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1、重庆精本科技发展有限公司,热导式气体分析仪,林达明 2013年5月, KINGBEN,热导式气体分析仪,一、概述 二、 测量原理 三、结构 四、应用 五、测量误差分析 六 、调校和维护, KINGBEN,一 、概述,1、气体的热导率 热导率，也称导热系数，是物质的一种重要物理性质，它表征物质传导热量的能力。不同的物质其热导率不同，而且随其组分、压强、密度、温度和湿度的变化而变化。,热导式气体分析仪是根据各种物质导热性能的不同，通过测量混合气体热导率的变化量来实现被测组分浓度的测量。众所周知，热量传递有三种基本方式：传导、对流和辐射。在热导式气体分析仪中，就是充分利用热传导的形式进行热量交换，而
2、尽可能抑制对流和辐射造成的热量损失。, KINGBEN,2、气体的相对热导率 气体的热导率很小，且在同一数量级，彼此相差不很悬殊，因此通常采用“相对热导率”这一概念。所谓相对热导率（也称相对导热系数），是指各种气体的热导率与相同条件下空气的热导率的比值。下表为常见气体在0的热导率和相对热导率。 3、气体的热导率与温度、压力之间的关系 气体的热导率随温度的变化而变化，其关系式为： t=0(1+t) 式中：t-t 时气体的热导率 0-0时气体的热导率 热导率的温度系数 气体的热导率也随压力的变化而变化，因气体在不同的压力下密度不同，必然导致热导率不同。不过在常压或压力变化不大时，热导率的变化并不明
3、显。, KINGBEN,一些气体在0时的热导率和相对热导率, KINGBEN,1、混合气体的热导率 混合气体的热导率由组分中所有气体的热导率共同决定的。对于彼此之间无相互作用的多组分混合气体，其热导率可近似地认为是各组分热导率按组成含量的加权平均值，即：,二 、测量原理,2、热导分析仪的测量理论 设待测混合气体中各组分的体积分数分别为C1、C2、C3、Cn，热导率分别为1、2、3、n、待测组分的含量和热导率为C1、 1，则必须满足以下两个条件才能用热导式分析仪进行测量：, KINGBEN,背景气中各组分的热导率必须近似相等或十分接近。 即： 2=3= =n 待测组分热导率1与背景气组分的热导率
4、有明显差异，而且差异越大越好。 即： 12 或 12 满足以上两个条件时，则：,式中： 1 混合气体热导率 i混合气体中第i组分的热导率 Ci混合气体中第i组分的体积分数,（1）, KINGBEN,由上式可知，测得混合气体的热导率，就可测得待测组分的含量C1。 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（1）的具体形式为：,仪器的灵敏度与两个组分热导率之差成正比，即两组分热导率相差越大，仪器的灵敏度就越高。 因H2的热导率是最高的，热导式气体分析仪一般用于测量气体中的H2含量。, KINGBEN,3、热导池的工作原理 由上分析知，热导式气体分析仪是通过测量混合气体热导率
5、的变化量来实现被测组分浓度测量的。由于气体的热导率很小，变化量更小，所以很难用直接方法准确测量出来。工业上多采用间接的方法，即通过热导检测器（又称热导池），把混合气体热导率的变化转化为热敏元件电阻值的变化，而电阻值的变化是比较容易精确测量出来的。 下图为热导池工作原理图，把一根电阻率较大的而且温度系数也较大的电阻丝，张紧悬吊在一个导热性能良好的圆筒形金属壳体的中心，在壳体的两端有气体的进出口，圆筒内充满待测气体，电阻丝上通以恒定的电流加热。 由于电阻丝通过的电流是恒定的，电阻上单位时间内所产生的热量也是定值。当待测样品气体以缓慢的速度通过池室时，电阻丝上的热量将会由,热导池结构示意图,1-腔体
6、； 2-电阻丝； 3-支承架； 4-绝缘； 5-引线； 6-气体出口； 7-气体入口, KINGBEN,气体以热传导的方式传给池壁。当热平衡时，电阻丝的温度就会稳定在某一个数值上，这个平衡温度决定了电阻丝的阻值。 如果混合气体中待测组分的浓度发生变化，混合气体的热导率也随之变化，气体的导热速率和电阻丝的平衡温度也将随之变化，最终导致电阻丝的阻值产生相应变化，从而实现了气体热导率与电阻丝阻值之间变化量的转换。其电阻丝阻值与混合气体热导率之间的关系式为：, KINGBEN,三 、结构,热导式气体分析仪由热导检测器和测量电路两大部分组成。,（一）热导检测器,1、热导池 热导池是热导式分析仪的核心部分
7、，实现从热导率到电信号的转换。其内电阻丝（常称为热丝），多使用抗腐蚀能力强、电阻温度系数较大、稳定性好的铂丝或铂铱丝。其结构和支撑方式有V形、直形、弓形三种，如下图。 热导池的结构形式有直通式、对流式、扩散式、对流扩散式等多种形式。,（a)直通式 （b)对流式 （c)扩散式 （d)对流扩散式,热丝的支撑方式,2、测量电桥 热导池的作用是把混合气体中待测组分浓度的变化转换成电阻丝阻值的变化，一般常用电桥进行测量。在测量电桥中，为了减少桥路电流波动或外界条件变化的影响，通常设置有测量桥臂和参比桥臂，测量臂是样品气流通的热导池，参比臂是封装参比气的热导池，两者结构完全相同中。 设置参比臂的作用是：测
8、量臂和参比臂处于同一环境温度下，当环境温度变化时，对各臂的池壁的影响是相同的，从而减小测量误差。 在电桥结构和桥臂配置方式上，常用的电桥电路有单臂串联、单臂并联、双臂串联 、双臂并联等结构形式，如下图。, KINGBEN,单臂串联,单臂并联,双臂串联,双臂并联, KINGBEN,四 、应用,热导式气体分析仪是测量热导率相差较大的两种混合气体中某一组分的有效方法。 因H2的热导率是最大的，一般用于测量H2，也常用于测量CO2、O2、SO2、Ar，如测H2中的O2、O2中的H2、N2中的H2、CO2中的H2等。 测量范围宽，待测组分含量在0100%测量范围内均可使用。, KINGBEN,五 、测量
9、误差分析,热导式气体分析仪是一种选择性较差的分析仪器，基本误差一般都在2%左右，其主要原因是背景气组分对分析结果的影响。 工业气相色谱仪的热导检测器和热导式气体分析仪的检测器完全相同，但测量精度远高于后者，其原因是被测样品经色谱柱分离后，进入热导池的仅是单一组分和载气的二元混合气，而在热导式分析仪中背景气往往是多元气体的混合物，它们对样气的导热性能会产生不同程度的影响。 热导式分析仪的测量误差由系统误差和附加误差两部分组成。系统误差由其测量原理、结构特点、仪表精度等决定，而附加误差主要由以下影响因素决定：, KINGBEN,1、标准气的组成和精度的影响 标准气中背景气的组成和含量应与被测气体接
10、近，以保证标准气中背景气的热导率与被测气背景气的热导率相一致。此外，要保证标准气的精度，其误差不得大于仪表基本误差的一半。 2、样气中干扰组分的影响 样气中存在干扰组分是产生附加误差的重要因素。由上混合气体热导率的计算公式知， 进行热导式分析需满足的两个条件中其中一个是干扰组分的热导率必须近似相等或接近，但这样的条件一般是不能满足的。因此对于背景气中存在多组分干扰气体时，将会产生很大的测量误差，且干扰组分的浓度越大，产生的误差越大。当干扰组分浓度较大时，需单独测量其浓度后进行修正补偿。当干扰组分的含量很少时，也可采用一定的装置或化学试剂将干扰组分滤除掉。, KINGBEN,3、样气中液滴和灰尘
11、的影响 样气中含的液滴在热导池内蒸发时将吸收大量的热，含有的灰土或油污，既沾污热丝表面，又沾污了池壁，改变了热导池的传热条件，对分析影响很大。因此样气进入仪表之前，必须进行充分过滤除尘除液。 4、样气流量、压力、温度变化的影响 样气压力和流量的变化对于直通型、对流型、对流扩散型热导池的分析仪表都有不同程度的影响。样气压力和流量变化时，气体从热导池内带走的热量要发生变化，不稳定。因此要求样气压力和流量必须稳定。 样气温度变化对热导池的影响是很明显的，因此，热导式分析仪中一般都配有温控系统。, KINGBEN,六 、调校和维护,（一）调校 1、分析仪必须预热至热稳定后再进行校准，一般要求预热30分钟以上。 2、标准气中背景气的热导率要与被测气体背景气的热导率相一致，否则要进行修正。 3、标准气校准时的流速要与被测气的流速一致。 4、手动校准零点和量程时，必须要待数据稳定后再进行校准。, KINGBEN,（二）常见故障及可能原因分析, KINGBEN,Thanks!,重庆精本科技发展有限公司, KINGBEN,
