热导式气体分析仪

热量传递的三种方式：热对流、热辐射、热传导。热传导系数是对物质导热能力大小的量度，热传导系数很大的物体是优良的热导体；而热传导系数小的是热的不良导体或为热缘体。

3.1相对热传导系数

气体热传导系数的值很小，而且基本在同一数量级内，彼此相差并不十分悬殊，因此工程上通常采用“相对热传导系数”这一概念。所谓相对热传导系数是指各种气体的热传导系数与相同条件下空气热传导系数的比值。

几种气体在0℃时的相对热传导系数

从表中可以看出H₂的导热系数特别大，是一般气体的7倍多。在测量时必须满足以下两个条件，一是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要大，越大越灵敏；另一个是要求其他各组分的导热系数相等或十分接近。这样混合气体的导热系数随被测组分的体积含量变化而变化，因此只要测量出混合气体的导热系数便可得知被测组分的含量。在化肥企业中常用的氢含量分析仪采用的就是这个原理。

3.2热导式气体分析仪的基本原理

热导式气体分析仪是一种物理类的气体分析仪表。它根据不同气体具有不同热传导能力的原理，通过测定混合气体导热系数来推算其中某些组分的含量。这种分析仪表简单可靠,适用的气体种类较多,是一种基本的分析仪表。热导式气体分析仪的应用范围很广，除通常用来分析氢气、氨气、二氧化碳、二氧化硫和低浓度可燃性气体含量外，还可作为色谱分析仪中的检测器用以分析其他成分。本项目中采用的重庆川仪九厂的PA200—ROD热导式气体分析仪。

由于气体的热传导系数很小，它的变化量小，所以很难用直接方法准确地测量出来。工业上多采用间接的方法，即通过热导检测器（又称热导池），实际应用中常把气体热传导系数数的变化转换为电阻的变化，再用电桥来测定。如下图所示

                              热导池原理图

   上图是热导池的示图，把一根电阻率较大的而且温度系数也较大的电阻丝，张紧悬吊在一个导热性能良好的圆筒形金属壳体的中心，在壳体的两端有气体进出口，圆筒内充满待测气体，电阻丝上通以恒定的电流加热。由于电阻丝通过的电流是恒定的，电阻上单位时间内所产生的热量也是定值。当待测样品气体以缓慢的速度通过池室时，电阻丝上的热量将会由气体以热传导的方式传给池壁。当气体的传热速率与电流在电阻丝上的发热率相等时（这中状态称为热平衡，电阻丝的温度就会稳定在某一个数值上，这个平衡温度决定了电阻丝的阻值。如果混合气体中待测组分的浓度发生变化，混合气体的热导率也随之变化，气体的导热速率和电阻丝的平衡温度也将随之变化，终导致电阻丝的阻值产生相应变化，从而实现了气体热导率与电阻丝阻值之间变化量的转换。

热导式气体分析仪的热敏元件主要有半导体敏感元件和金属电阻丝两类。半导体敏感元件体积小、热惯性小，电阻温度系数大,所以灵敏度高,时间滞后小。在铂线圈上烧结珠形金属氧化物作为敏感元件，再在内电阻、发热量均相等的同样铂线圈上绕结对气体无反应的材料作为补偿用元件。这两种元件作为两臂构成电桥电路，即是测量回路。半导体金属氧化物敏感元件吸附被测气体时，电导率和热导率即发生变化，元件的散热状态也随之变化。元件温度变化使铂线圈的电阻变化，电桥遂有一不平衡电压输出，据此可检测气体的浓度。

      

电桥原理图

常用测量桥路图一                                                           

                       常用测量桥路图二

测量臂是样品气流通的热导池，参比臂是封装参比气的热导池。参比臂的作用如下：

测量臂通过对流和辐射作用散失的热量与参比臂相差无几，两者相互抵消，则热丝阻值变化主要取决于热传导，即气体热导能力的变化。当环境温度变化引起热导池臂温度变化时，参比臂与测量臂同向变化，相互抵消，有利于削弱环境温度变化对测量结果的影响。改变参比气浓度，电桥检测的下限浓度也随之改变，便于改变仪器的测量范围。

3.4热导式气体分析仪的调整和维护注意事项

热导式气体分析仪调校时应注意的问题：

1）分析期必定期校准。

2）分析期必须预热至稳定。

3）桥压和桥流要达到规定值。

3）标准气中的背景气热导率要与实际被发行气体的背景气热导率相同，否则要修正。

4）标准气流速要等于工作时被测气体流速。

5）要准确校准时，需多校几点

热导式气体分析仪对零点气和量程气的要求：

1）零点气   待测组分浓度等于或略高于量程下限值，而且其背景气组分应与工艺中背景气组分性质相同或接近。

2）量程气   待测组分浓度等于满量程的90%或接近工艺控制指标浓度，而且其背景气组分应与工艺中背景气组分性质相同或接近。

热导式气体分析仪热丝电流大小对测量的影响：

增大热丝电流可以提高热导式分析器的灵敏度。但是电流加大后，热丝温度亦升高，从而增加了辐射热损失，降低了精度。同时电流加大将减少热丝寿命、增大噪声、降低可靠性。所以热丝电流选多大，是需要综合考虑的。

热导式气体分析仪“显示仪表示值不稳”的处理方法:

具体的原因是检测器温控系统感温元件故障。处理方法是在感温元件与池体插孔的缝隙中填满并塞紧铝箔，以提高测温元件的感温灵敏度。