8.2 热导式气体分析仪器2

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
0 (1 t )
β——介质导热系数的温度系数。
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表8.2.1 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 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 温度系数/0C-1（0~1000C） 0.00253 0.00261 0.00256 0.00303 0.00264 0.00262 0.00311 0.00495 -
对上式微分，可得
d m 1 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。
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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
dQ C 0 t c (1 t c ) ln rc 2l
式中， rc——热导池内壁半径。
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假定电阻丝r=rw表面处的温度t=tw
dQ m K (t w t c )
式中， λm——混合气体的平均导热系数； m 0 1 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
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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
dQ dt 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。
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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。
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。
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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
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1. 热导池的工作原理
甲烷
乙烷 乙烯 二乙醚 丙酮 汽油
1.318
0.807 0.735 0.543 0.406 0.370 0.273
0.00655
0.00583 0.00763 0.00700 0.00720 0.00980 0.00530 0.00455（1000C时）
二氯甲烷 水蒸气 0.973（1000C时）
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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：
m 1C1 2C2
由于C1+C2=100%
m 1C1 2 (1 C1 )
C1
m 2 1 2
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。

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
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(1) 直流单桥测量线路
稳 压 器 供 电 的 直 流 单 桥 测 量 线 路
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(2) 交流双桥测量线路
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新型热导式分析仪
硅传感器热导池原理图
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2. 影响热导池特性的因素
（1）电阻丝的参攰 뼈2뼉ᷥ作电流 （3）腔壁温度的影响 （4）其它散热的影响
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（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： – 增大电阻丝的长径比， – 选用电阻率大的材料。
K 2l 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 t w )
R R0 (1 t c ) I 2 R0 1 K 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。
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（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。
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3. 热导池的结构
热导池的四种结构型式
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（2）电阻丝的结构及支撑方法
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8.2.3 测量电路

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（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。

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（3）腔壁温度的影响

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。
热 导 池 结 构 示 意 图
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
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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
dt dQ S dr
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热平衡时各等温面的导热量相当，dQ值与r无关，则式变为
dt
dQ dr 2l r
0 t (1 t )
dQ ln r C 2l
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
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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
m i 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。
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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。

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