热导式气体分析仪器

1、8.2.1 基本原理基本原理8.2.2 热导池（检测器）热导池（检测器）8.2.3 测量电路测量电路8.2.4 热导式气体分析仪的应用热导式气体分析仪的应用上一页下一页返 回l对于多组分气体，由于组分含量不同，混合气对于多组分气体，由于组分含量不同，混合气体导热能力将会发生变化。根据混合气体导热体导热能力将会发生变化。根据混合气体导热能力的差异，就可以实现气体组分的含量分析。能力的差异，就可以实现气体组分的含量分析。 l根据传热学理论，在温场中的介质传导的热流量根据传热学理论，在温场中的介质传导的热流量 dSdndtdQ通过介质微元等温面传导的热流量，不仅与等温面处温度通过介质微元等温面传导的

2、热流量，不仅与等温面处温度梯度有关，而且与介质的导热系数成正比。梯度有关，而且与介质的导热系数成正比。导热系数标志着物质的导热能力。导热系数标志着物质的导热能力。 上一页下一页返 回l对于不同的介质，导热系数的大小是不同的。对于不同的介质，导热系数的大小是不同的。 固体和液体的导热系数较大，气体的导热系数较小。固体和液体的导热系数较大，气体的导热系数较小。l气体的导热系数通常与温度有关。当温度升高气体的导热系数通常与温度有关。当温度升高时，分子运动加剧，导热系数随之增大。导热时，分子运动加剧，导热系数随之增大。导热系数与温度的关系可近似写成系数与温度的关系可近似写成)1 (0t介质导热系数的温

3、度系数。介质导热系数的温度系数。上一页下一页返 回气体名称相对导热系数（00C时）温度系数/0C-1（01000C）空气1.0000.00253氢7.1300.00261氖1.9910.00256氧1.0150.00303氮0.9980.00264一氧化碳0.9640.00262氨0.897-氩0.6850.00311氧化亚氮0.646-二氧化碳0.6140.00495硫化氢0.538-二氧化硫0.344-氯0.322-甲烷1.3180.00655乙烷0.8070.00583乙烯0.7350.00763二乙醚0.5430.00700丙酮0.4060.00720汽油0.3700.00980二氯甲

4、烷0.2730.00530水蒸气0.973（1000C时）0.00455（1000C时）上一页下一页返 回l由所含组分气体的导热系数共同决定的。对于彼此之由所含组分气体的导热系数共同决定的。对于彼此之间无相互作用的多组分气体，其导热系数可近似地认间无相互作用的多组分气体，其导热系数可近似地认为是各组分导热系数按组成含量的加权平均值，即为是各组分导热系数按组成含量的加权平均值，即niiimC1根据混合气体导热系数与各组分导热系数之间的关系，根据混合气体导热系数与各组分导热系数之间的关系，就可以实现多组分气体的含量分析。就可以实现多组分气体的含量分析。 上一页下一页返 回严格地讲，热导式气体成分分

5、析仪只能解决双组分气严格地讲，热导式气体成分分析仪只能解决双组分气体的含量分析，此时式（体的含量分析，此时式（8.2.3）的具体形式为：）的具体形式为：2211CCm由于由于C1+C2=100% )1 (1211CCm2121mC只要测出混合气体的导热系数，就可以根据两组分的导热系数只要测出混合气体的导热系数，就可以根据两组分的导热系数求得待测组分的含量。求得待测组分的含量。对上式微分，可得对上式微分，可得 211dCdm仪器的灵敏度与两个组分导热系数之差成正比，仪器的灵敏度与两个组分导热系数之差成正比，即两组分导热系数相差越大，仪器的灵敏度就越高。即两组分导热系数相差越大，仪器的灵敏度就越高

6、。上一页下一页返 回（1）除待分析的组分外，其余组分的导热系数）除待分析的组分外，其余组分的导热系数相等或接近，即接近的程度越高，仪器的测量相等或接近，即接近的程度越高，仪器的测量精度越高。若个别气体的值与其它背景气体的精度越高。若个别气体的值与其它背景气体的值相差较远时，则被视为干扰成分，在分析之值相差较远时，则被视为干扰成分，在分析之前要去掉。前要去掉。（2）待分析组分与其余组分的导热系数相差很）待分析组分与其余组分的导热系数相差很大，以保证仪器有较高的灵敏度。大，以保证仪器有较高的灵敏度。上一页下一页返 回1. 热导池的工作原理热导池的工作原理2. 影响热导池特性的因素影响热导池特性的因

7、素3. 热导池的结构热导池的结构上一页下一页返 回上一页下一页返 回热导池结构示意图热导池结构示意图1-腔体；腔体；2-电阻丝；电阻丝；3-支承架；支承架；4-绝缘；绝缘；5-引线；引线；6-气体出口；气体出口； 7-气体入口气体入口 当电阻元件通过电流当电阻元件通过电流I时，电阻吸收的功率将全部转换成热量时，电阻吸收的功率将全部转换成热量 RIdQ2此热流量一方面使电阻元件本身温度升高，另一方面也向周围散失。此热流量一方面使电阻元件本身温度升高，另一方面也向周围散失。电阻元件向外散失的热量主要是靠热导池内气体的导热。电阻元件向外散失的热量主要是靠热导池内气体的导热。当通过电阻元件的电流，气体

8、成分以及热导池壁面温度一定时，当通过电阻元件的电流，气体成分以及热导池壁面温度一定时，电阻元件温度上升到某一数值后，便会出现电源供给的热量与气体电阻元件温度上升到某一数值后，便会出现电源供给的热量与气体的导热量相平衡的情况，以后电阻元件的温度以及热导池内的温场的导热量相平衡的情况，以后电阻元件的温度以及热导池内的温场分布都将保持不变。分布都将保持不变。热平衡时热导池内的温场为一系列同轴圆柱等温面。热平衡时热导池内的温场为一系列同轴圆柱等温面。对于半径为对于半径为r的等温面，单位时间气体的导热量为的等温面，单位时间气体的导热量为SdrdtdQ上一页下一页返 回热平衡时各等温面的导热量相当，热平衡

9、时各等温面的导热量相当，dQ值与值与r无关，则式变为无关，则式变为 rdrldQdt2CrldQttln2)1 (0对于热导池壁，当对于热导池壁，当r=rc时，时，t=tc，代入上式可得积分常数，代入上式可得积分常数C为为cccrldQttCln2)1 (0式中，式中， rc热导池内壁半径。热导池内壁半径。式中，式中，0混合气体在混合气体在0时的导热系数；时的导热系数； 混合气体导热系数的温度系数；混合气体导热系数的温度系数；上一页下一页返 回假定电阻丝假定电阻丝r=rw表面处的温度表面处的温度t=tw )(cwmttKdQ式中，式中， m混合气体的平均导热系数；混合气体的平均导热系数； K与

10、热导池尺寸有关的常数，称为热导池常数。与热导池尺寸有关的常数，称为热导池常数。)(10cwwcmttttwcrrlKln2电阻丝的阻值是温度的函数电阻丝的阻值是温度的函数 )1 (0wtRRmcKRItRR0201)1 (热导式气体分析仪热导池的特性方程热导式气体分析仪热导池的特性方程 当电阻丝通过的电流当电阻丝通过的电流I和热导池的壁面温度和热导池的壁面温度tc固定时，固定时，电阻丝的阻值只与分析气体的导热系数有关。电阻丝的阻值只与分析气体的导热系数有关。 测量电阻丝阻值，便可对多组分气体待测组分的含量分析。测量电阻丝阻值，便可对多组分气体待测组分的含量分析。上一页下一页返 回硅传感器热导池

11、原理图硅传感器热导池原理图上一页下一页返 回（1）电阻丝的参数电阻丝的参数（2）工作电流工作电流（3）腔壁温度的影响腔壁温度的影响（4）其它散热的影响其它散热的影响上一页下一页返 回l由式（由式（8.2.14）可见，电阻丝的初始电阻）可见，电阻丝的初始电阻R0，电，电阻丝材料的电阻温度系数的数值及其稳定性，阻丝材料的电阻温度系数的数值及其稳定性，对检测器的灵敏度和精度都有很大的影响。对检测器的灵敏度和精度都有很大的影响。l一般一般R0的数值取大一些有利于灵敏度的提高。的数值取大一些有利于灵敏度的提高。l增大增大R0的方法有两个：的方法有两个： 增大电阻丝的长径比，增大电阻丝的长径比， 选用电阻

12、率大的材料。选用电阻率大的材料。上一页下一页返 回l由式（由式（8.2.14）可见，工作电流）可见，工作电流I的大小的大小与电阻丝阻值与电阻丝阻值R的关系很大，电流的大小的关系很大，电流的大小及稳定性将严重影响仪器的性能。及稳定性将严重影响仪器的性能。l一般在热导式分析仪器中都有保持电流一般在热导式分析仪器中都有保持电流恒定的稳流装置，电流值应与电阻丝的恒定的稳流装置，电流值应与电阻丝的阻值阻值R0统一考虑，以保证热导池供给的统一考虑，以保证热导池供给的热量符合工作要求。热量符合工作要求。上一页下一页返 回l腔壁温度的变化会直接影响测量精度。腔壁温度的变化会直接影响测量精度。l解决的办法有两种

13、，解决的办法有两种， 采用差值法（或称比较测量法），它是在同一块金属中加工两个采用差值法（或称比较测量法），它是在同一块金属中加工两个参数完全一致的热导池，其中一个通入待分析气体，作为工作热参数完全一致的热导池，其中一个通入待分析气体，作为工作热导池；导池； 通过（或封入）组分固定的参比气体，作为参比热导池。由于两通过（或封入）组分固定的参比气体，作为参比热导池。由于两个热导池经受大体相同的环境温度影响，当线路上采用差值测量个热导池经受大体相同的环境温度影响，当线路上采用差值测量时，二者所受温度的影响可以相互抵消。这种方法比较简单，在时，二者所受温度的影响可以相互抵消。这种方法比较简单，在要求

14、不高的场合可以使用。另一种方法是采用恒温法，把工作热要求不高的场合可以使用。另一种方法是采用恒温法，把工作热导池和参比热导池都放在一个恒温装置中，使两者经受的环境温导池和参比热导池都放在一个恒温装置中，使两者经受的环境温度完全一致，并且恒定。很明显，这种方法精度比较高，但需要度完全一致，并且恒定。很明显，这种方法精度比较高，但需要一套恒温装置，结构复杂，造价较高。一套恒温装置，结构复杂，造价较高。上一页下一页返 回l热导池内存在其它散热损失包括：热导池内存在其它散热损失包括：（1）辐射散热。）辐射散热。（2）引线导热损失。）引线导热损失。（3）气体对流散热。）气体对流散热。（4）气体带走的热量。）气体带走的热量。上一页下一页返 回热导池的四种结构型式热导池的四种结构型式上一页下一页返 回上一页下一页返 回l被测气体浓度的变化，经过热导池检测器变成被测气体浓度的变化，经过热导池检测器变成了电阻丝阻值的变化，阻值的变化可采用电桥了电阻丝阻值的变化，阻值的变化可采用电桥来进行测量。来进行测量。l实际常用的测量电路有两种：实际常用的测量电路有两种：(1) 直流