在线分析仪器及分析系统设计与应用技术3

热导式气体分析器的敏感组件除常规的铂丝敏感组 件外，另外，发展了采用薄膜电阻为敏感组件的热 导池。这种薄膜电阻是采用超微细加工的技术，在 硅片上用光刻技术，刻成很细的铂丝制成的，该型 热导池常采用扩散式结构。如西门子公司的 CALOMAT6型热导式分析器。采用薄膜电阻的传 感器见图4-4，其测量精度及稳定性较好，传感器 体积小，已实现模块化。但是这种传感器耐腐蚀性 较差。


在背景气中存在对分析组分有影响的干扰组分时， 会产生较大的附加误差。例如：测量烟气CO2时， SO2就是干扰组分，因为SO2的热导率是CO2热导 率的一半。 热导气体分析仪的测量误差由基本误差和附加误差 组成。基本误差是分析器在规定条件下工作时的误 差，附加误差是由于干扰组分、灰尘、液滴的存在， 以及样气的压力、流量、温度的变化，稳压电流的 变化等外部条件的变化和仪器使用调整不当造成的 误差。

气体的热导率随温度变化而变化的关系如下式：
λt=λ0(1+βt)
式中：λt——t（℃）时气体的热导率 λ0——0℃时气体的热导率 t——气体的温度，℃ β——热导率的温度系数 气体的热导率也随压力变化而变化，在常压或压 力变化不大时热导率的变化不大。

Байду номын сангаас
气体热导率的绝对值很小，工程上常用相对热导率 表征。相对热导率（也称相对热导系数）是指各种 气体的热导率与相同条件下的空气热导率的比值。 如用λ0、λAO分别表示在0℃时某气体和空气的热 导率，则λ0/λAO就表示该气体在0℃时相对热导 率。λ100/λA10O则表示该气体在100℃时的相 对热导率。常见各种气体的热导率、相对热导率及 热导率的温度系数参见表4-1
4.1.2混合气体的热导率


混合气体中除待测成分之外的其它所有的组分被称 为背景气。设混合气体中各组分的体积分数分别为 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， 则采用热导分析器测定C1必须满足以下两个条件： ⑴背景气各组分的热导率必须近似相等或十分接近。 即：λ2≈λ3≈-----≈λn
4.2.2热导气体分析器的应用与发展


热导式气体分析器是国内最早开发的在线分析仪器， 最初是仿制原苏联的产品，后来经历了自主开发和 扩大应用，其测量应用主要在化肥行业测量混合气 体的氢含量，以及广泛应用于各种行业测量常量二 氧化碳、二氧化硫、氨、氩等气体。 热导式气体分析仪应用在两种混合气体中检测某一 种组分是最常用的方法，应用在混合气体的测量需 要采取必要的措施减少由于混合气体背景组分变化 的影响，例如采取双流路检测方法，即在参比流路 也通入除去被测组分后的背景气，这样可以抵消由 于背景气变化的影响带来的附加误差。



热导传感器组成的四个桥臂在配对后，需要通电老 化，确保其稳定性。传感器外部安装专用的金属保 护罩，既起到保温作用也起到电磁防护功能。 仪器的测量电路包括惠斯通测量电桥、稳压电源、 测量放大器及数据处理电路，仪器的输出信号采用 4-20mA的标准信号输出。 为了保证仪器在现场的正常运行，仪器附有简单的 取样预处理装置，包括减压阀，稳压器、三通阀、 干燥器、针形调节伐及流量计，保证被测样品气达 到干燥、流量稳定的要求。从而保证热导气体分析 器能高精度测量。
在线气体分析仪器及分析系统 设计与应用技术讲座
第一部分（3）
第四讲热导式气体分析器 第五讲电化学气体分析器
主讲人：朱卫东 2011年
第四讲 热导式气体分析器


4.1热导式气体分析器的测量原理 4.1.1气体的热导率 热导式气体分析器是通过测量混合气体热导率的变 化分析气体组成的仪器。气体的热导率是表征气体 的导热能力，不同气体的导热能力不同，并受到气 体组分、压强、密度、温度和湿度的变化而变化。 热量专递形式有热对流、热辐射、热传导三种形式， 在热导式分析仪器中要充分利用热传导形成热量交 换，尽可能抑制热对流、热辐射造成的热量损失。
4.3 热导气体分析器误差分析及调试维护


4.3.1热导气体分析器的误差分析 热导式气体分析器的选择性较差，主要是受到混合 气体的热导率影响，特别是被测气体的背景气体组 分发生变动时，影响较大，所以热导式气体分析器 的测量精度一般在±2%左右。 在工业色谱仪应用的热导检测器由于采用色谱柱的 分离，进入热导池的被测气体基本是单一组分和载 气的二元混合气，一次测量精度高。而热导分析器 的背景气为多元混合气，背景气的组分的变化将对 混合气体的热导率带来影响。




3）线性误差：±2%FS 4）零点漂移和量程漂移：不大于±2%FS/7d 5）重复性误差：不大于±1%FS 6）数字显示，标准信号输出：4-20(或0-10)mA， 负载电阻≤550Ω 7）通讯输出： RS485（可选） 8）报警输出： 上、下限报警触点容量 264VAC/1A或30VDC/1A
南分热导式传感器的结构及防爆系列氢分析仪

热导式气体分析器结构根据应用场合的需要，分为 防爆型与非防爆型结构。防爆型结构主要是按照防 爆产品的设计要求，增加防爆外壳的设计。防爆外 壳的设计非为隔爆型、充气防爆型等，热导式气体 分析器的防爆设计大多采用隔爆型设计，隔爆型设 计又分为螺纹隔爆型及平面隔爆型设计。热导仪器 大多采用螺纹隔爆型设计。
双臂串并联型不平衡电桥及其结构示意



双臂串并联型不平衡电桥中的桥臂电阻相等。 即： Rm=Rs=R 双臂电桥的测量灵敏度比单臂电桥的灵敏度提高一 倍。 其表达式为： ΔU0=(ΔRm/2 R)×UAB
4.2 仪器的结构、应用及主要性能指标


4.2.1热导式气体分析器的结构 主要包括热导传感器、测量控制器及简单取样预 处理装置 热导传感器的热导池采用不锈钢壳体，安装有对 称布置的两组测量桥臂和两组参比桥臂，测量气 室通样品气，参比气室封参比气。 传感器壳体外部采用加热线圈加热，并恒温控制 在60℃。测量及参比敏感组件采用0.02mm的铂 丝，为防止腐蚀性气体，采取铂丝外部包玻璃膜， 提高测量组件的耐腐蚀性。测量与参比桥臂的铂 丝组件在封装前，对其电阻值采取配对措施，确 保其对称性。



⑵待测组分的热导率与背景气组分的热导率有明显 的差异，差异越大越好，即：λ1≥λ2 满足上述两个条件时，则有： λ=∑（λiCi）=λ1 C1+λ2C2+----+λnCn≈λ1 C1+λ2(1- C1) C1=(λ-λ2)/(λ1 -λ2) 式中：λ——混合气体的热导率 λi——混合气体中第i组分的热导率 Ci——混合组分中第i组分的体积分数 上式说明，测得混合气体的热导率λ，就可以测量 待测组分的含量C1。
采用薄膜电阻为敏感组件的热导池


另外常用热导传感器的热导池体积是毫升级的，已 经开发出微型热导池是微升级的，测量的敏感组件 也是微型的。从而大大提高了测量灵敏度。 由于微电子技术的发展及计算机技术的应用，热导 式气体分析仪器的电子测量技术也已经向智慧化发 展，采用液晶显示技术，测量对象及量程设计均可 以采用软件设置，包括采用误差补偿技术等，仪器 的标准输出除4-20mA外，也带有RS-232的通讯 接口。

混合气体中待测组分浓度发生变化，混合气体 热导率也随之变化，气体导热速率和热丝平衡温 度也将随之变化，从而导致热丝阻值产生相应变 化，从而实现了气体热导率和敏感组件热丝阻值 之间变化量的转换。




其关系参见下式： Rn= R0(1+αtc)+K×(I2/λ)×R20α 式中：Rn、R0——热丝在tn℃（热平衡时热丝温 度）和0℃时的电阻值 α——热丝的电阻温度系数 tc——热导池气室壁温度 I——流过热丝的电流 λ——混合气体的热导率 K——仪表常数，是热导池结构有关的一个常数 上式可见，当K、tc 、I恒定时，Rn与λ为单值函 数关系。
4.1.5测量电桥


测量电桥用于测量热导池敏感组件热丝的电阻值变 化，从而测量被测组分的浓度。所以各种型号的热 导式气体分析器几乎都采用电桥作为测量环节。 在测量电桥中，为减少桥路电流波动和外界条件变 化的影响，通常设置测量桥臂和参比桥臂，热导池 的测量气室与参比气室的结构尺寸完全相同，测量 桥臂安装在测量气室通样品气，参比桥臂的参比气 室封装参比气或通参比气。
4.1.4热导池的 结构形式
热导池的结构形式 按照气流的通过测 量室的方式分为： 直通式、对流式、 扩散式、对流扩散 式等多种形式。


直通式的主气流与测量室并列，主气流的气体分流 一部分到测量室，反应速度快、滞后小，但易受气 体流速波动的影响。 对流式的测量室与主气流的进口并联相通，一小部 分待测气体进入测量室循环管，气体受热后形成热 对流，并从下部回到主气路。优点是气体流量波动 对测量影响不大，但反应速度慢，滞后大。

测量臂与参比臂安装在同一热导池体上，热导池体 的材料通常用导热性能良好的金属材料，如铜、不 锈钢等，测量气室与参比气室对称设计，使得测量 池与参比池处于同一温度下。在电桥的结构与桥臂 配置方式上，有单臂串联型、单臂并联型、双臂串 并联型等不平衡电桥几种形式，目前普遍采用双臂 串并联型不平衡电桥。其电路图参见图4-3



扩散式是在主气路的上部设测量室，待测气体经 扩散作用进入测量室，受气体流量影响小，适用 于容易扩散的质量较轻的气体。 对流扩散式是在扩散式的基础上加支管形成分流， 以减少滞后。气体流过热导池既有对流，又有扩 散，并能避免气体在扩散室内的滞留，保证样气 有一定流速，对流量、压力变化不敏感，滞后时 间由于扩散式。 几种方式相比较，对流扩散式的热导池结构形式 相对应用较多。
4.2.3热导式气体分析器的主要性能指标
（以南分热导产品的主要技术指标为例） 1）分析对象：H2/SO2/Ar/CO2/NH3等 2）测量范围： 最小测量范围：0-0.5% H2 35-75% H2 50-80% H2 20-50% H2 0-2% H2 0-10% H2 0-15% H2 0-25% H2 60-100% H2 70-100% H2 90-100% H2 95-100% H2 98-100% H2 0-15% SO2 0-15% Ar（O2 中Ar）80-100% Ar 0-10% CO2 0-20% CO2 0-50% CO2 0-15% NH3 0-20% NH3