热导式气体分析仪器学习教案.pptx

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1、会计学1热导式气体分析仪器热导式气体分析仪器第一页，编辑于星期二：三点 十一分。8.2.1 基本原理基本原理n n对于多组分气体，由于组分含量不同，混合气体导热对于多组分气体，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，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。就可以实现气体组分的含量分析。n n根据传热学理论，在温场中的介质传导的热流量根据传热学理论，在温场中的介质传导的热流量 通过介质微元等温面传导的热流量，不仅与等温面处温度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。梯度有关，而

2、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。导热系数标志着物质的导热能力。上一页下一页返 回第1页/共24页第二页，编辑于星期二：三点 十一分。导热系数导热系数 n n对于不同的介质，导热系数的大小是不同的。对于不同的介质，导热系数的大小是不同的。n n固体和液体的导热系数较大，气体的导热系数较小。固体和液体的导热系数较大，气体的导热系数较小。n n气气体体的的导导热热系系数数通通常常与与温温度度有有关关。当当温温度度升升高高时时，分分子子运运动动加加剧剧，导导热热系系数数随随之之增增大大。导导热热系数与温度的关系可近似写成系数与温度的关系可近似写成介质导热系数的温度系数。介质导热

3、系数的温度系数。上一页下一页返 回第2页/共24页第三页，编辑于星期二：三点 十一分。表表表表8.2.1 8.2.1 常见气体相对导热系数及温度系数常见气体相对导热系数及温度系数常见气体相对导热系数及温度系数常见气体相对导热系数及温度系数气体名称相对导热系数（00C时）温度系数/0C-1（01000C）空气1.0000.00253氢7.1300.00261氖1.9910.00256氧1.0150.00303氮0.9980.00264一氧化碳0.9640.00262氨0.897-氩0.6850.00311氧化亚氮0.646-二氧化碳0.6140.00495硫化氢0.538-二氧化硫0.344-氯

4、0.322-甲烷1.3180.00655乙烷0.8070.00583乙烯0.7350.00763二乙醚0.5430.00700丙酮0.4060.00720汽油0.3700.00980二氯甲烷0.2730.00530水蒸气0.973（1000C时）0.00455（1000C时）上一页下一页返 回第3页/共24页第四页，编辑于星期二：三点 十一分。混合气体的导热系数混合气体的导热系数n n由由所所含含组组分分气气体体的的导导热热系系数数共共同同决决定定的的。对对于于彼彼此此之之间间无无相相互互作作用用的的多多组组分分气气体体，其其导导热热系系数数可可近近似似地地认认为为是是各各组组分分导导热热系系

5、数数按组成含量的加权平均值，即按组成含量的加权平均值，即根据混合气体导热系数与各组分导热系数之间的关系，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。就可以实现多组分气体的含量分析。上一页下一页返 回第4页/共24页第五页，编辑于星期二：三点 十一分。严严格格地地讲讲，热热导导式式气气体体成成分分分分析析仪仪只只能能解解决决双双组组分分气气体体的含量分析，此时式（的含量分析，此时式（8.2.38.2.3）的具体形式为：）的具体形式为：由于由于C1+C2=100%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只要测出混合气体的导热系数，就可以根据两组分的

6、导热系数求得待测组分的含量。求得待测组分的含量。对上式微分，可得对上式微分，可得 仪器的灵敏度与两个组分导热系数之差成正比，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。即两组分导热系数相差越大，仪器的灵敏度就越高。上一页下一页返 回第5页/共24页第六页，编辑于星期二：三点 十一分。对于烟气和大多数多组分混合气体，各组分之间对于烟气和大多数多组分混合气体，各组分之间满足：满足：（1 1）除除待待分分析析的的组组分分外外，其其余余组组分分的的导导热热系系数数相相等等或或接接近近，即即接接近近的的程程度度越越高高，仪仪器器的的测测量量精精度度越越高高。若

7、若个个别别气气体体的的值值与与其其它它背背景景气气体体的的值值相相差差较较远远时时，则被视为干扰成分，在分析之前要去掉。则被视为干扰成分，在分析之前要去掉。（2 2）待待分分析析组组分分与与其其余余组组分分的的导导热热系系数数相相差差很很大大，以保证仪器有较高的灵敏度。以保证仪器有较高的灵敏度。上一页下一页返 回第6页/共24页第七页，编辑于星期二：三点 十一分。8.2.2 热导池（检测器）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.热导池的结构上一页下一页返 回第7页/共24页第八页，编辑于星期二：三点 十一分。1.热导池的工作原理热导池的工作原理上一页下一页返 回热热导

8、导池池结结构构示示意意图图1-腔体；腔体；2-电阻丝；电阻丝；3-支承架；支承架；4-绝缘；绝缘；5-引线；引线；6-气体出口；气体出口；7-气体入口气体入口 第8页/共24页第九页，编辑于星期二：三点 十一分。当电阻元件通过电流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时，电阻吸收的功率将全部转换成热量 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。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。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，当通

9、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。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。热平衡时热导池内的温场为一系列同轴圆柱等温面。对于半径为对于半径为r的等温面，单位时间气体的导热量为的等温面，单位时间气体的导热量为上一页下一页返 回第9页/共24页第十页，编辑于星期二：三点 十一分。热平衡时各等温面的导热量相当，热

10、平衡时各等温面的导热量相当，dQ值与值与r无关，则式变为无关，则式变为 对于热导池壁，当对于热导池壁，当r=rc时，时，t=tc，代入上式可得积分常数，代入上式可得积分常数C为为式中，式中，rc热导池内壁半径。热导池内壁半径。式中，式中，0混合气体在混合气体在0时的导热系数；时的导热系数；混合气体导热系数的温度系数；混合气体导热系数的温度系数；上一页下一页返 回第10页/共24页第十一页，编辑于星期二：三点 十一分。假定电阻丝假定电阻丝r=rw表面处的温度表面处的温度t=tw 式中，式中，m混合气体的平均导热系数；混合气体的平均导热系数；K与热导池尺寸有关的常数，称为热导池常数。与热导池尺寸有

11、关的常数，称为热导池常数。电阻丝的阻值是温度的函数电阻丝的阻值是温度的函数 热导式气体分析仪热导池的特性方程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当电阻丝通过的电流I和热导池的壁面温度和热导池的壁面温度tc固定时，固定时，电阻丝的阻值只与分析气体的导热系数有关。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。测量电阻丝阻值，便可对多组分气体待测组分的含量分析。上一页下一页返 回第11页/共24页第十二页，编辑于星期二：三点 十一分。新型热导式分析仪新型热导式分析仪 硅传感器热导池原理图硅传感器热导池原理图上一页下一页返 回第12页/共2

12、4页第十三页，编辑于星期二：三点 十一分。2.影响热导池特性的因素影响热导池特性的因素（1）电阻丝的参数（2）工作电流（3）腔壁温度的影响（4）其它散热的影响上一页下一页返 回第13页/共24页第十四页，编辑于星期二：三点 十一分。（1）电阻丝的参数）电阻丝的参数n n由由式式（8.2.148.2.14）可可见见，电电阻阻丝丝的的初初始始电电阻阻R R0 0，电电阻阻丝丝材材料料的的电电阻阻温温度度系系数数的的数数值值及及其其稳稳定定性性，对对检检测测器器的的灵灵敏敏度和精度都有很大的影响。度和精度都有很大的影响。n n一般一般R R0 0的数值取大一些有利于灵敏度的提高。的数值取大一些有利于

13、灵敏度的提高。n n增大增大R R0 0的方法有两个：的方法有两个：n n增大电阻丝的长径比，n n选用电阻率大的材料。上一页下一页返 回第14页/共24页第十五页，编辑于星期二：三点 十一分。（2）工作电流）工作电流n n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。n n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。上一页下一页返 回第15页/共24页第十六页，编辑于星期二：三点 十一分。（3）腔壁温度的影响）腔壁温度的影响n n腔壁温度的变化会直接影响

14、测量精度。腔壁温度的变化会直接影响测量精度。n n解决的办法有两种，解决的办法有两种，n n采采用用差差值值法法（或或称称比比较较测测量量法法），它它是是在在同同一一块块金金属属中中加加工工两两个个参参数数完完全全一一致致的的热热导导池池，其其中中一一个个通通入入待待分分析析气气体体，作作为为工工作作热热导池；导池；n n通通过过（或或封封入入）组组分分固固定定的的参参比比气气体体，作作为为参参比比热热导导池池。由由于于两两个个热热导导池池经经受受大大体体相相同同的的环环境境温温度度影影响响，当当线线路路上上采采用用差差值值测测量量时时，二二者者所所受受温温度度的的影影响响可可以以相相互互抵抵

15、消消。这这种种方方法法比比较较简简单单，在在要要求求不不高高的的场场合合可可以以使使用用。另另一一种种方方法法是是采采用用恒恒温温法法，把把工工作作热热导导池池和和参参比比热热导导池池都都放放在在一一个个恒恒温温装装置置中中，使使两两者者经经受受的的环环境境温温度度完完全全一一致致，并并且且恒恒定定。很很明明显显，这这种种方方法法精精度度比比较高，但需要一套恒温装置，结构复杂，造价较高。较高，但需要一套恒温装置，结构复杂，造价较高。上一页下一页返 回第16页/共24页第十七页，编辑于星期二：三点 十一分。（4）其它散热的影响）其它散热的影响n n热导池内存在其它散热损失包括：（1）辐射散热。（

16、2）引线导热损失。（3）气体对流散热。（4）气体带走的热量。上一页下一页返 回第17页/共24页第十八页，编辑于星期二：三点 十一分。3.热导池的结构热导池的结构热导池的四种结构型式热导池的四种结构型式上一页下一页返 回第18页/共24页第十九页，编辑于星期二：三点 十一分。（2）电阻丝的结构及）电阻丝的结构及支撑方法支撑方法 上一页下一页返 回第19页/共24页第二十页，编辑于星期二：三点 十一分。8.2.3 测量电路测量电路n n被被测测气气体体浓浓度度的的变变化化，经经过过热热导导池池检检测测器器变变成成了了电电阻阻丝丝阻阻值值的的变变化化，阻阻值值的的变变化化可可采采用用电电桥桥来来进

17、进行行测测量。量。n n实际常用的测量电路有两种：实际常用的测量电路有两种：(1)直流单桥测量线路(2)交流双桥测量线路上一页下一页返 回第20页/共24页第二十一页，编辑于星期二：三点 十一分。(1)直流单桥测量线路直流单桥测量线路上一页下一页返 回稳稳压压器器供供电电的的直直流流单单桥桥测测量量线线路路第21页/共24页第二十二页，编辑于星期二：三点 十一分。(2)交流双桥测量线路交流双桥测量线路上一页下一页返 回第22页/共24页第二十三页，编辑于星期二：三点 十一分。8.2.4 热导式气体分析热导式气体分析仪的应用仪的应用n n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；n n测量范围宽，待测组分含量在0%100%测量范围内均可使用。上一页返 回第23页/共24页第二十四页，编辑于星期二：三点 十一分。