1、8.2 熱導(dǎo)式氣體分析儀器,8.2.1 基本原理 8.2.2 熱導(dǎo)池（檢測(cè)器） 8.2.3 測(cè)量電路 8.2.4 熱導(dǎo)式氣體分析儀的應(yīng)用,上一頁,下一頁,返 回,2,8.2.1 基本原理,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)熱能力的差異，就可以實(shí)現(xiàn)氣體組分的含量分析。 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,通過介質(zhì)微元等溫面?zhèn)鲗?dǎo)的熱流量，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。 導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)志著物質(zhì)的導(dǎo)熱能力,上一頁,下一頁,返 回,3,導(dǎo)熱系數(shù),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

2、小。 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)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系可近似寫成,介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的溫度系數(shù),上一頁,下一頁,返 回,4,表8.2.1 常見氣體相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)及溫度系數(shù),上一頁,下一頁,返 回,5,混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù),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,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,上一頁,下一頁,返 回,6,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（8.2.3）的具體形式為

3、,由于C1+C2=100,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,對(duì)上式微分，可得,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,上一頁,下一頁,返 回,7,對(duì)于煙氣和大多數(shù)多組分混合氣體，各組分之間滿足,1）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)相差很大，以保證儀器有較高的靈敏度,上一頁,下一頁,返 回,8,8.2.2 熱導(dǎo)池（檢測(cè)器,1. 熱導(dǎo)池的

4、工作原理 2. 影響熱導(dǎo)池特性的因素 3. 熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu),上一頁,下一頁,返 回,9,1. 熱導(dǎo)池的工作原理,上一頁,下一頁,返 回,熱導(dǎo)池結(jié)構(gòu)示意圖,1-腔體； 2-電阻絲； 3-支承架； 4-絕緣； 5-引線； 6-氣體出口； 7-氣體入口,10,當(dāng)電阻元件通過電流I時(shí)，電阻吸收的功率將全部轉(zhuǎn)換成熱量,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。 當(dāng)通過電阻元件的電流，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 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)

5、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。 對(duì)于半徑為r的等溫面，單位時(shí)間氣體的導(dǎo)熱量為,上一頁,下一頁,返 回,11,熱平衡時(shí)各等溫面的導(dǎo)熱量相當(dāng)，dQ值與r無關(guān)，則式變?yōu)?對(duì)于熱導(dǎo)池壁，當(dāng)r=rc時(shí)，t=tc，代入上式可得積分常數(shù)C為,式中， rc熱導(dǎo)池內(nèi)壁半徑,式中，0混合氣體在0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),上一頁,下一頁,返 回,12,假定電阻絲r=rw表面處的溫度t=tw,式中， m混合氣體的平均導(dǎo)熱系數(shù)； K與熱導(dǎo)池尺寸有關(guān)的常數(shù)，稱為熱導(dǎo)池常數(shù),電阻絲的阻值是溫度的函數(shù),熱導(dǎo)式氣體分析儀熱導(dǎo)池的特性方程,當(dāng)電阻絲通過的電流I和熱導(dǎo)池的壁面溫

6、度tc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)。 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,下一頁,返 回,13,新型熱導(dǎo)式分析儀,硅傳感器熱導(dǎo)池原理圖,上一頁,下一頁,返 回,14,2. 影響熱導(dǎo)池特性的因素,1）電阻絲的參數(shù) （2）工作電流 （3）腔壁溫度的影響 （4）其它散熱的影響,上一頁,下一頁,返 回,15,1）電阻絲的參數(shù),由式（8.2.14）可見，電阻絲的初始電阻R0，電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。 一般R0的數(shù)值取大一些有利于靈敏度的提高。 增大R0的方法有兩個(gè)： 增大電阻絲的長徑比， 選用電阻率大的材

7、料,上一頁,下一頁,返 回,16,2）工作電流,由式（8.2.14）可見，工作電流I的大小與電阻絲阻值R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。 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)與電阻絲的阻值R0統(tǒng)一考慮，以保證熱導(dǎo)池供給的熱量符合工作要求,上一頁,下一頁,返 回,17,3）腔壁溫度的影響,腔壁溫度的變化會(huì)直接影響測(cè)量精度。 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)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； 通過（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)

8、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,上一頁,下一頁,返 回,18,4）其它散熱的影響,熱導(dǎo)池內(nèi)存在其它散熱損失包括： （1）輻射散熱。 （2）引線導(dǎo)熱損失。 （3）氣體對(duì)流散熱。 （4）氣體帶走的熱量,上一頁,下一頁,返 回,19,3. 熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu),熱導(dǎo)池的四種結(jié)構(gòu)型式,上一頁,下一頁,返 回,20,2）電阻絲的結(jié)構(gòu)及支撐方法,上一頁,下一頁,返 回,21,8.2.3 測(cè)量電路,被測(cè)氣體濃度的變化，經(jīng)過熱導(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來進(jìn)行測(cè)量。 實(shí)際常用的測(cè)量電路有兩種： (1) 直流單橋測(cè)量線路 (2) 交流雙橋測(cè)量線路,上一頁,下一頁,返 回,22,1) 直流單橋測(cè)量線路,上一頁,下一頁,返 回,穩(wěn)壓器供電的直流單橋測(cè)量線路,23,2) 交流雙橋測(cè)