熱導(dǎo)式氣體分析儀器.

1、8.2.1 基本原理基本原理8.2.2 熱導(dǎo)池（檢測(cè)器）熱導(dǎo)池（檢測(cè)器）8.2.3 測(cè)量電路測(cè)量電路8.2.4 熱導(dǎo)式氣體分析儀的應(yīng)用熱導(dǎo)式氣體分析儀的應(yīng)用上一頁(yè)下一頁(yè)返 回l對(duì)于多組分氣體，由于組分含量不同，混合氣對(duì)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(huì)發(fā)生變化。根據(jù)混合氣體導(dǎo)熱體導(dǎo)熱能力將會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)混合氣體導(dǎo)熱能力的差異，就可以實(shí)現(xiàn)氣體組分的含量分析。能力的差異，就可以實(shí)現(xiàn)氣體組分的含量分析。 l根據(jù)傳熱學(xué)理論，在溫場(chǎng)中的介質(zhì)傳導(dǎo)的熱流量根據(jù)傳熱學(xué)理論，在溫場(chǎng)中的介質(zhì)傳導(dǎo)的熱流量 dSdndtdQ通過(guò)介質(zhì)微元等溫面?zhèn)鲗?dǎo)的熱流量，不僅與等溫面處溫度通過(guò)介質(zhì)微元等溫面?zhèn)鲗?dǎo)的

2、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。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)標(biāo)志著物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回l對(duì)于不同的介質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)的大小是不同的。對(duì)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。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。l氣體的導(dǎo)熱系數(shù)通常與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度升高氣體的導(dǎo)熱系數(shù)通常與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大。導(dǎo)熱時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大。導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系可近似寫成系數(shù)與溫度的關(guān)系可近似寫成)1 (0t介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的溫

3、度系數(shù)。介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的溫度系數(shù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回氣體名稱相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)（00C時(shí)）溫度系數(shù)/0C-1（01000C）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

4、烷0.2730.00530水蒸氣0.973（1000C時(shí)）0.00455（1000C時(shí)）上一頁(yè)下一頁(yè)返 回l由所含組分氣體的導(dǎo)熱系數(shù)共同決定的。對(duì)于彼此之由所含組分氣體的導(dǎo)熱系數(shù)共同決定的。對(duì)于彼此之間無(wú)相互作用的多組分氣體，其導(dǎo)熱系數(shù)可近似地認(rèn)間無(wú)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，即為是各組分導(dǎo)熱系數(shù)按組成含量的加權(quán)平均值，即niiimC1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，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(shí)現(xiàn)多組分氣體的含量分析。就可以實(shí)現(xiàn)多組分氣體的含量分析。 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回嚴(yán)格地講，熱導(dǎo)式氣體成分分

5、析儀只能解決雙組分氣嚴(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(shí)式（體的含量分析，此時(shí)式（8.2.3）的具體形式為：）的具體形式為：2211CCm由于由于C1+C2=100% )1 (1211CCm2121mC只要測(cè)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)只要測(cè)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(cè)組分的含量。求得待測(cè)組分的含量。對(duì)上式微分，可得對(duì)上式微分，可得 211dCdm儀器的靈敏度與兩個(gè)組分導(dǎo)熱系數(shù)之差成正比，儀器的靈敏度與兩個(gè)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。即兩組分導(dǎo)熱系數(shù)相差越大，儀器的靈敏度就越高

6、。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回（1）除待分析的組分外，其余組分的導(dǎo)熱系數(shù)）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(cè)量相等或接近，即接近的程度越高，儀器的測(cè)量精度越高。若個(gè)別氣體的值與其它背景氣體的精度越高。若個(gè)別氣體的值與其它背景氣體的值相差較遠(yuǎn)時(shí)，則被視為干擾成分，在分析之值相差較遠(yuǎn)時(shí)，則被視為干擾成分，在分析之前要去掉。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）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。大，以保證儀器有較高的靈敏度。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回1. 熱導(dǎo)池的工作原理熱導(dǎo)池的工作原理2. 影響熱導(dǎo)池特性的因素影響熱導(dǎo)池特性的因

7、素3. 熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回上一頁(yè)下一頁(yè)返 回?zé)釋?dǎo)池結(jié)構(gòu)示意圖熱導(dǎo)池結(jié)構(gòu)示意圖1-腔體；腔體；2-電阻絲；電阻絲；3-支承架；支承架；4-絕緣；絕緣；5-引線；引線；6-氣體出口；氣體出口； 7-氣體入口氣體入口 當(dāng)電阻元件通過(guò)電流當(dāng)電阻元件通過(guò)電流I時(shí)，電阻吸收的功率將全部轉(zhuǎn)換成熱量時(shí)，電阻吸收的功率將全部轉(zhuǎn)換成熱量 RIdQ2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。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。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(guò)電阻元件的電流，氣體

8、成分以及熱導(dǎo)池壁面溫度一定時(shí)，當(dāng)通過(guò)電阻元件的電流，氣體成分以及熱導(dǎo)池壁面溫度一定時(shí)，電阻元件溫度上升到某一數(shù)值后，便會(huì)出現(xiàn)電源供給的熱量與氣體電阻元件溫度上升到某一數(shù)值后，便會(huì)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(chǎng)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(chǎng)分布都將保持不變。分布都將保持不變。熱平衡時(shí)熱導(dǎo)池內(nèi)的溫場(chǎng)為一系列同軸圓柱等溫面。熱平衡時(shí)熱導(dǎo)池內(nèi)的溫場(chǎng)為一系列同軸圓柱等溫面。對(duì)于半徑為對(duì)于半徑為r的等溫面，單位時(shí)間氣體的導(dǎo)熱量為的等溫面，單位時(shí)間氣體的導(dǎo)熱量為SdrdtdQ上一頁(yè)下一頁(yè)返 回?zé)崞胶鈺r(shí)各等溫面的導(dǎo)熱量相當(dāng)，熱平衡

9、時(shí)各等溫面的導(dǎo)熱量相當(dāng)，dQ值與值與r無(wú)關(guān)，則式變?yōu)闊o(wú)關(guān)，則式變?yōu)?rdrldQdt2CrldQttln2)1 (0對(duì)于熱導(dǎo)池壁，當(dāng)對(duì)于熱導(dǎo)池壁，當(dāng)r=rc時(shí)，時(shí)，t=tc，代入上式可得積分常數(shù)，代入上式可得積分常數(shù)C為為cccrldQttCln2)1 (0式中，式中， rc熱導(dǎo)池內(nèi)壁半徑。熱導(dǎo)池內(nèi)壁半徑。式中，式中，0混合氣體在混合氣體在0時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)；時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)； 混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)的溫度系數(shù)；混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)的溫度系數(shù)；上一頁(yè)下一頁(yè)返 回假定電阻絲假定電阻絲r=rw表面處的溫度表面處的溫度t=tw )(cwmttKdQ式中，式中， m混合氣體的平均導(dǎo)熱系數(shù)；混合氣體的平均導(dǎo)熱系數(shù)； K與

10、熱導(dǎo)池尺寸有關(guān)的常數(shù)，稱為熱導(dǎo)池常數(shù)。與熱導(dǎo)池尺寸有關(guān)的常數(shù)，稱為熱導(dǎo)池常數(shù)。)(10cwwcmttttwcrrlKln2電阻絲的阻值是溫度的函數(shù)電阻絲的阻值是溫度的函數(shù) )1 (0wtRRmcKRItRR0201)1 (熱導(dǎo)式氣體分析儀熱導(dǎo)池的特性方程熱導(dǎo)式氣體分析儀熱導(dǎo)池的特性方程 當(dāng)電阻絲通過(guò)的電流當(dāng)電阻絲通過(guò)的電流I和熱導(dǎo)池的壁面溫度和熱導(dǎo)池的壁面溫度tc固定時(shí)，固定時(shí)，電阻絲的阻值只與分析氣體的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。電阻絲的阻值只與分析氣體的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。 測(cè)量電阻絲阻值，便可對(duì)多組分氣體待測(cè)組分的含量分析。測(cè)量電阻絲阻值，便可對(duì)多組分氣體待測(cè)組分的含量分析。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回硅傳感器熱導(dǎo)池

11、原理圖硅傳感器熱導(dǎo)池原理圖上一頁(yè)下一頁(yè)返 回（1）電阻絲的參數(shù)電阻絲的參數(shù)（2）工作電流工作電流（3）腔壁溫度的影響腔壁溫度的影響（4）其它散熱的影響其它散熱的影響上一頁(yè)下一頁(yè)返 回l由式（由式（8.2.14）可見，電阻絲的初始電阻）可見，電阻絲的初始電阻R0，電，電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)的數(shù)值及其穩(wěn)定性，阻絲材料的電阻溫度系數(shù)的數(shù)值及其穩(wěn)定性，對(duì)檢測(cè)器的靈敏度和精度都有很大的影響。對(duì)檢測(cè)器的靈敏度和精度都有很大的影響。l一般一般R0的數(shù)值取大一些有利于靈敏度的提高。的數(shù)值取大一些有利于靈敏度的提高。l增大增大R0的方法有兩個(gè)：的方法有兩個(gè)： 增大電阻絲的長(zhǎng)徑比，增大電阻絲的長(zhǎng)徑比， 選用電阻

12、率大的材料。選用電阻率大的材料。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回l由式（由式（8.2.14）可見，工作電流）可見，工作電流I的大小的大小與電阻絲阻值與電阻絲阻值R的關(guān)系很大，電流的大小的關(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。及穩(wěn)定性將嚴(yán)重影響儀器的性能。l一般在熱導(dǎo)式分析儀器中都有保持電流一般在熱導(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)與電阻絲的恒定的穩(wěn)流裝置，電流值應(yīng)與電阻絲的阻值阻值R0統(tǒng)一考慮，以保證熱導(dǎo)池供給的統(tǒng)一考慮，以保證熱導(dǎo)池供給的熱量符合工作要求。熱量符合工作要求。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回l腔壁溫度的變化會(huì)直接影響測(cè)量精度。腔壁溫度的變化會(huì)直接影響測(cè)量精度。l解決的辦法有兩種

13、，解決的辦法有兩種， 采用差值法（或稱比較測(cè)量法），它是在同一塊金屬中加工兩個(gè)采用差值法（或稱比較測(cè)量法），它是在同一塊金屬中加工兩個(gè)參數(shù)完全一致的熱導(dǎo)池，其中一個(gè)通入待分析氣體，作為工作熱參數(shù)完全一致的熱導(dǎo)池，其中一個(gè)通入待分析氣體，作為工作熱導(dǎo)池；導(dǎo)池； 通過(guò)（或封入）組分固定的參比氣體，作為參比熱導(dǎo)池。由于兩通過(guò)（或封入）組分固定的參比氣體，作為參比熱導(dǎo)池。由于兩個(gè)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(cè)量個(gè)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(cè)量時(shí)，二者所受溫度的影響可以相互抵消。這種方法比較簡(jiǎn)單，在時(shí)，二者所受溫度的影響可以相互抵消。這種方法比較簡(jiǎn)單，在要求

14、不高的場(chǎng)合可以使用。另一種方法是采用恒溫法，把工作熱要求不高的場(chǎng)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(gè)恒溫裝置中，使兩者經(jīng)受的環(huán)境溫導(dǎo)池和參比熱導(dǎo)池都放在一個(gè)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(jià)較高。一套恒溫裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回l熱導(dǎo)池內(nèi)存在其它散熱損失包括：熱導(dǎo)池內(nèi)存在其它散熱損失包括：（1）輻射散熱。）輻射散熱。（2）引線導(dǎo)熱損失。）引線導(dǎo)熱損失。（3）氣體對(duì)流散熱。）氣體對(duì)流散熱。（4）氣體帶走的熱量。）氣體帶走的熱量。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回?zé)釋?dǎo)池的四種結(jié)構(gòu)型式熱導(dǎo)池的四種結(jié)構(gòu)型式上一頁(yè)下一頁(yè)返 回上一頁(yè)下一頁(yè)返 回l被測(cè)氣體濃度的變化，經(jīng)過(guò)熱導(dǎo)池檢測(cè)器變成被測(cè)氣體濃度的變化，經(jīng)過(guò)熱導(dǎo)池檢測(cè)器變成了電阻絲阻值的變化，阻值的變化可采用電橋了電阻絲阻值的變化，阻值的變化可采用電橋來(lái)進(jìn)行測(cè)量。來(lái)進(jìn)行測(cè)量。l實(shí)際常用的測(cè)量電路有兩種：實(shí)際常用的測(cè)量電路有兩種：(1) 直流