 針對性：根據待測氣體的性質（組分、濃度、溫度、濕度、壓力、含塵量、腐蝕性等）和分析儀器的要求，選擇合適的預處理技術和裝置，做到有的放矢。

3. 高效性：預處理過程應能快速、有效地去除干擾因素，盡可能縮短樣品處理時間，減少樣品在系統中的滯留。

4. 穩定性與可靠性：系統各部件應選用質量可靠的產品，設計合理的工藝流程，確保長期穩定運行，減少維護量。

5. 自動化與智能化：在條件允許的情況下，盡量提高系統的自動化程度，實現無人值守、自動采樣、自動處理、數據自動記錄與傳輸，提高工作效率和數據可靠性。

6. 安全性：對于有毒、有害、易燃易爆氣體的采樣，系統應具備良好的密封性和安全防護措施，防止氣體泄漏造成人員傷害或環境污染。

7. 易維護性：系統結構應便于操作、維護和檢修，關鍵部件應易于更換。

四、應用領域

1. 環境空氣質量監測：對大氣中的SO?、NOx、CO、O?、VOCs、PM2.5、PM10等污染物進行采樣和預處理。

2. 固定污染源廢氣監測：如電廠、化工廠、鋼鐵廠等排放的煙道氣中污染物的監測。

3. 工業過程氣體分析：在石油化工、冶金、半導體、食品發酵等工業生產過程中，對工藝氣體組分進行在線監測，以優化生產工藝、保證產品質量和安全生產。

4. 室內空氣質量監測：監測室內空氣中的甲醛、苯系物、TVOC、CO?等。

5. 科研實驗：為實驗室氣體分析儀器提供符合要求的樣品氣。

6. 醫療領域：如麻醉氣體監測、呼出氣體分析等。

7. 應急監測：對突發環境污染事件或事故現場的有毒有害氣體進行快速采樣和預處理分析。

氣體檢測采樣預處理系統的性能直接關系到氣體分析數據的質量，因此在設計、選型、安裝和運行維護過程中，必須充分考慮各種影響因素，根據具體應用場景和分析要求進行優化配置，確保系統能夠長期穩定、可靠地工作。