热导分析仪的测量原理

热导式分析仪检测原理学习概念阐述测量原理适用范围及工业应用维护注意要点2023/2/3什么是热导分析仪热导式气体分析仪是一种物理式分析器。它结构简单，性能稳定，价格便宜，易于工程上的在线检测，是气体分析仪中最常用的一种。热导分析仪检测原理热导式气体分析仪用来分析混合气体中某一组分（待测组分）的含量。它是根据混合气体中待测组分含量的变化，引起混合气体总的导热系数变化这一物理特性来进行测量的。由于气体的导热系数很小，直接测量困难，因此工业上常常把导热系数的变化转化成热敏原件阻值得变化，从而可由测得的电阻值的变化，得知待测组分含量的多少。2023/2/3气体热导热系数（又称导热率）在热力学中用导热率（亦导热系数）来描述物质的热传导，传热快的物质导热率大。气体的导热率随温度的变化而变化，即：下图是各气体在0℃与100℃时的导热系数λ相对导热系数λ/λ0（相对于空气为0℃时的导热系数之比）和导热率温度系数β值。因此利用上式可以求得各种温度下的气体导热系数。（相关参数由下图表查阅可得）2023/2/32023/2/31cal=4.18J混合气体的导热系数实验结果表明，互不发生化学反应的气体混合物的导热系数可由下式计算：式中λ--混合气体的导热系数λi--对应于百分含量为Ci的组分的热导率

Ci--混合气体中第i组分的百分含量。2023/2/3当被测混合气体中某组分的导热系数与其他各组分的导热系数有显著差别，并且其他组份的平均导热系数在测量中保持恒定时，则上是可简化为：式中λ--混合气体的导热系数；λ1,C1--待测组分的导热系数及百分含量；λ2---其他组份的平均导热系数。因此，热导气体分析仪就是利用各种气体导热系数的差异和导热系数与含量的关系来进行测量分析的。由此可以推出被测组分的浓度与混合气体的热导率之间的关系为：2023/2/3待测混合气体必须满足哪些条件，才能用热导式气体分析仪进行分析？设各组分的体积分数分别是C1、C2、C3、...、Cn,热导率分别为λ1、λ2、λ3、...、λn，待测组分的含量和热导率为C1，λ1.则必须满足以下条件，才能用热导式分析仪进行测量。（1）背景气体各组分的热导率必须近视相等或十分接近。即λ1≈λ2≈λ3≈...≈λn（2）待测组分的热导率与背景气体各组分的热导率相差很大满足上面两个条件时：根据：可推导出被测组分浓度跟混合气体各组分热导率的关系。即：=λ1C1+λ2C2+...+λnCn≈λ1C1+λ2(1-C1)C1=(λ-λ1)/(λ1-λ2)2023/2/32023/2/3可以看出，当待测组分的导热系数与混合气体中其他组分的导热系数相差较大，其他各组分的导热系数相等或十分接近时，可以通过待测组分的导热系数与混合气体中其他组分的导热系数测量出被测组分的浓度的大小。如果不满足上述两个条件，可以采取预处理的方法除去不满足条件的气体，使剩下的背景气体满足要求。如分析烟道中的CO2的含量，已知烟道气体的组分为CO2、N2、CO、SO2、H2、O2以及水蒸汽等，由表中可知，SO2和H2的热导率相差太大，应在预处理时除去，其他气体的热导率相近，并与被测气体CO2的热导率差别较大。

热导池结构

热导池原理图2023/2/3测量方法热导池是用导热性好的金属制成的圆柱形腔体，腔体中垂直悬挂一根热敏电阻元件，一般为铂丝。电阻元件与腔体保持良好的绝缘。电阻元件通过两端的引线通以恒定电流I，使之维持一定的温度tn。tn高于室壁温度tc，被测气体由热导池下面入口进入，从上面出口流出，热导池的热敏电阻既是加热元件也是测量元件，电阻丝上产生的热量通过混合气体向室壁传递。假设是利用热导池测量混合气体中H2的浓度，当浓度增加时，混合气体的平均热导率增加，电阻丝产生的热量通过气体传导给室壁的热量也会增加，电阻丝的温度tn就会下降，从而使电阻丝的阻值下降。即可通过测量电阻丝的阻值的大小就可以间接得知混合气体中H2的浓度。2023/2/3

热导式气体分析仪通常采用四个热导池，他们的四根电阻丝组成一个典型的惠斯登电桥，如下图所示:

测量气室桥臂电阻为R1＝R3，室内通以测量气体，参考气室桥臂电阻为R2＝R4，室内通以被测气体的下限含量气体，当下限值为零时，参考气室中一般为空气。四个气室是连体结构，所处的环境条件如温度、压力、流量等完全一样。当流过测量气室的被测组分的浓度和参考气室中标准气样的浓度相等时，电桥输出为零。当流过测量气室的被测组分的浓度发生变化，电阻R1、R3发生变化电桥失去平衡，输出电压的大小就代表了被测组分的浓度。2023/2/3热导池构造2023/2/3为了进一步克服电源电压波动和环境温度变化等因素对测量带来的误差，还可以采用双电桥检测电路，如图所示。双电桥检测电路中除了测量电桥Ⅰ外还增加了一个参考电桥Ⅱ，测量电桥Ⅰ上面已经阐述过，是个不平衡电桥。参考电桥Ⅱ中的电阻丝R5和R7的热导池内密封上限气体，且R5=R7，因气体浓度大，导热换热能力强，平衡温度最低，电阻值最小。电阻丝R6和R8的热导池内密封下限气体，且R6=R8，因气体浓度最小，导热换热能力最弱，平衡温度最高，电阻值最大。两电桥的工作电压由电源变压器的副边绕组输出电压提供，彼此相等U1=U2。参考电桥的输出电压Ugh是一个固定的常数，加在滑线电阻RAB的两端。在测量电桥中，当被测组分的浓度发生变化时，电阻R1和R3的阻值发生变化，电桥的输出电压Ucd发生变化。Ugh和Ucd的极性相反，二者的差值送入放大器中放大，驱动可逆电极，从而使2023/2/3RAB上的滑点C左右滑动，直到平衡为止，RAB上面的标尺可以直接指示被测组分的浓度值。

当被测组分的浓度为下限值时，测量电桥的输出电压Ucd＝0，参考电桥的输出电压全部Ugh加在滑线电阻RAB上，滑线电阻的滑点C停在标尺的左端点A处，指针正对标尺的下限值。当被测组分的浓度为上限值时，测量电桥的输出电压Ucd与参考电桥的输出电压全部Ugh相等，即Ucd＝Ugh，滑线电阻的滑点C停在标尺的右端点B处，指针正对标尺的上限值。当被测组分的浓度为测量范围的某一值时，滑线电阻的滑点C会停在标尺的中间的某一位置上。双电桥检测电路还可以利用微处理器采集放大器的输出信号，并进行相应的数据处理，最后显示测量结果。

2023/2/32023/2/3热导池的结构

热导式气体分析仪中的测量气室和参比气室，一般称为测量热导池和参比热导池。热导池式热导式分析仪的关键部件，它的结构形式直接影响仪器的响应速度和检测精度。工业上常用热导池结构按被分析气体流过热导池的方式，分为直通式、对流式、扩散式和对流扩散式。如图所示为热导池的结构和气体流通示意图。

发送器的结构形式2023/2/3参比臂的作用如下：测量臂通过对流和辐射作用散失的热量与参比臂相差无几，两者相互抵消，则热丝阻值变化主要取决于热传导，即气体热导能力的变化。当环境温度变化引起热导池臂温度变化时，参比臂与测量臂同向变化，相互抵消，有利于削弱环境温度变化对测量结果的影响。改变参比气浓度，电桥检测的下限浓度也随之改变，便于改变仪器的测量范围。2023/2/3热导式气体分析仪热丝电流大小对测量的影响增大热丝电流可以提高热导式分析器的灵敏度。但是电流加大后，热丝温度亦升高，从而增加了辐射热损失，降低了精度。同时电流加大将减少热丝寿命、增大噪声、降低可靠性。所以热丝电流选多大，是需要综合考虑的。2023/2/3适用范围及工业应用1.热导式气体分析仪的应用范围很广，如H2/CL2/NH3/CO2/Ar、SO2及H2中的O2，O2中的H2和N2中的H2等等，它的测量范围也很宽，在0%~100%范围内均可测量。在工业上具体应用在下列几个方面：①锅炉燃烧过程中，分析烟道气中CO2的含量②测定和成氨厂中的循环气中的H2含量③分析硫酸及磷肥生产流程气体中SO2的含量④测定空气中H2和CO2的含量及特殊气体中H2的含量⑤测量CL2生产流程中CL2中的含氢量，确保生产安全⑥测定制氢、制氧过程中的纯氢中的氧及纯氧中的含量氢2.使用条件从理论上讲，热导分析仪只能正确测定二元混合气体的组分含量。在分析三元或三元以上的混合气体时，必须满足以下条件：三元混合气体中的某一组分含量基本保持恒定，或变动很小，被测组分的导热系数与其他各组分导热系数相差较大，而且其余组分的导热系数基本相同或很接近，当背景气体的平均导热系数保持恒定时，才能正确测量等2023/2/3色谱中应用---热导检测器（TCD）热导检测器thermalconductivitydetector,TCD又称热导池检测器，也称卡他计（Katharomater）。热导检测器是依据各种化合物都具有不同的热导率，利用热敏元件（钨丝或铂丝、铼钨丝等）组成的平衡电桥测量热导率发生变化的仪器装置。纯载气通过电桥中的一臂（参考臂），混有被分离组分的载气通过电桥中的另一臂（测量臂），由于两臂热导率的差别，其电阻值发生变化，电桥产生不平衡电位，以电压的信号输出得到该组分的色谱峰。热导检测器的灵敏度取决于载气和被测物质热导率的差值，差值越大，灵敏度越高，当被测物质的热导率大于载气时，则产生反峰。热导检测器的灵敏度最高可达10-6数量级，线性范围约为105。2023/2/3调整和维护注意事项热导式气体分析仪调校时应注意的问题：1）分析期必定期校准。2）分析期必须预热至稳定。3）桥压和桥流要达到规定值。4）标准气中的背景气热导率要与实际被发行气体的