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1、安全检测技术课程论文- 1 - 简述热导检测器技术陈洋洋(安徽建筑工业学院 土木工程学院 安全工程(1)班 09201040116)摘 要 ：热导检测 器是一种安全 检测方法，它是气 相 色 谱 法 最 常 用 的 一 种 检 测 器 ，它 具 有 结 构简 单 ，性 能 稳 定 ，灵 敏 度 适 宜 ，线 性 范 围 宽 ，对 各 种 能 作 色 谱 的 物 质 都 有 响 应 。本 文 将 介 绍一 下 它 的 工 作 原 理 、使 用 条 件 、结 构 组 成 、使 用 范 围 和 一 些 注 意 事 项 。关 键 词 ： 热 导 ； 检 测 ； 注 意 事 项随 着 科 学 检 测 技
2、 术 的 发 展 ,出 现 了 很 多 更 灵敏 、 更 高 效 的 检 测 器 产 品 。 热 导 检 测 器 作 为 一 种常 见 的 检 测 器 ， 尽 管 在 许 多 方 面 它 已 被 更 灵 敏更 专 属 性 的 各 种 检 测 器 所 取 代 ， 但 是 由 于 它 具 有结 构 简 单 ， 性 能 稳 定 ， 灵 敏 度 适 宜 ， 线 性 范 围 宽 ，对 各 种 能 作 色 谱 的 物 质 都 有 响 应 ， 最 适 合 作 微 量分 析 （ ppm 级 ） 。 在 分 析 测 试 在 中 ， 热 导 检 测 器不 仅 用 于 分 析 有 机 污 染 物 ， 而 且 用 于
3、 分 析 一 些 用其 他 检 测 器 无 法 检 测 的 无 机 气 体 ， 如 氢 、 氧 、 氮 、一 氧 化 碳 、 二 氧 化 碳 等 。1.工作原理热 导 检 测 器 又 称 热 导 池 或 热 丝 检 热 器 ， 是 气相 色 谱 法 最 常 用 的 一 种 检 测 器 。 基 于 不 同 组 分 与载 气 有 不 同 的 热 导 率 的 原 理 而 工 作 的 热 传 导 检 测器 。 敏 感 元 件 为 热 丝 ， 如 钨 丝 、 铂 丝 、 铼 丝 ， 并由 热 丝 组 成 电 桥 。 在 通 过 恒 定 电 流 以 后 ， 钨 丝 温度 升 高 ， 其 热 量 经 四 周
4、 的 载 气 分 子 传 递 至 池 壁 。当 被 测 组 分 与 载 气 一 起 进 入 热 导 池 时 ， 由 于 混 合气 的 热 导 率 与 纯 载 气 不 同 （ 通 常 是 低 于 载 气 的 热导 率 ） ， 钨 丝 传 向 池 壁 的 热 量 也 发 生 变 化 ， 致 使钨 丝 温 度 发 生 改 变 ， 其 电 阻 也 随 之 改 变 ， 进 而 使电 桥 输 出 端 产 生 不 平 衡 电 位 而 作 为 信 号 输 出 。 热导 检 测 器 是 气 象 色 谱 法 中 最 早 出 现 和 应 用 最 广 的检 测 器 。热 导 检 测 器 的 工 作 原 理 是 基 于
5、 不 同 气 体 具 有不 同 的 热 导 率 。 热 丝 具 有 电 阻 随 温 度 变 化 的 特 性 。当 有 一 恒 定 直 流 电 通 过 热 导 池 时 ， 热 丝 被 加 热 。由 于 载 气 的 热 传 导 作 用 使 热 丝 的 一 部 分 热 量 被 载气 带 走 ， 一 部 分 传 给 池 体 。 当 热 丝 产 生 的 热 量 与散 失 热 量 达 到 平 衡 时 ， 热 丝 温 度 就 稳 定 在 一 定 数值 。 此 时 ， 热 丝 阻 值 也 稳 定 在 一 定 数 值 。 由 于 参比 池 和 测 量 池 通 入 的 都 是 纯 载 气 ， 同 一 种 载 气
6、有相 同 的 热 导 率 ， 因 此 两 臂 的 电 阻 值 相 同 ， 电 桥 平衡 ， 无 信 号 输 出 ， 记 录 系 统 记 录 的 是 一 条 直 线 。当 有 试 样 进 入 检 测 器 时 ， 纯 载 气 流 经 参 比 池 ， 载气 携 带 着 组 分 气 流 经 测 量 池 ， 由 于 载 气 和 待 测 量组 分 二 元 混 合 气 体 的 热 导 率 和 纯 载 气 的 热 导 率 不同 ， 测 量 池 中 散 热 情 况 因 而 发 生 变 化 ， 使 参 比 池和 测 量 池 孔 中 热 丝 电 阻 值 之 间 产 生 了 差 异 ， 电 桥失 去 平 衡 。 检
7、测 器 有 电 压 信 号 输 出 ， 记 录 仪 画出 相 应 组 分 的 色 谱 峰 。 载 气 中 待 测 组 分 的 浓 度 越大 ， 测 量 池 中 气 体 热 导 率 改 变 就 越 显 著 ， 温 度 和电 阻 值 改 变 也 越 显 著 ， 电 压 信 号 就 越 强 。 此 时 输出 的 电 压 信 号 与 样 品 的 浓 度 成 正 比 ， 这 正 是 热 导检 测 器 的 定 量 基 础 。 2.热导检测器的使用条件2.1 载气种类常用的载气有 He 和 H2，因为其热导系数远大于其他化合物，且其具有较高的灵敏度和稳定的响应因子，便于定量，较宽的线性范围。其中，氦气较氢气
8、安全，但氦气较贵，所以许多地区多用氢气作为载气。2.2 纯度载气的纯度会影响 TCD 的灵敏度。在桥流160-200mA 的范围 内， 99.999%的超纯氢气比用 99%的普通氢气的灵敏度高 6%-13%1 。另外，峰形还受载气纯度的影响，当 用 TCD 作高纯气中杂志检测时，载气的纯度应比被测气体高十倍以上 ，否则将出现 倒峰。安全检测技术课程论文- 2 - 2.3 流速作为浓度型检测器，TCD 对载气的流速也有要求，即 TCD 的峰面积响应值反比于载气气流。故在检测中，应保持载气流速的恒定。2.4 温度TCD 的灵敏度与热死和池体间的温差成正比。通过提高桥流，以便提高热丝温度或者通过降低
9、检测器池体温度。但是，这两种方法都取决于分析样品的沸点。检测器池体温度不能低于样品的沸点，以免在检测器内冷凝。所以，对于沸点不很低的样品，采用此法来提高灵敏度是有限的，而对气体样品，特别是永久性气体，则可以达到较好的效果。3.热导检测器的构成热导池是由池体和热丝两部分组成。3.1 热丝 一个性能优异的 TCD，对热丝的要求主要考虑四点：电阻率高，以便可在相同长度内得到高阻值；电阻温度系数大，以便通桥流加热后得到高阻值；强度好；耐氧化或腐蚀。、是为了获得高灵敏度，同时丝体积小，可缩小池体积，制作微 TCD。 、是为了获得高稳定性。表 3 -2-3 列出了商品 TCD 中常用的热丝性能 2 。钨丝
10、电阻率低，相同长度之阻值只有铁铼丝的一半，灵敏度难以提高。另外，钨丝强度差，高温下易氧化，致使噪声增加、信!噪比下降。铼- 钨丝与钨丝相比，电阻率高，电阻温度系数略低。因 S 值大体上正比于 。3、5铼-钨丝和钨丝的 值分别为12.2103、11.7103、10.29 103。可见铼钨丝之 值均高于钨丝。故前者有利于提高灵敏度。另外，铼钨丝与钨丝相比，拉断力显著提高，且高温特性好，故性能稳定。但它仍存在高温下易氧化的问题。现在高性能 TCD 均用铼钨丝。如HP6890 型，岛津 GC-17A 型的 -TCD热丝。3.2 池体池体是一个内部加工成池腔和孔道的金属体。池材料早期多用铜，因它的热传导
11、性能好，但它防腐性能差。故近年已为不锈钢形式示意图所取代。通常将内部池腔和孔道的总体积称池体积。早期 TCD 的池体积多为 500-800L，后减小至100-500L，仍称通常 TCD。它适用于填充柱。近年发展了微 TCD，其池体积均在 100L以下，有的达 3.5L，它适用于毛细管柱 3 。4.测试系统由于热导检测器气 相 色 谱 法 最 常 用 的 一 种 检测 器 ， 结 合 气 相 色 谱 仪 来 介 绍 一 下 它 的 系 统 组 成 。气相色谱仪主要由六个单元组成:气源系统、进样系统、色谱柱系统、检测系统、数据采集及处理系统，现具体介绍各单元功能如下:气源系统： 气源分载气和辅助气
12、两种，载气是携带分析试样通过色谱柱，提供试样在柱内运行的动力，辅助气是提供检测器燃烧或吹扫用，有的仪器采用 EPC 系统对气流进行数字化控制。进样系统:：气相色谱仪的进样系统是把试样引入色谱柱、并保证试样气化的装置，有些仪器还包括试样预处理装置，例如热脱附装置(TD)、裂解装置等。色谱柱系统： 试样在色谱柱内运行的同时得到所需要的分离，故色谱柱是气相色谱仪的核心部分。检测系统：检测系统包含两套检测器(TCD 和FID)以及相应的检测电路。检测器负责对色谱柱后已被分离的组分进行检测，将色谱数据信号转变为电信号，如电压、电流，然后经微电流放大器送至数据处理系统进行处理。数据采集及处理系统： 负责采
13、集并处理检测系统输入的信号，给出最后试样定性和定量的结果。温控系统： 负责控制和显示进样系统、柱箱、检测器及辅助部分的温度。所有的气相色谱仪都须包括以上六个单元，其功能都相同，差异只是水平和配置但随着电子技术的发展，特别是微计算机技术在工业中的应用，气相色谱仪逐步采用程序控制，对进样、柱恒温箱、检测器工作条件及数据处理系统等进行自动控制，提高了系统的稳定性和分析结果的准确性。 安全检测技术课程论文- 3 - 5.应用范围热 导 池 （ TCD） 检 测 器 是 一 种 通 用 的 非 破 坏性 浓 度 型 检 测 器 ， 一 直 是 实 际 工 作 中 应 用 最 多 的气 相 色 谱 检 测
14、 器 之 一 。 TCD 特 别 使 用 于 气 体 混合 物 的 分 析 ， 对 于 那 些 氢 火 焰 离 子 化 检 测 器 不 能直 接 检 测 的 无 机 气 体 的 分 析 ， TCD 更 是 显 示 出独 到 之 处 。 TCD 在 检 测 过 程 中 不 破 坏 被 监 测 组 份 ，有 利 于 样 品 的 收 集 ， 或 与 其 他 仪 器 联 用 。 TCD能 满 足 工 业 分 析 中 峰 高 定 量 的 要 求 ， 很 适 于 工 厂的 控 制 分 析 。 与其它检测器相比，TCD 的灵敏度低，这是影响它应用于环境分析与检测的主要因素。据文献报道，以氦作载气，进气量为2
15、mL 时，检出限可达ppm 级10 -6g/g)。因此，使用这种检测器的便携式气相色谱仪，不适于室内外一般环境污染物分析与检测。大多用于污染源和突发性环境污染事故的分析与检测。例如，气相色谱法广泛用于纯物质中的杂质、环境污染物、食品中有害成分、药物有效成分、代谢物、刑事法医鉴定、石油化工生产中痕量物质等的分析 4 。热导检测器适用于环境保护、大气、水源等污染的痕量检测；毒物的分析、监测、研究；生物化学；临床应用；病理和病毒研究；食品发酵；石油化工；石油加工；油品分析；地质、探矿研究；有机化学；合成研究；卫生检疫；公害检测分析和研究。6.注意事项热导池中的关键热导元件是用钨铼丝做的，钨铼丝直径一
16、般只有 15-30，材料又比较容易氧化，氧化或受污染后，阻值发生变化或断损，造成热导池测量电桥的对称性被破坏，致使仪器无法正常工作，引起热导元件损坏的因素较多，注意事项归纳如下：1 、热导池接并联双气路应用时，必须同时并联装上二根色谱柱，二路都要同时通载气，如果只装一根柱，而另一路不装柱不通载气，那么，一通电源就会将钨丝元件烧坏。2 、在应用科创微型热导池做毛细管色谱分析时，可一路装毛细柱加尾吹，另一路必须也装上一根填充柱或空柱，同时通入载气。大多数人习惯 FID 毛细柱系统，往往会忽略这一点犯错误。3 、仪器停机后，外界空气往往会返进热导池和柱系统，因此必须在开机时要先通载气 10 分钟以上再通电，停机时间越长，那么重新开机时先通载气的时间也要长，否则系统中残留的空气中氧气会将钨铼丝元件氧化或烧断。4 、热导检测器使用的载气纯度必须四个 9以上（ 99.99% ） ，最忌载气中含氧量高， 载气不纯将会影响热导元件的使用寿命，也会降低检测灵
