熱導分析儀的測量原理

熱導式分析儀檢測原理學習概念闡述測量原理適用范圍及工業(yè)應用維護注意要點2023/2/3什么是熱導分析儀熱導式氣體分析儀是一種物理式分析器。它結構簡單，性能穩(wěn)定，價格便宜，易于工程上的在線檢測，是氣體分析儀中最常用的一種。熱導分析儀檢測原理熱導式氣體分析儀用來分析混合氣體中某一組分（待測組分）的含量。它是根據(jù)混合氣體中待測組分含量的變化，引起混合氣體總的導熱系數(shù)變化這一物理特性來進行測量的。由于氣體的導熱系數(shù)很小，直接測量困難，因此工業(yè)上常常把導熱系數(shù)的變化轉化成熱敏原件阻值得變化，從而可由測得的電阻值的變化，得知待測組分含量的多少。2023/2/3氣體熱導熱系數(shù)（又稱導熱率）在熱力學中用導熱率（亦導熱系數(shù)）來描述物質的熱傳導，傳熱快的物質導熱率大。氣體的導熱率隨溫度的變化而變化，即：下圖是各氣體在0℃與100℃時的導熱系數(shù)λ相對導熱系數(shù)λ/λ0（相對于空氣為0℃時的導熱系數(shù)之比）和導熱率溫度系數(shù)β值。因此利用上式可以求得各種溫度下的氣體導熱系數(shù)。（相關參數(shù)由下圖表查閱可得）2023/2/32023/2/31cal=4.18J混合氣體的導熱系數(shù)實驗結果表明，互不發(fā)生化學反應的氣體混合物的導熱系數(shù)可由下式計算：式中λ--混合氣體的導熱系數(shù)λi--對應于百分含量為Ci的組分的熱導率

Ci--混合氣體中第i組分的百分含量。2023/2/3當被測混合氣體中某組分的導熱系數(shù)與其他各組分的導熱系數(shù)有顯著差別，并且其他組份的平均導熱系數(shù)在測量中保持恒定時，則上是可簡化為：式中λ--混合氣體的導熱系數(shù)；λ1,C1--待測組分的導熱系數(shù)及百分含量；λ2---其他組份的平均導熱系數(shù)。因此，熱導氣體分析儀就是利用各種氣體導熱系數(shù)的差異和導熱系數(shù)與含量的關系來進行測量分析的。由此可以推出被測組分的濃度與混合氣體的熱導率之間的關系為：2023/2/3待測混合氣體必須滿足哪些條件，才能用熱導式氣體分析儀進行分析？設各組分的體積分數(shù)分別是C1、C2、C3、...、Cn,熱導率分別為λ1、λ2、λ3、...、λn，待測組分的含量和熱導率為C1，λ1.則必須滿足以下條件，才能用熱導式分析儀進行測量。（1）背景氣體各組分的熱導率必須近視相等或十分接近。即λ1≈λ2≈λ3≈...≈λn（2）待測組分的熱導率與背景氣體各組分的熱導率相差很大滿足上面兩個條件時：根據(jù)：可推導出被測組分濃度跟混合氣體各組分熱導率的關系。即：=λ1C1+λ2C2+...+λnCn≈λ1C1+λ2(1-C1)C1=(λ-λ1)/(λ1-λ2)2023/2/32023/2/3可以看出，當待測組分的導熱系數(shù)與混合氣體中其他組分的導熱系數(shù)相差較大，其他各組分的導熱系數(shù)相等或十分接近時，可以通過待測組分的導熱系數(shù)與混合氣體中其他組分的導熱系數(shù)測量出被測組分的濃度的大小。如果不滿足上述兩個條件，可以采取預處理的方法除去不滿足條件的氣體，使剩下的背景氣體滿足要求。如分析煙道中的CO2的含量，已知煙道氣體的組分為CO2、N2、CO、SO2、H2、O2以及水蒸汽等，由表中可知，SO2和H2的熱導率相差太大，應在預處理時除去，其他氣體的熱導率相近，并與被測氣體CO2的熱導率差別較大。

熱導池結構

熱導池原理圖2023/2/3測量方法熱導池是用導熱性好的金屬制成的圓柱形腔體，腔體中垂直懸掛一根熱敏電阻元件，一般為鉑絲。電阻元件與腔體保持良好的絕緣。電阻元件通過兩端的引線通以恒定電流I，使之維持一定的溫度tn。tn高于室壁溫度tc，被測氣體由熱導池下面入口進入，從上面出口流出，熱導池的熱敏電阻既是加熱元件也是測量元件，電阻絲上產生的熱量通過混合氣體向室壁傳遞。假設是利用熱導池測量混合氣體中H2的濃度，當濃度增加時，混合氣體的平均熱導率增加，電阻絲產生的熱量通過氣體傳導給室壁的熱量也會增加，電阻絲的溫度tn就會下降，從而使電阻絲的阻值下降。即可通過測量電阻絲的阻值的大小就可以間接得知混合氣體中H2的濃度。2023/2/3

熱導式氣體分析儀通常采用四個熱導池，他們的四根電阻絲組成一個典型的惠斯登電橋，如下圖所示:

測量氣室橋臂電阻為R1＝R3，室內通以測量氣體，參考氣室橋臂電阻為R2＝R4，室內通以被測氣體的下限含量氣體，當下限值為零時，參考氣室中一般為空氣。四個氣室是連體結構，所處的環(huán)境條件如溫度、壓力、流量等完全一樣。當流過測量氣室的被測組分的濃度和參考氣室中標準氣樣的濃度相等時，電橋輸出為零。當流過測量氣室的被測組分的濃度發(fā)生變化，電阻R1、R3發(fā)生變化電橋失去平衡，輸出電壓的大小就代表了被測組分的濃度。2023/2/3熱導池構造2023/2/3為了進一步克服電源電壓波動和環(huán)境溫度變化等因素對測量帶來的誤差，還可以采用雙電橋檢測電路，如圖所示。雙電橋檢測電路中除了測量電橋Ⅰ外還增加了一個參考電橋Ⅱ，測量電橋Ⅰ上面已經闡述過，是個不平衡電橋。參考電橋Ⅱ中的電阻絲R5和R7的熱導池內密封上限氣體，且R5=R7，因氣體濃度大，導熱換熱能力強，平衡溫度最低，電阻值最小。電阻絲R6和R8的熱導池內密封下限氣體，且R6=R8，因氣體濃度最小，導熱換熱能力最弱，平衡溫度最高，電阻值最大。兩電橋的工作電壓由電源變壓器的副邊繞組輸出電壓提供，彼此相等U1=U2。參考電橋的輸出電壓Ugh是一個固定的常數(shù)，加在滑線電阻RAB的兩端。在測量電橋中，當被測組分的濃度發(fā)生變化時，電阻R1和R3的阻值發(fā)生變化，電橋的輸出電壓Ucd發(fā)生變化。Ugh和Ucd的極性相反，二者的差值送入放大器中放大，驅動可逆電極，從而使2023/2/3RAB上的滑點C左右滑動，直到平衡為止，RAB上面的標尺可以直接指示被測組分的濃度值。

當被測組分的濃度為下限值時，測量電橋的輸出電壓Ucd＝0，參考電橋的輸出電壓全部Ugh加在滑線電阻RAB上，滑線電阻的滑點C停在標尺的左端點A處，指針正對標尺的下限值。當被測組分的濃度為上限值時，測量電橋的輸出電壓Ucd與參考電橋的輸出電壓全部Ugh相等，即Ucd＝Ugh，滑線電阻的滑點C停在標尺的右端點B處，指針正對標尺的上限值。當被測組分的濃度為測量范圍的某一值時，滑線電阻的滑點C會停在標尺的中間的某一位置上。雙電橋檢測電路還可以利用微處理器采集放大器的輸出信號，并進行相應的數(shù)據(jù)處理，最后顯示測量結果。

2023/2/32023/2/3熱導池的結構

熱導式氣體分析儀中的測量氣室和參比氣室，一般稱為測量熱導池和參比熱導池。熱導池式熱導式分析儀的關鍵部件，它的結構形式直接影響儀器的響應速度和檢測精度。工業(yè)上常用熱導池結構按被分析氣體流過熱導池的方式，分為直通式、對流式、擴散式和對流擴散式。如圖所示為熱導池的結構和氣體流通示意圖。

發(fā)送器的結構形式2023/2/3參比臂的作用如下：測量臂通過對流和輻射作用散失的熱量與參比臂相差無幾，兩者相互抵消，則熱絲阻值變化主要取決于熱傳導，即氣體熱導能力的變化。當環(huán)境溫度變化引起熱導池臂溫度變化時，參比臂與測量臂同向變化，相互抵消，有利于削弱環(huán)境溫度變化對測量結果的影響。改變參比氣濃度，電橋檢測的下限濃度也隨之改變，便于改變儀器的測量范圍。2023/2/3熱導式氣體分析儀熱絲電流大小對測量的影響增大熱絲電流可以提高熱導式分析器的靈敏度。但是電流加大后，熱絲溫度亦升高，從而增加了輻射熱損失，降低了精度。同時電流加大將減少熱絲壽命、增大噪聲、降低可靠性。所以熱絲電流選多大，是需要綜合考慮的。2023/2/3適用范圍及工業(yè)應用1.熱導式氣體分析儀的應用范圍很廣，如H2/CL2/NH3/CO2/Ar、SO2及H2中的O2，O2中的H2和N2中的H2等等，它的測量范圍也很寬，在0%~100%范圍內均可測量。在工業(yè)上具體應用在下列幾個方面：①鍋爐燃燒過程中，分析煙道氣中CO2的含量②測定和成氨廠中的循環(huán)氣中的H2含量③分析硫酸及磷肥生產流程氣體中SO2的含量④測定空氣中H2和CO2的含量及特殊氣體中H2的含量⑤測量CL2生產流程中CL2中的含氫量，確保生產安全⑥測定制氫、制氧過程中的純氫中的氧及純氧中的含量氫2.使用條件從理論上講，熱導分析儀只能正確測定二元混合氣體的組分含量。在分析三元或三元以上的混合氣體時，必須滿足以下條件：三元混合氣體中的某一組分含量基本保持恒定，或變動很小，被測組分的導熱系數(shù)與其他各組分導熱系數(shù)相差較大，而且其余組分的導熱系數(shù)基本相同或很接近，當背景氣體的平均導熱系數(shù)保持恒定時，才能正確測量等2023/2/3色譜中應用---熱導檢測器（TCD）熱導檢測器thermalconductivitydetector,TCD又稱熱導池檢測器，也稱卡他計（Katharomater）。熱導檢測器是依據(jù)各種化合物都具有不同的熱導率，利用熱敏元件（鎢絲或鉑絲、錸鎢絲等）組成的平衡電橋測量熱導率發(fā)生變化的儀器裝置。純載氣通過電橋中的一臂（參考臂），混有被分離組分的載氣通過電橋中的另一臂（測量臂），由于兩臂熱導率的差別，其電阻值發(fā)生變化，電橋產生不平衡電位，以電壓的信號輸出得到該組分的色譜峰。熱導檢測器的靈敏度取決于載氣和被測物質熱導率的差值，差值越大，靈敏度越高，當被測物質的熱導率大于載氣時，則產生反峰。熱導檢測器的靈敏度最高可達10-6數(shù)量級，線性范圍約為105。2023/2/3調整和維護注意事項熱導式氣體分析儀調校時應注意的問題：1）分析期必定期校準。2）分析期必須預熱至穩(wěn)定。3）橋壓和橋流要達到規(guī)定值。4）標準氣中的背景氣熱導率要與實際被發(fā)行氣體的