熱導(dǎo)氫氣分析儀和氫氣傳感器工作原理

由于氫氣在所有氣體中具有高的導(dǎo)熱系數(shù)，熱導(dǎo)氫氣分析儀和氫氣傳感器因此很常用導(dǎo)熱系數(shù)檢測技術(shù)對氫氣進(jìn)行分析。因?yàn)榱硪环N氣體不可能具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)，所以這種獨(dú)特的特性確保了分析過程中的高準(zhǔn)確率，并使確定樣品氣體混合物中是否存在氫氣成為一項(xiàng)相對簡單的任務(wù)。然而，當(dāng)涉及到測量氣體工藝氣體混合物中的氫氣時(shí)，當(dāng)與電化學(xué)傳感器或非色散紅外（NDIR）氣體分析儀結(jié)合分析樣品氣體混合物的其他特性時(shí)，熱導(dǎo)氣體分析儀是有益和很有效的。分析樣品氣體混合物中的氫氣對許多行業(yè)都很有用。氫氣分析可用于氫燃料電池生產(chǎn)、制造設(shè)備、煅燒爐、合成氣和許多其他通常使用氫氣的工業(yè)應(yīng)用。

熱導(dǎo)氫氣純度分析儀氫氣樣品越純凈，其導(dǎo)熱性就越好。未稀釋的氫氣比日?？諝飧朴趯?dǎo)熱，因此對于需要從某個(gè)區(qū)域去除多余熱量的應(yīng)用至關(guān)重要。即使純度有1%的微小變化，也會對電力行業(yè)發(fā)電機(jī)等應(yīng)用的效率產(chǎn)生指數(shù)級的影響。然而氫氣與空氣結(jié)合時(shí)的爆炸性對將其用作冷卻介質(zhì)提出了重大挑戰(zhàn)。如果暴露在點(diǎn)火源中，純氫氣即使被少量標(biāo)準(zhǔn)空氣污染也可能爆炸。然而，如果沒有污染，即使直接接觸明火，高純度氫氣也不會爆炸。氫氣純度分析儀確保發(fā)電機(jī)中使用的氫氣處于適當(dāng)?shù)奈聪♂尃顟B(tài)。

熱導(dǎo)氫氣分析儀和氫氣純度分析儀和氫氣傳感器工作原理份為兩種，即熱絲式熱導(dǎo)（hot-wire, filament TCD）和MEMS微機(jī)械系統(tǒng)熱導(dǎo)（MEMS-TCD）。微機(jī)械系統(tǒng)熱導(dǎo)（MEMS-TCD）熱導(dǎo)氫氣分析儀和氫氣傳感器具體細(xì)分為帶溫度和濕度補(bǔ)償?shù)牡凸暮图訜岷銣氐膬煞N類型。

熱導(dǎo)檢測器（TCD）自20世紀(jì)20年代以來一直用于化學(xué)工業(yè)，作為**個(gè)用于定量混合氣體成分的過程氣體分析儀。每種氣體都有一種獨(dú)特的導(dǎo)熱系數(shù)，由其摩爾質(zhì)量和粘度決定。該測量基于這樣的原理，即氣體混合物的導(dǎo)熱系數(shù)取決于其氣體成分的導(dǎo)熱系數(shù)及其在混合物中的分?jǐn)?shù)量。因此，氣體混合物中不同組分的濃度可以根據(jù)熱導(dǎo)率計(jì)算出來。氣體的熱導(dǎo)率隨溫度升高而升高，不同氣體隨溫度升高的斜率不同。根據(jù)要求，可以檢查是否應(yīng)該改變散熱器和/或熱源的溫度，以提高精度或避免交叉敏感效應(yīng)。交叉靈敏度是指測量對與被測成分不同的其他氣體的靈敏度。

與廣泛使用的紅外分析技術(shù)相比，TCD熱導(dǎo)率測量原理的主要優(yōu)點(diǎn)是它不限于具有長久偶極矩的氣體。它可以識別稀有氣體（He、Ar、Ne等）以及H2和N2等同核無紅外活性的氣體。此外，它堅(jiān)固耐用，成本效益高，使用壽命長。如果被分析氣體成分的熱導(dǎo)率變化很大，熱導(dǎo)率測量原理很有效。對于基于TC測量的分析，必須滿足以下條件之一：

?混合物僅包含兩種不同的氣體（二元混合物），例如N2中的CO2或N2中的H2。
?兩種或多種成分的導(dǎo)熱系數(shù)與測量氣體的導(dǎo)熱系數(shù)相似但不同，例如測量O2和N2混合物（準(zhǔn)二元混合物）中的H2或He
?混合物包含兩種以上的氣體，除兩種成分（或成分組）外，所有成分的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間保持不變。
?混合物包含兩種以上的氣體，其中除兩種成分外的所有成分的濃度都可以通過其他測量原理來確定（如FTC400中通過IR和TC傳感器信息的交叉靈敏度補(bǔ)償所采用的）。

黛爾特（北京）科技有限公司氫氣分析儀和氫氣傳感器工作原理基于的微機(jī)械熱導(dǎo)傳感器，它包含一個(gè)熱導(dǎo)率TC傳感器敏感元件，用于分析氣體混合物的定量成分。該測量基于熱源和散熱器之間的熱傳遞。測量氣體被引導(dǎo)通過一個(gè)不銹鋼塊，該不銹鋼塊保持在63℃的恒溫下（對于大多數(shù)應(yīng)用）。使用控制回路穩(wěn)定塊溫度-它充當(dāng)恒溫散熱器。帶有薄膜電阻器的微機(jī)械制造的加熱薄膜用作熱源?？刂苹芈穼⒓訜崮囟确€(wěn)定在135℃（適用于大多數(shù)應(yīng)用）。在加熱膜的上方和下方，硅中蝕刻出兩個(gè)小腔。這些腔通過擴(kuò)散填充測量氣體。與膜相對的表面與散熱器熱連接。通過在兩個(gè)相對表面之間保持恒定的溫度梯度，熱流僅取決于氣體混合物的熱導(dǎo)率。因此，保持膜溫度恒定所需的電壓是混合物導(dǎo)熱性的可靠指標(biāo)，可進(jìn)一步用于確定氣體混合物的成分。

黛爾特（北京）科技有限公司的MEMS熱導(dǎo)氫氣分析儀和氫氣傳感器敏感元件由一個(gè)硅芯片和一個(gè)約1mm2英寸的硅薄膜組成，具有**電絕緣和隔熱性能的材料的尺寸，薄膜中集成了兩個(gè)薄膜電阻器（Rm1、Rm2），用于加熱膜和測量其溫度Tm。電阻器以及氣體通道被鈍化以保護(hù)它們免受氣體的影響。薄膜完全被**個(gè)小硅芯片覆蓋，芯片上蝕刻有一個(gè)矩形腔。薄膜上方形成的中空空間是導(dǎo)熱部分。氣體僅通過擴(kuò)散而非流動通過膜蓋上的一個(gè)小橫向開口進(jìn)入測量部分。傳感器芯片及其蓋子附著在硅支架上，硅支架也允許氣體交換到膜的下側(cè)。傳感器通過金線鍵合電連接到8針基座（類似于TO8）。由于加熱膜周圍氣體的導(dǎo)熱系數(shù)l，熱能從保持在較高溫度Tm的膜中消散。測量的是溫度穩(wěn)定電路中保持膜DT的過高溫度恒定所需的信號。在芯片的實(shí)心部分上還有兩個(gè)電阻器（Rt1、Rt2），用于測量和補(bǔ)償環(huán)境溫度J的影響。

MEMS硅微機(jī)械氣體熱導(dǎo)傳感器特點(diǎn)

• 功耗低，溫度低
• 尺寸極小，時(shí)間常數(shù)短
• 測量非常小的氣體體積
• 通過擴(kuò)散進(jìn)**體交換，與流量無關(guān)
• 集成溫度補(bǔ)償電阻器
• TO8或TO5底座，防震

熱絲熱導(dǎo)傳感器（hot-wire, filament TCD）的工作原理

熱絲式熱導(dǎo)率氫氣分析儀中存在的熱導(dǎo)率氫氣傳感器通過評估被測樣品氣體與參考?xì)怏w的熱導(dǎo)率差異來工作。氫氣傳感器具有一個(gè)參考?xì)馐液鸵粋€(gè)測量氣室，每個(gè)氣室都包含一根細(xì)鉑絲，便于分析相應(yīng)的氣體。當(dāng)氣體的熱導(dǎo)率對腔室中的溫度變化做出反應(yīng)時(shí)，氣體的濃度會發(fā)生反應(yīng)，使氫氣分析儀和傳感器能夠測量這些變化，并將其報(bào)告為電阻的變化。

熱絲式熱導(dǎo)氣體傳感器是一個(gè)氣體熱導(dǎo)率比較器，它連續(xù)地將樣品氣體的熱導(dǎo)率與具有已知電導(dǎo)率的參考?xì)怏w的導(dǎo)熱率進(jìn)行比較。熱導(dǎo)率氣體傳感器包含兩個(gè)腔室，一個(gè)用于已知電導(dǎo)率的參考?xì)怏w，另一個(gè)用于樣品氣體。每個(gè)腔室都包含一對加熱的細(xì)絲。根據(jù)其導(dǎo)熱性，每種氣體都會從其腔室中的燈絲傳導(dǎo)一定量的熱量。見圖2（a）。熱細(xì)絲的電阻取決于它們的溫度。這些燈絲是惠斯通電橋電路兩條腿的一部分，如果兩條臂的電阻不匹配，則會不平衡。如果兩個(gè)腔室中氣體的熱導(dǎo)率不同，惠斯通電橋電路就會不平衡，導(dǎo)致電流在其檢測器電路中流動。根據(jù)參考?xì)怏w和樣品氣體的已知特性，該電流的量可以指示樣品氣體中雜質(zhì)的量，甚至指示氣體的類型。測量元件的溫度由復(fù)雜的控制電路調(diào)節(jié)到0.1°C以內(nèi)。溫度控制足夠**，可以在分析儀的工作范圍內(nèi)補(bǔ)償輸出中的晝夜效應(yīng)。（詳見附錄中的規(guī)格。）

參比氣體：需要一種固定成分的氣體作為比較樣品氣體的參考。通常選擇參考?xì)怏w來代表分析的主要背景氣體。對于大多數(shù)應(yīng)用，需要以與樣品相同的速率持續(xù)供應(yīng)參考?xì)怏w以獲得很佳結(jié)果。然而，在許多情況下，參考?xì)怏w的流量可以減緩到約0.08 scfh（40 cc/min），效果良好。
對于某些應(yīng)用，安裝了可選的密封空氣參考基準(zhǔn)。在密封的參考?xì)錃鈧鞲衅髦?，探測器單元的參考側(cè)充滿空氣并密封。這消除了讓參考?xì)怏w不斷通過電池的需要。對于配備可選密封空氣基準(zhǔn)的熱導(dǎo)氣體分析儀儀器，沒有參考?xì)怏w基準(zhǔn)入口或排氣口。強(qiáng)烈建議將同一氣瓶用于參考?xì)怏w和零氣體。壓力、流量和**考慮因素與上述樣品氣體的規(guī)定相同。

熱導(dǎo)率氫氣分析儀和氫氣傳感器通常與其他類型的分析儀和傳感器結(jié)合使用，以更有效地測量樣品。由于樣品中的每種氣體都會將其自身的導(dǎo)熱系數(shù)值貢獻(xiàn)給樣品的總值，因此必須將這些氣體（或被測的主要?dú)怏w）與其他氣體隔離開來，以確保盡可能準(zhǔn)確的讀數(shù)。在大多數(shù)行業(yè)中，氣體樣本將包含氧氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氫氣的一些變化。通過測量樣品中所有氣體（包括氫氣）的濃度，可以計(jì)算出由于其他氣體存在而導(dǎo)致的熱導(dǎo)率測量誤差，并從氫氣讀數(shù)中進(jìn)行調(diào)整，以獲得很好精度。