ADEV便攜式熱導氫氣分析儀與GE XMTC工作原理如何校準
6.1 氣體的熱導率
熱導式氣體分析器是根據(jù)各種物質(zhì)導熱性能的不同，通過測量混合氣體熱導率的變化來分析氣體組成的儀器。眾所周知，熱量傳遞的基本方式有三種，即熱對流、熱輻射和熱傳導。在熱導式氣體分析器中，充分利用由熱導形成的熱量交換，而盡可能抑制熱對流、熱輻射造成的熱量損失。
產(chǎn)品：微量氧分析儀,藥品殘氧儀,露點儀,熱導氣體分析儀,GE流量計,OX-1氧傳感器,頂空分析儀,紅外氣體分析儀,高溫濕度儀,西門子U23分析儀,ppb微量水分析儀,OXY.IQ氧分析儀,煙氣濕度儀,燃氣熱值儀,Kaye溫度驗證儀,L&W白度,儀激光氧分析儀,壓縮空氣露點儀,干燥機露點儀,激光氣體分析儀,便攜式露點儀,便攜式微量氧分析儀，F(xiàn)ei （維修中心，代表處，總代理，分公司，子公司，售后中心，銷售中心，上海辦，辦事處在哪里）
6.1.1 氣體的熱導率
熱導率表示物質(zhì)的導熱能力，物質(zhì)傳導熱量的關系可用傅里葉定律來描述。如圖6-1所示，在某物質(zhì)內(nèi)部存在溫差，設溫度沿ox方向逐漸降低。在ox方向取兩點a、b，其間距為△x。 Ta、Tb分別為a、b兩點的溫度，把沿ox方向的溫度的變化率叫做a點沿ox方向的溫度梯度，在a、b之間與ox垂直方向取一個小面積△s，通過實驗可知，在△t時間內(nèi)，從高溫處a點通過小面積△s的傳熱量，與時間△t和溫度梯度△T/△x成正比，同時還與物質(zhì)的性質(zhì)有關系。用方程式表示為：ADEV便攜式熱導氫氣分析儀與GE XMTC工作原理如何校準
式（6-1）表示傳熱量與有關參數(shù)的關系，這個關系稱為傅里葉定律。式中的負號表示熱量向著溫度降低的方向傳遞，比例系數(shù)λ叫做傳熱介質(zhì)的熱導率（也稱導熱系數(shù)）。
熱導率是物質(zhì)的重要物理性質(zhì)之一，它表征物質(zhì)傳導熱量的能力。不同的物質(zhì)其熱導率也不同，而且隨其組分、壓強、密度、溫度和濕度的變化而變化。
由式（6-1）可得：
6.1.2 氣體的相對熱導率
氣體熱導率的值很小，而且基本在同一數(shù)量級內(nèi)，彼此相差并不十分懸殊，因此工程上通常采用“相對熱導率”這一概念。所謂相對熱導率（也稱相對導熱系數(shù)），是指各種氣體的熱導率與相同條件下空氣熱導率的比值。如果用λ0、λA0分別表示在0℃時某氣體和空氣的熱導率，則λ0/λA0就表示該氣體在0℃時的相對熱導率，λ100/λA100則表示該氣體在100℃時的相對熱導率。ADEV便攜式熱導氫氣分析儀與GE XMTC工作原理如何校準
6.1.3 氣體的熱導率與溫度、壓力之間的關系
氣體的熱導率隨溫度的變化而變化，其關系式為：
λt＝λ0﹙1 +βt﹚
式中λt——t(℃) 時氣體的熱導率；
λ0——0℃時氣體的熱導率；
β——熱導率的溫度系數(shù)；
t——氣體的溫度，℃。
氣體的熱導率也隨壓力的變化而變化，因為氣體在不同壓力下密度也不同，必然導致熱導率不同，不過在常壓或壓力變化不大時，熱導率的變化并不明顯。
常見氣體的熱導率、相對熱導率及熱導率的溫度系數(shù)見表6-1。
6.1.4 混合氣體的熱導率
混合氣體中除待測組分以外的所有組分統(tǒng)稱為背景氣，背景氣中對分析有影響的組分叫做干擾組分。
設混合氣體中各組分的體積分數(shù)分別為C1、C2、C3、…、Cn，熱導率分別為λ1、λ2、λ3、…、λn，待測組分的含量和熱導率為C1、λ1。則必須滿足以下兩個條件，才能用熱導式分析器進行測量.
① 背景氣各組分的熱導率必須近似相等或十分接近。即
λ2≈λ3≈λ4…≈λn
② 待測組分的熱導率與背景氣組分的熱導率有明顯差異，而且差異越大越好，即
λ1》λ2或λ1《λ2
滿足上述兩個條件時：
式中λ——混合氣體的熱導率；
λi——混合氣體中第i種組分的熱導率；
Ci——混合氣體中第i種組分的體積分數(shù)。
式（6-5）說明，測得混合氣體的熱導率λ，就可以求得待測組分的含量C1。
6.2 儀器組成和工作原理
熱導式氣體分析器的組成可劃分為熱導檢測器和電路兩大部分。熱導檢測器（習慣上稱為發(fā)送器）由熱導池和測量電橋構成，熱導池作為測量電橋的橋臂連接在橋路中，所以兩者是密不可分的。電路部分包括穩(wěn)壓電源、恒溫控制器、信號放大電路、線性化電路和輸出電路等。ADEV便攜式熱導氫氣分析儀與GE XMTC工作原理如何校準
6.2.1 熱導池的工作原理
由于氣體的熱導率很小，它的變化量則更小，所以很難用直接的方法準確測量出來。熱導池采用間接的方法，把混合氣體熱導率的變化轉(zhuǎn)化為熱敏元件電阻值的變化，而電阻值的變化時比較容易測量出來的。
圖6-2為熱導池工作原理示意，把一根電阻率較大的而且溫度系數(shù)也較大的電阻絲，張緊懸吊在一個熱導性能良好的圓筒形金屬殼體的中心，在殼體的兩端有氣體的進出口，圓筒內(nèi)充滿待測氣體，電阻絲上通以恒定的電流加熱。
由于電阻絲通過的電流是恒定的，電阻上單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量也是定值。當待測樣品氣體以緩慢的速度通過池室時，電阻絲上的熱大量將會由氣體以熱傳導的方式傳給池壁。當氣體的傳熱速率與電流在電阻絲上的發(fā)熱率相等時（這種狀態(tài)稱為熱平衡），電阻絲的溫度就會穩(wěn)定在某一個數(shù)值上，這個平衡溫度決定了電阻絲的阻值。如果混合氣體中待測組分的濃度發(fā)生變化，混合氣體的熱導率也隨之變化，氣體的導熱速率和電阻絲的平衡溫度也將隨之變化，zui終導致電阻絲的阻值產(chǎn)生相應變化，從而實現(xiàn)了氣體熱導率與電阻絲阻值之間變化量的轉(zhuǎn)換。
電阻絲通常稱為熱絲，熱絲的阻值與混合氣體熱導率之間的關系由下式給出（推導從略）
式中 Rn，R0——熱絲在tn（℃）（熱平衡時熱絲溫度）和0℃時的電阻值；
a——熱絲的電阻溫度系數(shù)；
tc——熱導池氣室壁溫度；
I——流過熱絲的電流；
λ——混合氣體的熱導率；
K——儀表常數(shù)，它是與熱導池結(jié)構有關的一個常數(shù)。
式（6-6）表明，當K、tc、I恒定時，Rn與λ為單值函數(shù)關系。
熱絲材料多用鉑絲（或鉑銥絲），鉑絲抗腐蝕能力較強，電阻溫度系數(shù)較大，而且穩(wěn)定性高。鉑絲可以裸露，與樣氣直接接觸，以提高分析的響應速度。但鉑絲在還原性氣體中容易被侵蝕而變質(zhì)，引起阻值的變化，在某些情況下還會起催化劑的作用，為此通常用玻璃膜覆蓋在鉑絲表面。覆蓋玻璃膜的熱敏元件具有強抗蝕性（可測氯氣中的氫）和便于清洗的優(yōu)點，但由于玻璃膜的存在，使氣體與鉑絲之間達到熱平衡的時間延遲了，所以其動態(tài)特性稍差。
制造熱導池體的材料多采用銅。為防止氣體的腐蝕作用，可在熱導池的內(nèi)壁和氣路內(nèi)鍍一層金或鎳，也可以用不銹鋼來制作。
6.2.2 熱導池的結(jié)構形成
熱導池的結(jié)構形式有直通式、對流式、擴散式、對流擴散式等多種，如圖6-3所示。ADEV便攜式熱導氫氣分析儀工作原理如何校準
（1） 直通式
測量室與主氣路并列，把主氣路的氣體分流一部分到測量室。這種結(jié)構反應速度快、滯后小，但容易受氣體流量波動的影響。
（2） 對流式
測量室與主氣路進口并聯(lián)相通，一小部分待測氣體進入測量室（循環(huán)管）。氣體在循環(huán)管內(nèi)受熱后造成熱對流，推動氣體按箭頭方向從循環(huán)管下部回到主氣路。優(yōu)點是氣體流量波動對測量影響不大，但它的反應速度慢，滯后大。
（3） 擴散式
在主氣路上部設置測量室，待測氣體經(jīng)擴散作用進入測量室。這種結(jié)構的優(yōu)點受氣體流量波動影響小，適合于容易擴散的質(zhì)量較輕的氣體，但對擴散系數(shù)較小的氣體滯后較大。ADEV便攜式熱導氫氣分析儀與GE XMTC工作原理如何校準
（4） 對流擴散式
在擴散式的基礎上加支管形成分流，以減少滯后。當樣氣從主氣路中流過時，一部分氣體以擴散方式進入測量室中，被電阻絲加熱，形成上升的氣流。由于節(jié)流孔的限制，僅有一部分氣流經(jīng)過節(jié)流孔進入支管中，被冷卻后向下方移動，zui后排入主氣路中。氣體流過熱導池的動力既有對流作用，也有擴散作用，故稱為對流擴散式。這種結(jié)構既不會產(chǎn)生氣體倒流現(xiàn)象，也避免了氣體在擴散室內(nèi)的囤積，從而保證樣氣有一定的流速。這種熱導池對樣氣的壓力、流量變化不敏感，而且滯后時間比擴散式要短。由于具有上述優(yōu)點，對流擴散式熱導池得到廣泛應用。
6.2.3 測量電橋
從上面的介紹可知，熱導池的作用是把混合氣體中待測組成分濃度的變化轉(zhuǎn)換成電阻絲阻值的變化，應用電橋測量電阻十分方便，而且靈敏度和精度都比較高，所以各種型號的中幾乎都采用電橋作為測量環(huán)節(jié)。
在測量電橋中，為了減少橋路電流波動或外界條件變化的影響，通常設置有測量橋臂和參比橋臂，測量臂是樣品氣流通的熱導池，參比臂是封裝參比氣（或通參比氣）的熱導池，兩者結(jié)構尺寸完全相同。參比臂置于測量臂相鄰的橋臂上，其作用如下。
① 測量臂通過對流和輻射作用散失的熱量與參比臂相差無幾，兩者相互抵消，則熱絲阻值變化主要取決于熱傳導，即氣體導熱能力的變化。
② 當環(huán)境溫度變化引起熱導池臂溫度變化時，參比臂與測量臂同向變化，相互抵消，有利于消弱環(huán)境溫度變化對測量結(jié)果的影響。
③ 改變參比氣濃度，電橋檢測的下限濃度也隨之改變，便于改變儀器的測量范圍。
在電橋的結(jié)構和橋臂配置方式上，有單臂串聯(lián)型不平衡電橋、單臂并聯(lián)型不平衡電橋、雙臂串并聯(lián)型不平衡電橋等幾種形式。圖6-4是目前普遍采用的雙臂串并聯(lián)型不平衡電橋的結(jié)構，它采用了兩個測量熱導池和兩個參比熱導池，圖中的Rm是測量臂電阻，Rs是參比臂電阻，兩個測量臂和兩個參比臂相互間隔設置，形成雙臂串聯(lián)結(jié)構，樣氣依次串聯(lián)流經(jīng)兩個熱導池。
初始狀態(tài)下電橋的輸出為：
上式是△Rm與△Uo之間的關系式，也是這種電橋的測量靈敏度表達式，與同一結(jié)構的單臂電橋相比，其測量靈敏度提高了一倍。
圖6-5是雙臂串并聯(lián)型不平衡電橋中使用的一種組合式熱導池，有兩個測量熱導池和兩個參比熱導池，其引線分別接入測量電橋的四個臂中，每個熱導池均采用對流擴散式結(jié)構。
四個熱導池用一塊導熱性能良好的金屬材料制成一個整體，這樣一來，測量池和參比池的池壁溫度就會處在同一溫度下，而且當環(huán)境溫度變化時，對四個池壁的影響也是等同的，從而使測量誤差減少。在測量精度高要求的場合，可采用恒溫控制裝置，使整個熱導池的池體溫度保持恒定。
6.2.4 熱導檢測器的技術進步
上面介紹的屬于傳統(tǒng)的熱導檢測器，熱導池的內(nèi)部容積是毫升級的，測量下限一般在100ppm數(shù)量級。隨著傳感器技術的進步，目前國外生產(chǎn)的、熱導式氣相色譜儀中，已開始采用微型的熱導檢測器，其熱導池的容積式微升級的，熱敏元件也是微型的，從而大大提高了檢查的靈敏度，測量下限可達到10ppm數(shù)量級，甚至1ppm數(shù)量級，如圖6-6所示，這種薄膜電阻是在硅片上用超微技術光刻上很細的鉑絲制成的，從圖中可以看出，這種熱導池的結(jié)構形成是擴散式的。
6.2.5 整機電路
以CI2000-RQD型熱導式氫分析器為典型代表，其電路在不少書籍、教材中個已作過介紹，此處昶艾電子公司生產(chǎn)的CI2000-RQD型熱導式氫分析器為例，簡要介紹一下的整機電路。
CI2000-RQD的電路中采用了微處理器和數(shù)字處理技術，其整機電路見圖6-7。圖中的熱導池結(jié)構屬于對流擴散式，測量橋路電源使用電流源電路。惠斯通電橋的測量信號被送往可由軟件調(diào)控的放大器進行放大并經(jīng)過-巴特沃斯低通濾波器濾波，然后由微處理器控制進行A/D轉(zhuǎn)換，再利用軟件對轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化處理，包括濾波、線性處理、標度變換、誤差運算以及溫度壓力等影響量的補償?shù)龋瑉ui后將其輸出。
6.2.6 適用場合
是測量（熱導率相差甚大的）兩種混合氣體中某一組分的有效方法。主要用于測量H2，也常用于測量CO2、SO2、Ar的含量，適用范圍較為廣泛。下面列舉部分典型的應用場合：
l 氨廠合成氣中H2含量測量；
l 加氫裝置中H2純度測量；
l 爐窖燃燒煙道氣中CO2含量測量；
l 硫酸及磷肥生產(chǎn)流程中SO2含量測量；
l 空氣分離裝置中的Ar含量測量；
l 電解水制氫、氧過程中**2中O2和純O2中H2的測量；
l 氯氣生產(chǎn)流程中Cl2中H2的測量；
l 碳氫化合物氣體中H2含量測量。
l 氫冷發(fā)電機組中H2、CO2含量的監(jiān)測
l 純氣體生產(chǎn)中的監(jiān)測，如N2中的He、O2中的Ar等。
6.3 測量誤差分析
是一種選擇性較差的分析儀器，盡管在儀器的設計及制造中采取了種種措施，又規(guī)定了使用條件，在一定程度上抑制或消弱了某些干擾因素的影響，但其基本誤差一般都在±2%左右。究其原因，主要是由于背景氣組分對分析結(jié)果的影響。
工業(yè)氣相色譜儀的熱導檢測器和的檢測器完全相同，但測量精度元高于后者，其原因 被測樣品通過色譜柱分離后，進入熱導池的僅是單一組分和載氣的二元混合氣體，而在中就難以做到這一點，背景氣體往往是多元氣體的混合物，它們對樣氣的導熱性能會產(chǎn)生不同程度的影響，當背景氣的組成變動時，其影響就更大。
的測量誤差由基本誤差和附加誤差兩部分組成，基本誤差是由其測量原理、結(jié)構特點、各環(huán)節(jié)的信號轉(zhuǎn)換精度及顯示儀表精度等條件決定的。即分析器在規(guī)定條件下工作時所產(chǎn)生的誤差。而附加誤差是由于對儀器的調(diào)整、使用不當或外界條件變化帶來的誤差。產(chǎn)生附加誤差的主要因素是：標準氣的組成和精度；干擾組分、灰塵和液滴的存在；樣氣的壓力、流量、溫度的變化；電橋工作電流的變化等。
6.3.1 標準氣的組成和精度的影響
同其他一些分析儀器一樣，需要定期用標準氣進行校準，不同之處是，對標準氣的要求更高一些。原則上說，標準氣中背景氣的組成和含量應和被測氣體一致，這一點實際上難以做到，但應保證標準氣中背景氣的熱導率與被測氣體背景氣的熱導率相一致，否則要對校準結(jié)果進行修正。此外，要保證標準氣的準確度，其誤差不得大于儀器基本誤差的一半。
6.3.2 樣氣中存在干擾組分時的影響
樣氣中存在干擾組分是產(chǎn)生附加誤差的重要因素。如用熱導式二氧化碳分析器分析煙道氣中的CO2含量時，煙氣中的SO2就是干擾組分，它的熱導率是CO2熱導率的1/2，如果煙氣中含1%的SO2，將會使分析結(jié)果產(chǎn)生近2%的誤差。因而了解背景氣中存在的干擾組分及其對測量的影響是非常必要的，表6-2給出了被測氣體中含有10%干擾組分時對氫含量測量零點的影響。
當干擾氣體濃度不是10%時，使用上表中的數(shù)據(jù)依然可以得到近似的結(jié)果。即使干擾氣體濃度高達25%，該表數(shù)據(jù)依然有效。出了零點，線性偏差也會受到干擾氣體的影響，因為大部分氣體的熱導率是非線性變化的。但是，對于絕大多數(shù)氣體而言，當其濃度較低時，這種影響幾乎是可以忽略的。
實際工作中，可參考表6-2來修正干擾氣體對測量結(jié)果的影響。當干擾組分含量很少時，也可以采用一定的裝置或化學試劑將干擾組分濾除掉。
6.3.3 樣氣中存在液滴和灰塵的影響
樣氣中若含有液滴，在熱導池內(nèi)蒸發(fā)將吸收大量的熱，對分析的影響很大。因此，要求樣氣的露點至少低于環(huán)境溫度5℃，否則要采取除濕排液措施。
樣氣中若含有灰塵或油污，通過熱導池時不僅沾污了電阻絲表面，也沾污了池壁，從而改變了熱導池的傳熱條件，也改變了儀器的特性。所以，樣氣進入儀器之前應充分過濾除塵。
6.3.4 樣氣流量、壓力、溫度變化的影響
不同類型的熱導池對樣氣的壓力和流量的穩(wěn)定性要求不同。樣氣壓力和流量的變化對于直通型、對流型及對流擴散型熱導池的分析器都有不同程度的影響。流量變化時，氣體從熱導池內(nèi)帶走的熱量要發(fā)生變化，氣體壓力變化也會使氣體帶走的熱量不穩(wěn)定，而且使對流傳熱不穩(wěn)定，而且使對流傳熱不穩(wěn)定，引起分析誤差。
樣氣溫度變化對熱導池的影響是顯而易見的，經(jīng)粗略計算，采用無溫控裝置的測量電橋分析CO2時，其含量每變化2%，儀表指示值將產(chǎn)生5%左右的相對誤差。所以，熱導式氣體分析儀器中均配有溫控系統(tǒng)，恒溫溫度一般在55~60℃，溫控精度均達到±0.1℃以上，有的可達±0.03℃。恒溫裝置有一定的功率限制，當環(huán)境溫度過高或過低，超過儀器規(guī)定的使用條件時，恒溫系統(tǒng)就會失去作用而引入附加誤差。所以，的檢測器一般都安裝在環(huán)境溫度變化不太大的分析小屋內(nèi)。
6.3.5 電橋工作電源穩(wěn)定性的影響
不平衡電橋的電源電壓是否穩(wěn)定對分析準確性影響甚大。一般來說，如要求分析精度達到±1%，則電橋橋流的穩(wěn)定性必須保持在±0.1%左右，所以，幾乎所有的熱導式分析器的電橋都采用穩(wěn)定性很高的穩(wěn)流（或穩(wěn)壓）電源。
6.4 **、維護和檢修
6.4.1 **
①分析器必須預熱至熱穩(wěn)定后再進行校準（注意：儀器必須在通氣的情況下預熱，否則會燒壞元件）。
②標準氣中背景氣的熱導率要與被測氣體背景氣的熱導率相一致，否則要進行修正。
③標準氣流速要等于工作時被測氣體的流速。
④ 手動校準時，應注意滿足儀器切換時間的要求，否則可能導致錯誤的校準結(jié)果。例如，零點校準時，接通零點氣后應等待1min再校準零點；零點校準完畢切換到量程校準，時間間隔約為1min，再加上量程校準也有1min的等待之間，故約有2min的時間間隔。這個時間延遲是考慮到氣路中氣流的充分置換及穩(wěn)定。
⑤ 需要準確校準時，要多校幾點。
6.4.2 常見故障及可能原因（見表6-3）
6.4.3 熱導池的檢修方法
熱導池時的心臟部件，作為橋臂的熱絲，尤其是裸絲，更是精細脆弱，極易受損，而且熱絲的安裝十分講究，其垂直度、偏心度稍有偏差，便會給測量精度帶來直接影響，因此，如無必要，不要輕易拆卸。熱導池檢修方法如下。
① 擰開測量臂和參比臂引線的固定螺釘，拆開引線，卸下固定熱絲的壓帽，輕輕提出熱絲。值得注意的是，對于封閉的參比氣室絕不可拆卸，否則會導致參比氣室中封入的氣體泄漏，儀表將無法使用。
② 用清潔、干燥的儀表空氣吹掃熱導池內(nèi)孔。如果污染嚴重，可用有機溶劑和無水酒精溶解清洗，再用儀表空氣吹干。
③ 用數(shù)字萬用表測量熱絲的阻值，其常溫下的阻值應與相關資料給出的數(shù)據(jù)相符，而且四個橋臂
的阻值要匹配，否則應更換熱絲。更換熱絲要保證四個橋臂的對稱性。
④ 對覆蓋玻璃膜的熱絲，可采用以上方法清潔，同時要檢查熱絲的玻璃膜有無龜裂，引線有無異常.更換老化的或有傷痕的橋臂密封O型圈。
⑤ 把清潔好的熱導池安裝復原，安裝時要確保熱絲對中、垂直。
⑥ 安裝好的熱導池要做嚴格的氣密性檢查，檢查方法是，給熱導池封入10kPa壓力，15min壓力降應不大于0.4kPa。
更多ADEV便攜式熱導氫氣分析儀與GE XMTC工作原理如何校準信息請直接致電埃登威上海021-55581219
