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GB／T 40870-2021 气体分析 混合气体组成数据的换算.pdf

如果混合气体的组成以质量计量，分别为m1，m2""，mN，则任一组分i的质量分数w；可由公式（4) 计算：

如果混合气体的量均以体积计量，分别为V、V2、、V，则任一组分i的体积分数：可由公式(5） 计算：

通常用浓度表示混合气体的分析结果，如果指定的分析组分i在样品中的量以物质的量n；计量， 在给定的温度压力下QMYJHZ 0001-2016 建宏中天(北京)农业科技有限公司 混合果粒，样品体积为V，，则摩尔浓度（物质的量浓度）c；由公式（6)给出：

如果分析组分的量以质量m：计量，则质量浓度β：由公式（7)给出：

...........................

在以上所有表达式中，样品的体积与温度和压力相关。在以体积浓度表示时，被分析物的体积也与 温度和压力相关。对于这两个体积，所处的状态条件应相同。 关于温度和压力对组成量的影响如下： 状态条件对摩尔浓度和质量浓度影响很大； 一状态条件对体积分数和体积浓度几乎无影响； 一摩尔分数和质量分数完全与状态条件无关。 假定混合气体是均匀的，本文件适用的前提条件是混合气体在状态条件（温度和压力）下应完全处 于气态，该要求适用于所有的量，除此之外，以下情况（体积浓度和体积分数)还应满足以下要求： a）在状态条件下，所研究的单一组分混合前完全处于气态时，体积浓度才适用； b）体积分数只有在状态条件下，所有组分混合前完全处于气态的情况才适用。 对于单一组分的气体，完全气化是指在给定温度下，压力远低于其饱和蒸气压，或者，温度远高于其 临界温度；对于混合气体而言，完全气化是指在给定温度下，压力远低于其露点压力，或者，温度远高于 其临界凝析温度。即，状态条件要与凝析区域对应的状态条件相差较大。附录A中描述了在给定状态 条件下，评估混合气体及其组分是否完全气化的方法。 如果无法保证混合气体是均匀、稳定的，那么以下组成量的换算等步骤就非常复杂。举例来说，在 对应状态条件下，混合气体不稳定，即混合气体组分间发生化学反应，那么混合气体组成与时间相关并 应**相应描述（使用按时间平均的量，或者建立与时间相关的函数关系）。类似的，对于不均匀混合气 体，可使用空间分布法或者空间平均法。然而，这种情况已经超出了本文件的范围

根据以下量的基本关系式对不同组成量**换算，该关系式既适用于纯气体，也适用于混合气体： 物质的量，n； 质量，m； 体积，V。 物质的量和质量之间的关系，由公式（9）给出：

根据以下量的基本关系式对不同组成量**担 物质的量，n； 质量，m； 体积，V。 物质的量和质量之间的关系，由公式(9)给出：

..............·.....·..

T一一气体或混合气体的温度。 公式(10)是真实气体的一般状态方程。纯气体的压缩系数可以通过维里系数表（见8.1.2)* 混合气体的压缩系数可以通过混合气体的组成和组分的维里系数（见8.2.2)**估算。 公式（11）给出了质量和体积之间的关系式：

通过将公式(9)、公式(10)、公式(11)合并，可将M、Z、p三个量**关联得到公式(12)

因此，这些量中只有其中两个量是独立的。本文件中，组成量之间的换算是在M和Z已知的情况 下**的。 除了以上公式，在分数和浓度间换算时，还需要已知混合气体的量与组分的量之间的关系。 如果一个混合气体样品s中含有N个组分，1、2、3、、N，则混合气体样品的物质的量n，等于各 组分的物质的量之和[见公式（13）1：

类似的，混合气体样品的质量等于各组分质量之和，见公式（14）

虽然混合物的物质的量和质量可由各组分的物质的量和质量直接相加，但是组分的体积相加却只 是近似等于混合气体的体积。在理想状态条件下，混合气体样品的体积V，与组分体积之间的关系如公 式（15）所示：

f，一混合气体s的混合因子。 在大多数应用中，混合因子可视为1（见8.2.3）

5.3不同状态之间的换算

V, =f,× Zv

如果混合气体的表示量与温度和压力相关，则有必要引入参考条件，以方便**比对。因此，需要 制定相关的方法，将任一混合气体的组成，由给定的状态条件换算为特定的参考条件，根据5.2中的公 式（10)可得，该换算涉及的基本关系是，纯气体或者混合气体样品在给定状态条件下（p，T）的体积 V力，T)与同一样品在特定参考条件下（pref，Tret）的体积V(pref，Trer）之间的关系见公式（16)：

6.1不同组成量之间的换算

6.1.1某一分析组分含量的换算

V(P,T) prefXTXZ(P,T) V(pref , Tref ) pXTref XZ(pref, Tret)

不同组成量间的换算，指的是混合气体在给定状态条件（压力P和温度T）下**的换算。在* 换算时，需要乘以一个换算因子，在大多数情况下，该换算因子为一个系数，由组分讠和混合气体样品 的一个或者几个量组成。例如，按照公式（17）将摩尔浓度c：换算为质量分数W

RXTXZ, W: XM;Xc; PXM, sc.cc..c..c..c.....cccc.

Z，一一给定状态条件（p，T）下混合气体s的压缩因子； M，一混合气体s的摩尔质量； M;一组分i的摩尔质量。 摩尔质量M、压缩因子Z和密度β这三个相关量中，根据选用的两个量的不同，换算因子的表示也 不同。在本文件中，换算因子通常用M和Z来表示。压缩因子的数据利用纯气体或者混合气体的密 度数据，根据5.2中的公式（12）得出。 在第8章中，给出了换算所需输人量的确定方法。 除了摩尔分数和质量分数之间的换算外，如果研究的状态条件（压力和温度)与混合气体及其每个 组分的冷凝范围相差较大，才能**不同组成量间的换算。否则将容易导致严重错误或者误导性结果。 例如：如果在研究的状态条件下，其中一个组分没有完全气化，那么该组分就不能用体积分数或者体积 浓度来表示（见3.1）。 表1给出了一整套用所研究组分和混合气体的摩尔质量和压缩因子表示的换算因子。将给定的量 乘以表1中相应的因子，则可得到所需的量。

表1组成量之间的换算因子

6.1.2全组成的换算

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如果混合气体的所有组成均已知，即，所有混合气体组分的含量以及底气的含量均可获得，换算因 子通常可简化为组分的量。这可以通过求和关系来实现，即用组分量的加和表示单一或复杂混合气体 的量，如公式(18）和公式（19）所示：

于组分压缩因子的求和关系获得的组成量间的提

6.2不同状态条件之间的换算

在本文件中所涉及的六个组成量中，只有摩尔分数和质量分数与混合气体的状态条件（p，T)无 关。与之相反，组分的体积分数、摩尔浓度、质量浓度和体积浓度值均随温度和压力的变化而变化。变 化范围取决于变化的程度、气体本身的性质和所研究的量（见5.1）。 将这些量由给定的状态条件（p，T）换算成指定的参考条件（Pref，Trer），需要乘以换算因子，如公 式(20)~公式(23)所示：

PrefXTXZ,(P,T) C; (pref, Tref) : p X Trer X Z,(pref, Tref) Xc;(p,T) prerX T×Z,(P,T) β; (Pref , T ref ) = Xβ(p,T) （21 p X Tref X Z, (pref,Trer) Z,(p,T)XZ,(Pref,Trer) ; (Pref , Tref) = Xa;(p,T) (22 Z,(pref,Tre)XZ,(p,T) f,(Pref, Tret)XZ,(P, T)X Z: (Prer, Trer) β:(pref,Trer)= ×$:(p,T) f.(p, T) X Z.(p, T.) X Z. (p, T)

不使用公式（20）～公式（23），利用摩尔分数或质量分数也可完成向其他状态条件的换算。 换算为参考条件只适用于所研究的参考条件（温度和压力）均可确保混合气体和每一个指定分析组 分均不产生凝析的情况。否则将会导致严重错误或者误导性结果。例如：如果其中一个组分在所研究 的参考状态条件下没有完全气化，那么该组分的含量就不能用体积分数或者体积浓度来表示（见3.1）。

7.1不同组成量之间的换算

不同组成量之间相互换算的因子可能包括所研究组分i的数据（摩尔质量M，，压缩因子Z.）和整 个混合气体s的数据（摩尔质量M，，压缩因子Z，，混合因子f，）。 如果能够获得所需组分和混合气体的数据，可直接使用表1给出的因子。实际上，通常难以获得给 定状态条件（温度T，压力）下组分的压缩因子。在这种情况下，这些量应通过现有的数据去估算，例 如利用维里系数（见8.1）。 然而关键问题是缺少混合气体的数据。除了空气在实际应用中可看作是纯气体，其他混合气体的 摩尔质量和体积特性（压缩系数、混合系数）通常无法获得，也无法**测量。为了解决该问题，本文件 给出以下两种选择方案。 如果混合气体的组成全部由摩尔分数、质量分数或体积分数表示，换算成其他量所需的混合气 体的混合特性数据大都可通过组分性能数据的加权平均值**表示。利用这些求和规则和 表2给出的换算因子，可完成分数向其他分数或浓度的换算。这些换算所需的输人量有： 一 混合气体的全组成数据， 一相关的组分性能数据， 一混合因子的估算值（只在换算成浓度时需要）。 此方法一般应用在混合气体制备中，其中，从混合气体的制备配方，可获得所有的组成，关于此 类换算在7.3中给出更加详细的说明。 混合的组分可以是纯气体也可以是特定的混合气体。如，干燥空气是已知摩尔质量和压缩因 子的特种气体，干燥空气中的SO2校准混合气体可以方便地按二元混合气体处理，而不是 SO2、N2、O2、Ar、CO2等的混合气体。 b）如果不能确定混合气体的全组成，换算因子的评估方法就取决于所涉及的混合气体的性能数

据、换算的预期不确定度和混合气体组成的现有信*。此方法一般用于混合气体的分析中， 此时通常只有指定分析组分被定量检出，无需了解平衡气（底气）的组成。 关于此类换算将在7.2中给出更为详细的说明。 虽然并不知道混合气体的全组成，它可表示为由特定分析组分和一个半定量的特定底气组成的混 合气体。然后就可以按照a)**换算，其中，底气的相关性能数据可利用现有信*以适当的不确定度 **估算。 7.4中给出了不同状态条件间的换算方法

7.2单一分析组分含量的换算

如果欲对单一分析组分含量**换算，并且无法获得混合气体的全组成数据，则需要从表1中选择 合适的换算因子，接下来对换算因子的要素**检查，确定是否有合适的数据可用，或者能否利用以下 言***估算。 一对于指定分析组分的摩尔质量M；，从公认的参考资料中获取，或者按照8.1.1**计算。 一在给定的状态条件（力，T)下，指定分析组分的压缩因子Z；，一般无法在发布的数据资料中获 得，而是需要根据查表获得的维里系数按照8.1.2计算得到。 对于混合气体的摩尔质量M，通常无法在发布的数据资料中获得，需要根据所有组分的精确 组成数据**计算。如果缺少这些数据，只有在特殊情况下，如底气为纯气体的微量组分，可 以利用8.2.1中所述的方法**估算。 在给定状态条件下（p，T），混合气体的压缩因子Z。，一般无法在发布的数据资料中获得。可 按照8.2.2，利用查表获得的维里系数和组成数据，或者直接利用8.3给出的简单近似，计算压 缩因子的值。 一在给定状态条件下（，T），混合气体的混合因子，，一般无法在发布的数据资料中获得。除 特殊情况（如强相互作用）外，混合因子的值通常可取1（见8.2.3）。 对于α，是力/RT的比值，其值已知。 总之，如果缺少准确的混合气体全组成数据，除特殊情况外，就不能**涉及混合气体摩尔质量的 换算。由于不需要详细的混合气体组成数据，利用简单的估算，可**与混合气体压缩因子和/或混合 因子相关的换算。

当以摩尔分数、质量分数或体积分数表示的混合气体的全组成数据已知时，如果用其他组成量来表 这三个量中的任一个量，则需要确定表2中所需的换算因子。接下来检查换算因子的要素，确定是否 合适的数据可用或者能否利用现有信***估算。 除了组成数据，这些数据还可以从以下方式中获得： 对于指定分析组分或者其他组分的摩尔质量M，（M，），从公认的参考资料中获取或者按照 8.1.1**计算； 对于指定分析组分或者其他组分的摩尔质量Z，（Z，），无法在发布的数据资料中获得时，利用 查表获得的维里系数按照8.1.2**计算； 一对于混合气体的混合因子于：，无法在发布的数据资料中获得时，除特殊情况（如强相互作用） 外，混合因子的值通常可取1； 对于α，是力/（RT）的比值，此值已知

7.4不同状态条件间的换算

不同状态条件之间的换算主要需要给定条件下某一组分和整个混合气体的压缩因子数据。对于不

同组成量间的换算，其主要问题是缺少混合气体的数据，在7.2和7.3中给出的解决此问题的对策同样 适用于不同状态条件间的换算。由于不涉及混合气体的摩尔质量，对于此类换算，就不会遇到因缺少准 确的全组成数据而无法估算摩尔质量的相关问题

7.5利用简单近似**换算

7.5.1理想气体的理想混合物

理想气体的理想混合物具有以下特点： 混合因子是1（f，=1）； 组分的压缩因子是1（Z，=1）。 因此，混合气体的压缩因子等于1，即Z，=1。这也表明组分的摩尔分数、体积分数和体积浓度相 等，即工；=中：=0 理想气体的理想混合物模型可适用于所有的混合气体，并可作为实用的基本近似方法。对于含有 可凝结组分的混合气体，由于这种近似引起的换算的相对误差水平一般在1%左右，对于永久性气体组 成的混合气体，换算误差就会小很多

.5.2真实气体的理想混

真实气体的理想混合物具有以下特征： 混合因子为1（f，=1）。 这表明组分的体积分数和体积浓度相等，即Φ：=6： 真实气体的理想混合物模型适用于所有的混合气体。在绝大多数情况下，该近似方法比较准确，足 以满足实际应用。但具有较强分子间作用力的混合气体（如共沸混合气体）除外。对于其他混合气体， 由于这种近似方法引起的换算的相对误差水平一般在0.3%左右

7.5.3微量混合气体

微量混合气体是由底气1和序号为2，3，，N的若干组分组成，组分的含量均很低。因此，混合气 体的压缩因子、密度、摩尔质量都近似认为是底气的相关量，即： Z，=Z1，P，=p1,M,=M1，另外，可将混合因子视为1，即f,=1。 对于底气的量在90%以上的混合气体，除涉及质量分数的换算之外，由于这种近似方法引起的换 算不确定度一般在0.5%左右

根据分子式，利用元素的摩尔质量计算纯气体的摩尔质量。元素的摩尔质量应从最亲 IUPAC资料中获得（参考文献[6]为最新版本）。 注：在IUPAC资料中，元素的摩尔质量被称为原子量。 纯气体摩尔质量的标准不确定度取相关元素摩尔质量标准不确定度平方和的正平方根（贝 献[3］）。 示例：对于分子式为A。B,C。的纯气体，其摩尔质量M及其标准不确定度u（M)分别由公式（24)和公式（ M=αXMA+bXMs+cXMc u(M)=a"Xu(M^)+b"Xu"(Mg)+c²Xu(Mc)

根据分子式，利用元素的摩尔质量计算纯气体的摩尔质量。元素的摩尔质量应从最新发布的 IUPAC资料中获得（参考文献[6]］为最新版本）。 注：在IUPAC资料中，元素的摩尔质量被称为原子量。 纯气体摩尔质量的标准不确定度取相关元素摩尔质量标准不确定度平方和的正平方根（见参考文 献[3］）。 示例：对于分子式为A。B,C。的纯气体，其摩尔质量M及其标准不确定度u(M)分别由公式（24)和公式（25)计算： M=aXMA+bXMg+cXMc （24） u(M)=a"Xu(M^)+b"Xu"(Mg)+c²Xu(Mc) （25）

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对于大多数纯气体，在常温和常压下，压缩因子与1稍有偏差。对于天然气中的纯气体组分，参考 文献[8]和[9]给出了其在常用参考条件下（101.325kPa，0℃和15℃）的压缩因子。参考文献[10]中 给出了在常用的参考条件下（101.325kPa，0℃），气体压缩因子的数据汇编。附录C中给出了 100kPa、15℃下，有关气体的压缩因子数据汇编，这些压缩因子是利用参考文献[10]中的维里系数数 据计算得到的。 通过规定的有效数字的位数可以获得表格中压缩因子不确定度的信息。对于有效数字取舍的相关 详细信息可以参考文献资料。 对于与凝结范围相差较大的状态条件，主要利用查表获得的维里系数进行截断维里展开，来估算纯 气体的压缩因子。这是因为即使在气体数据汇编中可查到的情况下，通常也只是特定参考条件下的压 缩因子。如果无法获得所研究状态下的压缩因子，可以根据第二压力维里系数数据，使用3.2.5中的公 式（2），通过线性截断进行估算得到公式（26）：

p,T)=1+B(T)× .................

Z(p，T）一在压力p和温度T下的压缩因子； B'（T) 一温度T下的第二压力维里系数。 公式（26)的适用条件是该状态条件下气体的密度小于其临界密度的50%（见参考文献[11]）。 温度在0℃～30℃之间时，维里系数B（T）可以使用公式（27)进行近似计算：

.............................

B'。一0℃下的第二压力维里系数； B'30一30℃下的第二压力维里系数； 温度，单位为摄氏度（℃），相应的，T的单位为开尔文（K）。 根据参考文献[10]，附录C汇总了0℃和30℃下的大量第二压力维里系数。其中，在参考文献 12中，将大量的气体实验数据编人经验公式的参数中，通过这一途径，在给定温度范围内，可以近似估 算出第二摩尔体积维里系数B（T)。其他摩尔体积维里系数来源可以见参考文献[9]和[13]。 使用公式（26)时，应先利用公式（28),将摩尔体积维里系数B（T)换算为压力维里系数B'（T）：

B(T) = B(T) RXT

对于利用公式（26)计算的压缩因子，可根据以下方法评价截断维重展开引起的不确定度。根据参 考文献[11],压缩因子处于由3.2.5中的公式(1)和公式(2)线性截断得到的近似值之间。那么压缩因 子Z的最大误差为（1一Z)²/Z。用最大误差除以3，得出相对标准不确定度（误差范围内均匀分布的 标准偏差）。 示例：当Z=0.9时，最大相对误差约为1%，则相对标准不确定度为0.6%。当Z=0.95时，最大相对误差和相对标

准不确定度分别减小至0.25%和0.15%。在状态条件与凝结范围相差较大时，压缩因子小于0.95的情况较为罕见。 利用公式（27)计算维里系数数据的内插值，由于线性欠佳，不确定度需要根据实验研究进行估算 （见参考文献[10]），在这一过程中内插的最大相对误差为2%，除以/3，最大相对误差转化为相对标准 不确定度，为1.2%。 利用公式（28)将摩尔体积维里系数转化为压力维里系数，不会引人额外的不确定度。 根据本条计算压缩因子数据的总的标准不确定度，由输入数据的标准不确定度和涉及的近似过程 引人的标准不确定度合成，其值为相关数据平方和的正平方根（见参考文献[3]）。例如，按照公式（26） 和公式（27），通过维里系数B。和B'30，计算压缩因子Z（p，T），总的不确定度是以下数据的合成： a）截断的不确定度[公式（26)]， b）插人的不确定度[公式（27)]， c）输人的维里系数的不确定度。 不确定度评估公式（29）和公式（30）如下

在公式（30)中，等式右边第一项为内插误差的不确定度贡献，其值按最天误差的1.2%估算（假定最 大误差出现在中间值，即t=15℃，且向边界0℃、30℃逐步减小）。第二项，u（Bdat）代表维里系数 B。和B30的平均不确定度。 注：通常，B。和B"30的估算至少有80%的共同误差。因此，在公式（30)中使用合成的平均不确定度。 在附录C中的维里系数数据中，同时给出了维里系数数据B。和B'30粗略估算的平均不确定度 u（Bdat）

当按照7.3进行全组成换算时，不需要所研究混合气体的摩尔质量。本条涉及根据混合气体组成 的相关信息估算摩尔质量，因此适用于按照7.2进行的单一分析组分含量的换算。 只有在特殊情况下才可查得混合气体的摩尔质量数据，如于燥空气（见参考文献8和107）。因 此，在通常情况下，混合气体的摩尔质量应根据混合气体的组成信息进行计算或估算。 混合气体的摩尔质量可以通过摩尔组成及组分的摩尔质量，按照公式（31）进行计算

根据混合气体的组成数据，估算混合气体的摩尔质量，该估算的标准不确定度是利用标准不确定度 传递公式，将公式（31)中组分摩尔质量和组分摩尔分数的标准不确定度合成得到。如何进行详细计算 取决于混合气体组成的误差来源。最常见的情况是混合气体中的底气组分N的摩尔分数通过差值确 定，而其他组分的摩尔分数分别独立确定，此时公式（31）则需要减去底气的摩尔分数，重新排列得到公 式（32）：

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在其他情况下，例如，确定出所有组分的含量，对所确定的摩尔分数进行归一化处理，在计算不确定 度时，应考虑加人组分数据相关性误差的协方差项（计算过程见9.3、9.4，实例见附录D中示例2)。 通常来说，在公式（33)中，最后一项（与组成数据相关的不确定度)是主要贡献量，而其他项（与纯气 体的摩尔质量相关的不确定度）可忽略不计。 如果所研究的混合气体组成是以质量分数或体积分数给出，利用附录B中给出的相关求和关系， 通过组分的摩尔质量可以计算出混合气体的摩尔质量。比如，以质量分数给出组成时，混合气体的摩尔 质量可由公式（34）计算

该计算的不确定度分析，与基于摩尔组成计算的原理相同。 如果能够获得所研究混合气体组成的浓度信息，可以按照7.5.1，按理想气体近似计算，将浓度 相应的分数，然后用分数估算混合气体的摩尔质量，

根据7.3进行全组成换算时，不需要所研究混合气体的压缩因子。因此该条适用于按照7.2进行的 单一分析组分含量的换算，因为其涉及从混合气体组成相关信息估算压缩因子的计算。 只有在特殊情况下，才可查得混合气体的压缩因子，如干燥空气（见参考文献[8]和[10])。因此，一 般来说，需要根据混合气体的组成信息计算或估算其压缩因子。 混合气体的压缩因子利用其摩尔组成和组分的压缩因子按照公式（35）进行计算：

NY/T 2408-2013 花生栽培观察记载技术规范Z,=f×: ×z.

在公式（35)中，混合气体中所有与状态条件相关的量，均指指定压力力和温度T下的量。 除非有具体信息，否则混合气体的混合因子可视为1（见8.2.3），此时公式（35）可化简为阿马伽定律 的等价公式，见公式（36）：

利用公式（36)计算的混合气体压缩因子的标准不确定度，是以下各量的合成： a）由于将混合因子近似为1的误差引起的不确定度； 一组公际腔用子的通宝座

c）组分摩尔分数的不确定度。

NY/T 2338-2013 亚麻纤维细度快速检测 显微图像法子近似为1的相关不确定度按公式（37）进行计

..............................

对于公式(36)中b)和c)两个不确定度评估的分量，其计算方式与7.2.1中的计算类似。 除在标准参考条件下可查表获得压缩因子，其他情况下，均需要采用8.1.2中的公式（26)进行截断 维里展开，得到组分的压缩因子，再结合公式（36）进行计算，即：