8.2热导式气体分析仪器 - 复制

8.2 热导式气体分析仪器
8.2.1 基本原理 8.2.2 热导池(检测器) 8.2.3 测量电路 8.2.4 热导式气体分析仪的应用
8.2.4 热导式气体分析仪的应用
能够测量的气体种类很多,如H2 ,CO2 ,NH3 , Cl2 ,Ar,He,SO2 ,H2 中的O2 ,O2 中的H2 ,N2 中 的H2等; 测量范围宽,待测组分含量在0%~100%测量范围 内均可使用.
dQ C = λ 0 t c (1 + βt c ) + ln rc 2πl
式中, rc——热导池内壁半径.
假定电阻丝r=rw表面处的温度t=tw
dQ = λ m K (t w t c )
式中, λm——混合气体的平均导热系数; λm = λ0 [1 + β (tc + t w )](t w tc )
8.2 热导式气体分析仪器
8.2.1 基本原理 8.2.2 热导池(检测器) 8.2.3 测量电路 8.2.4 热导式气体分析仪的应用
8.2.1 基本原理
对于多组分气体,由于组分含量不同,混合气 体导热能力将会发生变化.根据混合气体导热 能力的差异,就可以实现气体组分的含量分 析.
根据传热学理论,在温场中的介质传导的热流量
热 导 池 结 构 示 意 图
当电阻元件通过电流I时,电阻吸收的功率将全部转换成热量
dQ = I 2 R
此热流量一方面使电阻元件本身温度升高,另一方面也向周围 散失. 电阻元件向外散失的热量主要是靠热导池内气体的导热. 当通过电阻元件的电流,气体成分以及热导池壁面温度一定时 ,电阻元件温度上升到某一数值后,便会出现电源供给的热量 与气体的导热量相平衡的情况,以后电阻元件的温度以及热导 池内的温场分布都将保持不变. 热平衡时热导池内的温场为一系列同轴圆柱等温面. 对于半径为r的等温面,单位时间气体的导热量为
(4)其它散热的影响
热导池内存在其它散热损失包括: (1)辐射散热. (2)引线导热损失. (3)气体对流散热. (4)气体带走的热量.
3. 热导池的结构
热导池的四种结构型式
(2)电阻丝的结构及支撑方法
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增大电阻丝的长径比, 选用电阻率大的材料.
(2)工作电流
由式(8.2.14)可见,工作电流I的大小与电阻丝阻值R 的关系很大,电流的大小及稳定性将严重影响仪器的 性能. 一般在热导式分析仪器中都有保持电流恒定的稳流装 置,电流值应与电阻丝的阻值R0统一考虑,以保证热 导池供给的热量符合工作要求.
(3)腔壁温度的影响
K= 2πl r ln c rw
K——与热导池尺寸有关的常数,称为热导池常数. 电阻丝的阻值是温度的函数 R = R0 (1 + αt w )
R 0 (1 + αt c ) R= αI 2 R 0 1 Kλ m
热导式气体分析仪热导池的特性方程
当电阻丝通过的电流I和热导池的壁面温度tc固定时, 电阻丝的阻值只与分析气体的导热系数有关. 测量电阻丝阻值,便可对多组分气体待测组分的含量分析.
新型热导式分析仪
硅传感器热导池原理图
2. 影响热导池特性的因素
(1)电阻丝的参数 (2)工作电流 (3)腔壁温度的影响 (4)其它散热的影响
(1)电阻丝的参数
由式(8.2.14)可见,电阻丝的初始电阻R0 ,电 阻丝材料的电阻温度系数的数值及其稳定性,对 检测器的灵敏度和精度都有很大的影响. 一般R0的数值取大一些有利于灵敏度的提高. 增大R0的方法有两个:
End the 8.2
பைடு நூலகம்
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dt dQ = λ dS dn
通过介质微元等温面传导的热流量,不仅与等温面处温度 梯度有关,而且与介质的导热系数成正比. 导热系数标志着物质的导热能力.
导热系数
对于不同的介质,导热系数的大小是不同的.
固体和液体的导热系数较大,气体的导热系数较 小.
气体的导热系数通常与温度有关.当温度升高 时,分子运动加剧,导热系数随之增大.导热 系数与温度的关系可近似写成
8.2.3 测量电路
被测气体浓度的变化,经过热导池检测器变成 了电阻丝阻值的变化,阻值的变化可采用电桥 来进行测量. 实际常用的测量电路有两种:
(1) 直流单桥测量线路 (2) 交流双桥测量线路
(1) 直流单桥测量线路
稳 压 器 供 电 的 直 流 单 桥 测 量 线 路
(2) 交流双桥测量线路
混合气体的导热系数
由所含组分气体的导热系数共同决定的.对于彼此之间 无相互作用的多组分气体,其导热系数可近似地认为是 各组分导热系数按组成含量的加权平均值,即
λm = ∑ λi Ci
i =1
n
根据混合气体导热系数与各组分导热系数之间的关系, 就可以实现多组分气体的含量分析.
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(8.2.3)的具体形式为:
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8.2.1 基本原理 8.2.2 热导池(检测器) 8.2.3 测量电路 8.2.4 热导式气体分析仪的应用
8.2.2 热导池(检测器)
1. 热导池的工作原理 2. 影响热导池特性的因素 3. 热导池的结构
1. 热导池的工作原理
1-腔体; 2-电阻丝; 3-支承架; 4-绝缘; 5-引线; 6-气体出口; 7-气体入口
腔壁温度的变化会直接影响测量精度. 解决的办法有两种,
采用差值法(或称比较测量法),它是在同一块金属中加工两个 参数完全一致的热导池,其中一个通入待分析气体,作为工作热 导池; 通过(或封入)组分固定的参比气体,作为参比热导池.由于两 个热导池经受大体相同的环境温度影响,当线路上采用差值测量 时,二者所受温度的影响可以相互抵消.这种方法比较简单,在 要求不高的场合可以使用.另一种方法是采用恒温法,把工作热 导池和参比热导池都放在一个恒温装置中,使两者经受的环境温 度完全一致,并且恒定.很明显,这种方法精度比较高,但需要 一套恒温装置,结构复杂,造价较高.
dQ = λ dt S dr
热平衡时各等温面的导热量相当,dQ值与r无关,则式变为
λdt =
dQ dr 2πl r
dQ λ 0 t (1 + βt ) = ln r + C 2πl
式中,λ0——混合气体在0℃时的导热系数; β ——混合气体导热系数的温度系数; 对于热导池壁,当r=rc时,t=tc,代入上式可得积分常数C为
对于烟气和大多数多组分混合气体,各组分之间满 足: (1)除待分析的组分外,其余组分的导热系数 相等或接近,即接近的程度越高,仪器的测量 精度越高.若个别气体的值与其它背景气体的 值相差较远时,则被视为干扰成分,在分析之 前要去掉. (2)待分析组分与其余组分的导热系数相差很 大,以保证仪器有较高的灵敏度.
λ = λ 0 (1 + βt )
β——介质导热系数的温度系数.
常见气体相对导热系数及温度系数
气体名称 空气 氢 氖 氧 氮 一氧化碳 氨 氩 氧化亚氮 二氧化碳 硫化氢 二氧化硫 氯 甲烷 乙烷 乙烯 二乙醚 丙酮 汽油 相对导热系数(00C时) 1.000 7.130 1.991 1.015 0.998 0.964 0.897 0.685 0.646 0.614 0.538 0.344 0.322 1.318 0.807 0.735 0.543 0.406 0.370 0.273 二氯甲烷 水蒸气 0.973(1000C时) 温度系数/0C-1(0~1000C) 0.00253 0.00261 0.00256 0.00303 0.00264 0.00262 0.00311 0.00495 0.00655 0.00583 0.00763 0.00700 0.00720 0.00980 0.00530 0.00455(1000C时)
λm = λ1C1 + λ2C2
由于C1+C2=100%
λm = λ1C1 + λ2 (1 C1 )
C1 =
λm λ 2 λ1 λ2
只要测出混合气体的导热系数,就可以根据两组分的导热系数 求得待测组分的含量. 对上式微分,可得
dλ m = λ1 λ 2 dC1
仪器的灵敏度与两个组分导热系数之差成正比, 即两组分导热系数相差越大,仪器的灵敏度就越高.