傳感器與檢測技術(shù)（第5版）課件 9.2 熱導(dǎo)式氣體分析儀器

9.2熱導(dǎo)式氣體分析儀器9.2.1基本原理9.2.2熱導(dǎo)池（檢測器）9.2.3測量電路9.2.4熱導(dǎo)式氣體分析儀的應(yīng)用

9.2.1基本原理對于多組分氣體，由于組分含量不同，混合氣體導(dǎo)熱能力將會發(fā)生變化。根據(jù)混合氣體導(dǎo)熱能力的差異，就可以實現(xiàn)氣體組分的含量分析。根據(jù)傳熱學(xué)理論，在溫場中的介質(zhì)傳導(dǎo)的熱流量通過介質(zhì)微元等溫面?zhèn)鲗?dǎo)的熱流量，不僅與等溫面處溫度梯度有關(guān)，而且與介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)成正比。導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)志著物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。導(dǎo)熱系數(shù)對于不同的介質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)的大小是不同的。固體和液體的導(dǎo)熱系數(shù)較大，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)較小。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)通常與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度升高時，分子運動加劇，導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大。導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系可近似寫成β——介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的溫度系數(shù)。常見氣體相對導(dǎo)熱系數(shù)及溫度系數(shù)氣體名稱相對導(dǎo)熱系數(shù)（00C時）溫度系數(shù)/0C-1（0~1000C）空氣1.0000.00253氫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-氬0.6850.00311氧化亞氮0.646-二氧化碳0.6140.00495硫化氫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0.3700.00980二氯甲烷0.2730.00530水蒸氣0.973（1000C時）0.00455（1000C時）混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)由所含組分氣體的導(dǎo)熱系數(shù)共同決定的。對于彼此之間無相互作用的多組分氣體，其導(dǎo)熱系數(shù)可近似地認(rèn)為是各組分導(dǎo)熱系數(shù)按組成含量的加權(quán)平均值，即根據(jù)混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)與各組分導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，就可以實現(xiàn)多組分氣體的含量分析。

嚴(yán)格地講，熱導(dǎo)式氣體成分分析儀只能解決雙組分氣體的含量分析，此時式（8.2.3）的具體形式為：由于C1+C2=100%只要測出混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，就可以根據(jù)兩組分的導(dǎo)熱系數(shù)求得待測組分的含量。對上式微分，可得儀器的靈敏度與兩個組分導(dǎo)熱系數(shù)之差成正比，即兩組分導(dǎo)熱系數(shù)相差越大，儀器的靈敏度就越高。對于煙氣和大多數(shù)多組分混合氣體，各組分之間滿足：（1）除待分析的組分外，其余組分的導(dǎo)熱系數(shù)相等或接近，即接近的程度越高，儀器的測量精度越高。若個別氣體的值與其它背景氣體的值相差較遠(yuǎn)時，則被視為干擾成分，在分析之前要去掉。（2）待分析組分與其余組分的導(dǎo)熱系數(shù)相差很大，以保證儀器有較高的靈敏度。9.2熱導(dǎo)式氣體分析儀器9.2.1基本原理9.2.2熱導(dǎo)池（檢測器）9.2.3測量電路9.2.4熱導(dǎo)式氣體分析儀的應(yīng)用9.2.2熱導(dǎo)池（檢測器）1.熱導(dǎo)池的工作原理2.影響熱導(dǎo)池特性的因素3.熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)1.熱導(dǎo)池的工作原理熱導(dǎo)池結(jié)構(gòu)示意圖1-腔體；2-電阻絲；3-支承架；4-絕緣；5-引線；6-氣體出口；

7-氣體入口當(dāng)電阻元件通過電流I時，電阻吸收的功率將全部轉(zhuǎn)換成熱量此熱流量一方面使電阻元件本身溫度升高，另一方面也向周圍散失。電阻元件向外散失的熱量主要是靠熱導(dǎo)池內(nèi)氣體的導(dǎo)熱。當(dāng)通過電阻元件的電流，氣體成分以及熱導(dǎo)池壁面溫度一定時，電阻元件溫度上升到某一數(shù)值后，便會出現(xiàn)電源供給的熱量與氣體的導(dǎo)熱量相平衡的情況，以后電阻元件的溫度以及熱導(dǎo)池內(nèi)的溫場分布都將保持不變。熱平衡時熱導(dǎo)池內(nèi)的溫場為一系列同軸圓柱等溫面。對于半徑為r的等溫面，單位時間氣體的導(dǎo)熱量為熱平衡時各等溫面的導(dǎo)熱量相當(dāng)，dQ值與r無關(guān)，則式變?yōu)閷τ跓釋?dǎo)池壁，當(dāng)r=rc時，t=tc，代入上式可得積分常數(shù)C為式中，rc——熱導(dǎo)池內(nèi)壁半徑。式中，λ0——混合氣體在0℃時的導(dǎo)熱系數(shù)；

β——混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)的溫度系數(shù)；假定電阻絲r=rw表面處的溫度t=tw

式中，λm——混合氣體的平均導(dǎo)熱系數(shù)；

K——與熱導(dǎo)池尺寸有關(guān)的常數(shù)，稱為熱導(dǎo)池常數(shù)。電阻絲的阻值是溫度的函數(shù)熱導(dǎo)式氣體分析儀熱導(dǎo)池的特性方程當(dāng)電阻絲通過的電流I和熱導(dǎo)池的壁面溫度tc固定時，電阻絲的阻值只與分析氣體的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。測量電阻絲阻值，便可對多組分氣體待測組分的含量分析。新型熱導(dǎo)式分析儀硅傳感器熱導(dǎo)池原理圖2.影響熱導(dǎo)池特性的因素（1）電阻絲的參數(shù)（2）工作電流（3）腔壁溫度的影響（4）其它散熱的影響（1）電阻絲的參數(shù)由式（9.2.14）可見，電阻絲的初始電阻R0，電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)的數(shù)值及其穩(wěn)定性，對檢測器的靈敏度和精度都有很大的影響。一般R0的數(shù)值取大一些有利于靈敏度的提高。增大R0的方法有兩個：增大電阻絲的長徑比，選用電阻率大的材料。（2）工作電流由式（9.2.14）可見，工作電流I的大小與電阻絲阻值R的關(guān)系很大，電流的大小及穩(wěn)定性將嚴(yán)重影響儀器的性能。一般在熱導(dǎo)式分析儀器中都有保持電流恒定的穩(wěn)流裝置，電流值應(yīng)與電阻絲的阻值R0統(tǒng)一考慮，以保證熱導(dǎo)池供給的熱量符合工作要求。（3）腔壁溫度的影響腔壁溫度的變化會直接影響測量精度。解決的辦法有兩種，采用差值法（或稱比較測量法），它是在同一塊金屬中加工兩個參數(shù)完全一致的熱導(dǎo)池，其中一個通入待分析氣體，作為工作熱導(dǎo)池；通過（或封入）組分固定的參比氣體，作為參比熱導(dǎo)池。由于兩個熱導(dǎo)池經(jīng)受大體相同的環(huán)境溫度影響，當(dāng)線路上采用差值測量時，二者所受溫度的影響可以相互抵消。這種方法比較簡單，在要求不高的場合可以使用。另一種方法是采用恒溫法，把工作熱導(dǎo)池和參比熱導(dǎo)池都放在一個恒溫裝置中，使兩者經(jīng)受的環(huán)境溫度完全一致，并且恒定。很明顯，這種方法精度比較高，但需要一套恒溫裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價較高。（4）其它散熱的影響熱導(dǎo)池內(nèi)存在其它散熱損失包括： （1）輻射散熱。 （2）引線導(dǎo)熱損失。 （3）氣體對流散熱。 （4）氣體帶走的熱量。3.熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)池的四種結(jié)構(gòu)型式（2）電阻絲的結(jié)構(gòu)及支撐方法9.2熱導(dǎo)式氣體分析儀器9.2.1基本原理9.2.2熱導(dǎo)池（檢測器）9.2.3測量電路9.2.4熱導(dǎo)式氣體分析儀的應(yīng)用9.2.3測量電路被測氣體濃度的變化，經(jīng)過熱導(dǎo)池檢測器變成了電阻絲阻值的變化，阻值的變化可采用電橋來進(jìn)行測量。實際常用的測量電路有兩種：

(1)直流單橋測量線路

(2)交流雙橋測量線路(1)直流單橋測量線路穩(wěn)壓器供電的直流單橋測量線路(2)交流雙橋測量線路9.2熱導(dǎo)式氣體分析儀器9.2.1基本原理9.2.2熱導(dǎo)池（檢測器）9.2.3測量電路9.2.4熱導(dǎo)式氣體分析儀的應(yīng)用