热导分析仪的测量原理讲义.
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热导式分析仪检测原理学习 概念阐述 测量原理 适用范围及工业应用 维护注意要点
2018/11/9
什么是热导分析仪 热导式气体分析仪是一种物理式分析器。它结 构简单，性能稳定，价格便宜，易于工程上的 在线检测，是气体分析仪中最常用的一种。 热导分析仪检测原理 热导式气体分析仪用来分析混合气体中某一组 分（待测组分）的含量。它是根据混合气体中 待测组分含量的变化，引起混合气体总的导热 系数变化这一物理特性来进行测量的。由于气 体的导热系数很小，直接测量困难，因此工业 上常常把导热系数的变化转化成热敏原件阻值 得变化，从而可由测得的电阻值的变化，得知 待测组分含量的多少。
2018/11/9
热导池构造
2018/11/9
为了进一步克服电源电压波动和环境温度变化等因素对测量带来的误差，还可以采用 双电桥检测电路，如图所示。
双电桥检测电路中除了测量电桥Ⅰ外还增加了一个参考电桥Ⅱ，测量电桥Ⅰ上面已经阐 述过，是个不平衡电桥。参考电桥Ⅱ中的电阻丝R5和R7的热导池内密封上限气体，且 R5=R7，因气体浓度大，导热换热能力强，平衡温度最低，电阻值最小。电阻丝R6和R8的 热导池内密封下限气体，且R6=R8，因气体浓度最小，导热换热能力最弱，平衡温度最高， 电阻值最大。两电桥的工作电压由电源变压器的副边绕组输出电压提供，彼此相等U1=U2。 参考电桥的输出电压Ugh是一个固定的常数，加在滑线电阻RAB的两端。在测量电桥中， 当被测组分的浓度发生变化时，电阻R1 和R3 的阻值发生变化，电桥的输出电压Ucd发生 变化。Ugh和Ucd的极性相反，二者的差值送入放大器中放大，驱动可逆电极，从而使
2018/11/9
测量方法
样气入
样气出 电池 电阻丝 绝缘子
热导池结构
热导池原理图
2018/11/9
热导池是用导热性好的金属制成的圆柱形腔体，腔体中垂直悬挂 一根热敏电阻元件，一般为铂丝。电阻元件与腔体保持良好的绝 缘。电阻元件通过两端的引线通以恒定电流I，使之维持一定的温 度tn。tn高于室壁温度tc，被测气体由热导池下面入口进入，从上 面出口流出，热导池的热敏电阻既是加热元件也是测量元件，电 阻丝上产生的热量通过混合气体向室壁传递。假设是利用热导池 测量混合气体中H2的浓度，当浓度增加时，混合气体的平均热导 率增加，电阻丝产生的热量通过气体传导给室壁的热量也会增加， 电阻丝的温度tn就会下降，从而使电阻丝的阻值下降。即可通过 测量电阻丝的阻值的大小就可以间接得知混合气体中H2的浓度。
2018/11/9
RAB上的滑点C 左右滑动，直到平衡为止，RAB上面的标尺可以 直接指示被测组分的浓度值。 当被测组分的浓度为下限值时，测量电桥的输出电压Ucd＝0，参 考电桥的输出电压全部Ugh加在滑线电阻RAB上，滑线电阻的滑 点C停在标尺的左端点A 处，指针正对标尺的下限值。当被测组分 的浓度为上限值时，测量电桥的输出电压Ucd与参考电桥的输出 电压全部Ugh相等，即Ucd＝Ugh，滑线电阻的滑点C停在标尺的 右端点B处，指针正对标尺的上限值。当被测组分的浓度为测量范 围的某一值时，滑线电阻的滑点C会停在标尺的中间的某一位置 上。双电桥检测电路还可以利用微处理器采集放大器的输出信号， 并进行相应的数据处理，最后显示测量结果。
2018/11/9
气体热导热系数（又称导热率）
在热力学中用导热率（亦导热系数）来描述物质的热传导，传热 快的物质导热率大。气体的导热率随温度的变化而变化，即：
下图是各气体在0℃与100℃时的导热系数λ 相对导热系数 λ /λ 0（相对于空气为0℃时的导热系数之比）和导热率温度系 数β 值。因此利用上式可以求得各种温度下的气体导热系数。 （相关参数由下图表查阅可得）
2018/11/9
热导式气体分析仪通常采用四个热导池，他们的四根电阻丝组成一 个典型的惠斯登电桥，如下图所示: 测量气室桥臂电阻为R1＝R3，室内通以测量气体，参考气室桥臂 电阻为R2＝R4，室内通以被测气体的下限含量气体，当下限值为 零时，参考气室中一般为空气。四个气室是连体结构，所处的环境 条件如温度、压力、流量等完全一样。当流过测量气室的被测组分 的浓度和参考气室中标准气样的浓度相等时，电桥输出为零。当流 过测量气室的被测组分的浓度发生变化，电阻R1、R3发生变化电 桥失去平衡，输出电压的大小就代表了被测组分的浓度。
2018/11/9
1 cal=4.18J
2018/1wenku.baidu.com/9
混合气体的导热系数 实验结果表明，互不发生化学反应的气体混合物的导热系数可由下 式计算：
式中λ--混合气体的导热系数 λi--对应于百分含量为Ci的组分的热导率 Ci--混合气体中第i组分的百分含量。
2018/11/9
当被测混合气体中某组分的导热系数与其他各组分的导热系 数有显著差别，并且其他组份的平均导热系数在测量中保持 恒定时，则上是可简化为： 式中λ--混合气体的导热系数； λ1,C1--待测组分的导热系数及百分含量； λ2---其他组份的平均导热系数。 因此，热导气体分析仪就是利用各种气体导热系数的差异和 导热系数与含量的关系来进行测量分析的。 由此可以推出被测组分的浓度与混合气体的热导率之间的关 系为：
C1=(λ-λ1)/(λ1-λ2)
2018/11/9
可以看出，当待测组分的导热系数与混合气体中其他组分的导热系 数相差较大，其他各组分的导热系数相等或十分接近时，可以通过 待测组分的导热系数与混合气体中其他组分的导热系数测量出被测 组分的浓度的大小。如果不满足上述两个条件，可以采取预处理的 方法除去不满足条件的气体，使剩下的背景气体满足要求。如分析 烟道中的CO2的含量，已知烟道气体的组分为CO2、N2、CO、SO2、 H2、O2以及水蒸汽等，由表中可知，SO2和H2的热导率相差太大， 应在预处理时除去，其他气体的热导率相近，并与被测气体CO2的 热导率差别较大。
2018/11/9
待测混合气体必须满足哪些条件，才能用热导式气体分析仪进行分 析？ 设各组分的体积分数分别是C1、C2、C3、...、Cn,热导率分别为 λ1、λ2、λ3、...、λn，待测组分的含量和热导率为C1，λ1.则必须 满足以下条件，才能用热导式分析仪进行测量。 （1）背景气体各组分的热导率必须近视相等或十分接近。即 λ1≈λ2≈λ3≈...≈λn （2）待测组分的热导率与背景气体各组分的热导率相差很大 满足上面两个条件时：根据： 可推导出被测组分浓度 跟混合气体各组分热导率的关系。 即： =λ1C1+λ2C2+...+λnCn≈λ1C1+λ2(1-C1)
2018/11/9
什么是热导分析仪 热导式气体分析仪是一种物理式分析器。它结 构简单，性能稳定，价格便宜，易于工程上的 在线检测，是气体分析仪中最常用的一种。 热导分析仪检测原理 热导式气体分析仪用来分析混合气体中某一组 分（待测组分）的含量。它是根据混合气体中 待测组分含量的变化，引起混合气体总的导热 系数变化这一物理特性来进行测量的。由于气 体的导热系数很小，直接测量困难，因此工业 上常常把导热系数的变化转化成热敏原件阻值 得变化，从而可由测得的电阻值的变化，得知 待测组分含量的多少。
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热导池构造
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为了进一步克服电源电压波动和环境温度变化等因素对测量带来的误差，还可以采用 双电桥检测电路，如图所示。
双电桥检测电路中除了测量电桥Ⅰ外还增加了一个参考电桥Ⅱ，测量电桥Ⅰ上面已经阐 述过，是个不平衡电桥。参考电桥Ⅱ中的电阻丝R5和R7的热导池内密封上限气体，且 R5=R7，因气体浓度大，导热换热能力强，平衡温度最低，电阻值最小。电阻丝R6和R8的 热导池内密封下限气体，且R6=R8，因气体浓度最小，导热换热能力最弱，平衡温度最高， 电阻值最大。两电桥的工作电压由电源变压器的副边绕组输出电压提供，彼此相等U1=U2。 参考电桥的输出电压Ugh是一个固定的常数，加在滑线电阻RAB的两端。在测量电桥中， 当被测组分的浓度发生变化时，电阻R1 和R3 的阻值发生变化，电桥的输出电压Ucd发生 变化。Ugh和Ucd的极性相反，二者的差值送入放大器中放大，驱动可逆电极，从而使
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测量方法
样气入
样气出 电池 电阻丝 绝缘子
热导池结构
热导池原理图
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热导池是用导热性好的金属制成的圆柱形腔体，腔体中垂直悬挂 一根热敏电阻元件，一般为铂丝。电阻元件与腔体保持良好的绝 缘。电阻元件通过两端的引线通以恒定电流I，使之维持一定的温 度tn。tn高于室壁温度tc，被测气体由热导池下面入口进入，从上 面出口流出，热导池的热敏电阻既是加热元件也是测量元件，电 阻丝上产生的热量通过混合气体向室壁传递。假设是利用热导池 测量混合气体中H2的浓度，当浓度增加时，混合气体的平均热导 率增加，电阻丝产生的热量通过气体传导给室壁的热量也会增加， 电阻丝的温度tn就会下降，从而使电阻丝的阻值下降。即可通过 测量电阻丝的阻值的大小就可以间接得知混合气体中H2的浓度。
2018/11/9
RAB上的滑点C 左右滑动，直到平衡为止，RAB上面的标尺可以 直接指示被测组分的浓度值。 当被测组分的浓度为下限值时，测量电桥的输出电压Ucd＝0，参 考电桥的输出电压全部Ugh加在滑线电阻RAB上，滑线电阻的滑 点C停在标尺的左端点A 处，指针正对标尺的下限值。当被测组分 的浓度为上限值时，测量电桥的输出电压Ucd与参考电桥的输出 电压全部Ugh相等，即Ucd＝Ugh，滑线电阻的滑点C停在标尺的 右端点B处，指针正对标尺的上限值。当被测组分的浓度为测量范 围的某一值时，滑线电阻的滑点C会停在标尺的中间的某一位置 上。双电桥检测电路还可以利用微处理器采集放大器的输出信号， 并进行相应的数据处理，最后显示测量结果。
2018/11/9
气体热导热系数（又称导热率）
在热力学中用导热率（亦导热系数）来描述物质的热传导，传热 快的物质导热率大。气体的导热率随温度的变化而变化，即：
下图是各气体在0℃与100℃时的导热系数λ 相对导热系数 λ /λ 0（相对于空气为0℃时的导热系数之比）和导热率温度系 数β 值。因此利用上式可以求得各种温度下的气体导热系数。 （相关参数由下图表查阅可得）
2018/11/9
热导式气体分析仪通常采用四个热导池，他们的四根电阻丝组成一 个典型的惠斯登电桥，如下图所示: 测量气室桥臂电阻为R1＝R3，室内通以测量气体，参考气室桥臂 电阻为R2＝R4，室内通以被测气体的下限含量气体，当下限值为 零时，参考气室中一般为空气。四个气室是连体结构，所处的环境 条件如温度、压力、流量等完全一样。当流过测量气室的被测组分 的浓度和参考气室中标准气样的浓度相等时，电桥输出为零。当流 过测量气室的被测组分的浓度发生变化，电阻R1、R3发生变化电 桥失去平衡，输出电压的大小就代表了被测组分的浓度。
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混合气体的导热系数 实验结果表明，互不发生化学反应的气体混合物的导热系数可由下 式计算：
式中λ--混合气体的导热系数 λi--对应于百分含量为Ci的组分的热导率 Ci--混合气体中第i组分的百分含量。
2018/11/9
当被测混合气体中某组分的导热系数与其他各组分的导热系 数有显著差别，并且其他组份的平均导热系数在测量中保持 恒定时，则上是可简化为： 式中λ--混合气体的导热系数； λ1,C1--待测组分的导热系数及百分含量； λ2---其他组份的平均导热系数。 因此，热导气体分析仪就是利用各种气体导热系数的差异和 导热系数与含量的关系来进行测量分析的。 由此可以推出被测组分的浓度与混合气体的热导率之间的关 系为：
C1=(λ-λ1)/(λ1-λ2)
2018/11/9
可以看出，当待测组分的导热系数与混合气体中其他组分的导热系 数相差较大，其他各组分的导热系数相等或十分接近时，可以通过 待测组分的导热系数与混合气体中其他组分的导热系数测量出被测 组分的浓度的大小。如果不满足上述两个条件，可以采取预处理的 方法除去不满足条件的气体，使剩下的背景气体满足要求。如分析 烟道中的CO2的含量，已知烟道气体的组分为CO2、N2、CO、SO2、 H2、O2以及水蒸汽等，由表中可知，SO2和H2的热导率相差太大， 应在预处理时除去，其他气体的热导率相近，并与被测气体CO2的 热导率差别较大。
2018/11/9
待测混合气体必须满足哪些条件，才能用热导式气体分析仪进行分 析？ 设各组分的体积分数分别是C1、C2、C3、...、Cn,热导率分别为 λ1、λ2、λ3、...、λn，待测组分的含量和热导率为C1，λ1.则必须 满足以下条件，才能用热导式分析仪进行测量。 （1）背景气体各组分的热导率必须近视相等或十分接近。即 λ1≈λ2≈λ3≈...≈λn （2）待测组分的热导率与背景气体各组分的热导率相差很大 满足上面两个条件时：根据： 可推导出被测组分浓度 跟混合气体各组分热导率的关系。 即： =λ1C1+λ2C2+...+λnCn≈λ1C1+λ2(1-C1)