熱導(dǎo)氣體傳感器原理與應(yīng)用
我們回顧一下什么是氣體導(dǎo)熱性？導(dǎo)熱性是物質(zhì)一種導(dǎo)熱的能力。測(cè)量這種特性的傳感器將以某種方式檢測(cè)熱量通過(guò)物質(zhì)傳遞的程度。熱導(dǎo)率氣體傳感器是如何工作的？他們可能會(huì)使用加熱元件來(lái)測(cè)量溫度變化。傳感器有一個(gè)被加熱的元件，當(dāng)它暴露在氣體或液體中時(shí)，周?chē)橘|(zhì)的導(dǎo)熱性會(huì)影響被加熱元件的散熱速度。然后，溫度變化可以與介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)聯(lián)。但這到底是如何測(cè)量的？有不同的測(cè)量方法。一種常見(jiàn)的方法是使用惠斯通電橋電路。如果傳感器有電阻元件，其電阻會(huì)隨著溫度而變化。因此，通過(guò)使電流通過(guò)它，元件會(huì)變熱。當(dāng)周?chē)臍怏w或液體具有高導(dǎo)熱性時(shí)，它會(huì)帶走更多的熱量，導(dǎo)致元件的溫度下降很大，從而改變其電阻。橋式電路可以檢測(cè)到這種不平衡，并給出與氣體熱導(dǎo)率相關(guān)的讀數(shù)。我們還需要考慮的另一個(gè)因數(shù)就是導(dǎo)熱系數(shù)與溫度密切有關(guān)。熱導(dǎo)率氣體傳感器可能需要溫度補(bǔ)償或做恒溫系統(tǒng)。此外，不同類(lèi)型氣體的存在會(huì)影響讀數(shù)。例如，氫氣、氦氣、六氟化硫和甲烷的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣高得多，因此這些熱導(dǎo)率氣體傳感器用于氣體濃度檢測(cè)和分析應(yīng)用。
常見(jiàn)氣體在50℃時(shí)熱導(dǎo)率
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Gas氣體
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Formula分子式
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Temperature=50℃(122°F) in mW/(m.K)
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Commonly Used Gases普通常用氣體
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Hydrogen氫氣
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H2
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196.86
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Helium氦氣
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He
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163.55
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Methane甲烷
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CH4
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38.01
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Oxygen氧氣
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O2
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28.24
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Air空氣
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N2/O2/Ar
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27.64
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Nitrogen氮?dú)?/span>
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N2
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27.57
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Ethane乙烷
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C2H6
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24.63
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Argon氬氣
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Ar
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18.79
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Carbon-dioxide一氧化碳
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CO
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18.74
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Other gases for reference
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Ammonia氨氣
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NH3
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27.9
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Nitric-oxide一氧化氮
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NO
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27.57
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Acetylene乙炔
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C2H2
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24.15
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Ethylene乙烯
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C2H4
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23.86
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Propane丙烯
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C3H6
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21.39
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Water Vapour水蒸氣
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H2O
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20.34
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Butane丁烷
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C3H8
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19.39
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Hydrogen-sulphide硫化氫
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H2S
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15.97
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Hydrogen-chloride氯化氫
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HCL
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15.66
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Sulphur-hexafluoride六氟化硫
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SF6
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14.76
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Sulphur-dioxide二氧化硫
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SO2
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10.69
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熱導(dǎo)率氣體傳感器通過(guò)測(cè)量從加熱元件到周?chē)橘|(zhì)的熱傳遞來(lái)工作。核心原理涉及將介質(zhì)（氣體、液體或固體）的導(dǎo)熱性與電阻元件的溫度變化相關(guān)聯(lián)，電阻元件通常由具有高溫電阻系數(shù)的鉑或鎢等材料制成。
散熱測(cè)量：加熱元件保持恒定溫度或提供恒定電流。周?chē)橘|(zhì)的導(dǎo)熱性決定了元件散熱的效率。惠斯通電橋電路或熱電堆元件用于檢測(cè)由于溫度變化導(dǎo)致的元件電阻變化。介質(zhì)中更高的導(dǎo)熱性會(huì)導(dǎo)致更大的熱損失，降低元件的溫度和電阻，使電橋不平衡或熱電堆直接測(cè)量溫度。
溫度依賴性：氣體熱導(dǎo)率與溫度有關(guān)，需要溫度補(bǔ)償或恒溫系統(tǒng)。傳感器可以在受控環(huán)境中使用參考元件來(lái)減輕環(huán)境溫度的影響。
壓力和氣體成分：在真空中（如皮拉尼真空壓力計(jì)），減少的氣體分子會(huì)降低熱導(dǎo)率，從而提高與壓力相關(guān)的加熱元件的溫度。在較低的壓力（較高的真空度）下，傳導(dǎo)熱量的氣體分子較少，因此熱導(dǎo)率降低，可以推斷出真空壓力。
氣體混合物會(huì)改變熱導(dǎo)率；熱導(dǎo)率傳感器通常用于二元?dú)怏w混合物，因?yàn)楫?dāng)另一種成分已知時(shí)，更容易將熱導(dǎo)率與一種成分的濃度相關(guān)聯(lián)。二元混合物是濃度測(cè)量的理想選擇（例如空氣中的H?）。對(duì)于更復(fù)雜的混合物，可能需要額外的傳感器或方法。
熱導(dǎo)氣體傳感器原理應(yīng)用：
氣體濃度測(cè)量和分析：氫氣、氦氣和甲烷等高導(dǎo)熱性氣體很容易識(shí)別，可以測(cè)量準(zhǔn)確的氣體濃度。
氣相色譜法熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）比較載氣和樣品氣體的電導(dǎo)率，以識(shí)別洗脫化合物。
真空測(cè)量：皮拉尼真空計(jì)通過(guò)檢測(cè)熱導(dǎo)率隨壓力的變化來(lái)測(cè)量真空度（10?4至10 Torr）。
熱導(dǎo)率氣體傳感器缺點(diǎn)和注意事項(xiàng)：
復(fù)雜三元及以上混合物氣體濃度測(cè)量：多種氣體使讀數(shù)復(fù)雜；解決方案包括補(bǔ)充傳感器或特定混合物組分的校準(zhǔn)。
溫度靈敏度：需要做溫度補(bǔ)償或恒溫系統(tǒng)
材料和設(shè)計(jì)：加熱元件必須平衡時(shí)間響應(yīng)性（例如，薄膜厚度）和耐用性。
熱導(dǎo)率氣體傳感器是利用傳熱原理的多功能工具，適用于從工業(yè)安 全到科學(xué)分析的各種應(yīng)用。它們的有效性取決于準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)、溫度管理和對(duì)介質(zhì)特性的理解。
TCD-5880-P2RW是一款采用硅技術(shù)制造的熱導(dǎo)率氣體傳感器測(cè)量芯片。傳感器芯片由2.50 x 3.33 mm、0.3 mm厚的硅邊緣組成，其中形成了氮化硅膜。膜中心是一個(gè)微型加熱器，旁邊有一個(gè)熱電堆傳感器元件測(cè)量其溫度。該熱導(dǎo)率氣體傳感器敏感芯片芯片測(cè)量環(huán)境和膜中心之間的熱導(dǎo)率，這取決于幾個(gè)參數(shù)，如壓力、氣體類(lèi)型和膜上的材料沉積。這種對(duì)物理參數(shù)的依賴性使熱導(dǎo)率測(cè)量芯片能夠測(cè)量絕 對(duì)壓力、氣體類(lèi)型和氣體混合物成分等量。
TCD-5880-P2RW的標(biāo)準(zhǔn)外殼是一個(gè)TO-5 10針接頭，帶有一個(gè)直徑為5mm的帶過(guò)濾器的蓋子，其他外殼可應(yīng)要求提供。 在熱導(dǎo)率芯片旁邊的TO-5外殼上有一個(gè)B級(jí)Pt100鉑溫度傳感器。熱導(dǎo)率氣體傳感器芯片測(cè)量膜中心熱電堆熱結(jié)和芯片厚邊緣冷結(jié)之間的熱阻。這是通過(guò)使用加熱器電阻器Rheat加熱膜的中心來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由此產(chǎn)生的中心溫度升高由熱電堆測(cè)量。實(shí)際溫度升高取決于膜中心和環(huán)境之間的有效熱阻，這受到膜熱阻、環(huán)境氣體熱阻、任何存在的氣體流量和（通?？梢院雎圆挥?jì)）發(fā)射輻射等因素的影響。必須小心避免發(fā)生嚴(yán)重的輻射事故。
薄膜熱電堆真空傳感器的穩(wěn)定性和精度可與標(biāo)準(zhǔn)皮拉尼真空計(jì)相媲美。 傳感器標(biāo)準(zhǔn)安裝在TO-5集管中，但也有不同的外殼（如LCC-20和KF-16和KF-40真空法蘭中的封裝）。
