热导氢气分析仪和氢气传感器工作原理|黛尔特（北京）科技有限公司-ag捕鱼王官方网站

热导和工作原理

由于氢气在所有气体中具有高的导热系数，热导和因此很常用导热系数检测技术对氢气进行分析。因为另一种气体不可能具有更高的导热系数，所以这种独特的特性确保了分析过程中的高准确率，并使确定样品气体混合物中是否存在氢气成为一项相对简单的任务。然而，当涉及到测量气体工艺气体混合物中的氢气时，当与电化学传感器或非色散红外（ndir）气体分析仪结合分析样品气体混合物的其他特性时，热导气体分析仪是有益和很有效的。分析样品气体混合物中的氢气对许多行业都很有用。氢气分析可用于氢燃料电池生产、制造设备、煅烧炉、合成气和许多其他通常使用氢气的工业应用。

热导氢气样品越纯净，其导热性就越好。未稀释的氢气比日常空气更善于导热，因此对于需要从某个区域去除多余热量的应用至关重要。即使纯度有1%的微小变化，也会对电力行业发电机等应用的效率产生指数级的影响。然而氢气与空气结合时的爆炸性对将其用作冷却介质提出了重大挑战。如果暴露在点火源中，纯氢气即使被少量标准空气污染也可能爆炸。然而，如果没有污染，即使直接接触明火，高纯度氢气也不会爆炸。氢气纯度分析仪确保发电机中使用的氢气处于适当的未稀释状态。

热导氢气分析仪和氢气纯度分析仪和氢气传感器工作原理份为两种，即热丝式热导（hot-wire, filament tcd）和mems微机械系统热导（mems-tcd）。微机械系统热导（mems-tcd）热导氢气分析仪和氢气传感器具体细分为带温度和湿度补偿的低功耗和加热恒温的两种类型。

热导检测器（tcd）自20世纪20年代以来一直用于化学工业，作为**个用于定量混合气体成分的过程气体分析仪。每种气体都有一种独特的导热系数，由其摩尔质量和粘度决定。该测量基于这样的原理，即气体混合物的导热系数取决于其气体成分的导热系数及其在混合物中的分数量。因此，气体混合物中不同组分的浓度可以根据热导率计算出来。气体的热导率随温度升高而升高，不同气体随温度升高的斜率不同。根据要求，可以检查是否应该改变散热器和/或热源的温度，以提高精度或避免交叉敏感效应。交叉灵敏度是指测量对与被测成分不同的其他气体的灵敏度。

与广泛使用的红外分析技术相比，tcd热导率测量原理的主要优点是它不限于具有长久偶极矩的气体。它可以识别稀有气体（he、ar、ne等）以及h2和n2等同核无红外活性的气体。此外，它坚固耐用，成本效益高，使用寿命长。如果被分析气体成分的热导率变化很大，热导率测量原理很有效。对于基于tc测量的分析，必须满足以下条件之一：

•混合物仅包含两种不同的气体（二元混合物），例如n2中的co2或n2中的h2。
•两种或多种成分的导热系数与测量气体的导热系数相似但不同，例如测量o2和n2混合物（准二元混合物）中的h2或he
•混合物包含两种以上的气体，除两种成分（或成分组）外，所有成分的体积分数随时间保持不变。
•混合物包含两种以上的气体，其中除两种成分外的所有成分的浓度都可以通过其他测量原理来确定（如ftc400中通过ir和tc传感器信息的交叉灵敏度补偿所采用的）。

黛尔特（北京）科技有限公司和氢气传感器工作原理基于的微机械热导传感器，它包含一个热导率tc传感器敏感元件，用于分析气体混合物的定量成分。该测量基于热源和散热器之间的热传递。测量气体被引导通过一个不锈钢块，该不锈钢块保持在63℃的恒温下（对于大多数应用）。使用控制回路稳定块温度-它充当恒温散热器。带有薄膜电阻器的微机械制造的加热薄膜用作热源。控制回路将加热膜温度稳定在135℃（适用于大多数应用）。在加热膜的上方和下方，硅中蚀刻出两个小腔。这些腔通过扩散填充测量气体。与膜相对的表面与散热器热连接。通过在两个相对表面之间保持恒定的温度梯度，热流仅取决于气体混合物的热导率。因此，保持膜温度恒定所需的电压是混合物导热性的可靠指标，可进一步用于确定气体混合物的成分。

黛尔特（北京）科技有限公司的mems热导氢气分析仪和氢气传感器敏感元件由一个硅芯片和一个约1mm2英寸的硅薄膜组成，具有**电绝缘和隔热性能的材料的尺寸，薄膜中集成了两个薄膜电阻器（rm1、rm2），用于加热膜和测量其温度tm。电阻器以及气体通道被钝化以保护它们免受气体的影响。薄膜完全被**个小硅芯片覆盖，芯片上蚀刻有一个矩形腔。薄膜上方形成的中空空间是导热部分。气体仅通过扩散而非流动通过膜盖上的一个小横向开口进入测量部分。传感器芯片及其盖子附着在硅支架上，硅支架也允许气体交换到膜的下侧。传感器通过金线键合电连接到8针基座（类似于to8）。由于加热膜周围气体的导热系数l，热能从保持在较高温度tm的膜中消散。测量的是温度稳定电路中保持膜dt的过高温度恒定所需的信号。在芯片的实心部分上还有两个电阻器（rt1、rt2），用于测量和补偿环境温度j的影响。

mems硅微机械气体热导传感器特点

• 功耗低，温度低
• 尺寸极小，时间常数短
• 测量非常小的气体体积
• 通过扩散进**体交换，与流量无关
• 集成温度补偿电阻器
• to8或to5底座，防震

热丝热导传感器（hot-wire, filament tcd）的工作原理

热丝式热导率中存在的热导率氢气传感器通过评估被测样品气体与参考气体的热导率差异来工作。氢气传感器具有一个参考气室和一个测量气室，每个气室都包含一根细铂丝，便于分析相应的气体。当气体的热导率对腔室中的温度变化做出反应时，气体的浓度会发生反应，使氢气分析仪和传感器能够测量这些变化，并将其报告为电阻的变化。

热丝式热导气体传感器是一个气体热导率比较器，它连续地将样品气体的热导率与具有已知电导率的参考气体的导热率进行比较。热导率气体传感器包含两个腔室，一个用于已知电导率的参考气体，另一个用于样品气体。每个腔室都包含一对加热的细丝。根据其导热性，每种气体都会从其腔室中的灯丝传导一定量的热量。见图2（a）。热细丝的电阻取决于它们的温度。这些灯丝是惠斯通电桥电路两条腿的一部分，如果两条臂的电阻不匹配，则会不平衡。如果两个腔室中气体的热导率不同，惠斯通电桥电路就会不平衡，导致电流在其检测器电路中流动。根据参考气体和样品气体的已知特性，该电流的量可以指示样品气体中杂质的量，甚至指示气体的类型。测量元件的温度由复杂的控制电路调节到0.1°c以内。温度控制足够**，可以在分析仪的工作范围内补偿输出中的昼夜效应。（详见附录中的规格。）

参比气体：需要一种固定成分的气体作为比较样品气体的参考。通常选择参考气体来代表分析的主要背景气体。对于大多数应用，需要以与样品相同的速率持续供应参考气体以获得很佳结果。然而，在许多情况下，参考气体的流量可以减缓到约0.08 scfh（40 cc/min），效果良好。
对于某些应用，安装了可选的密封空气参考基准。在密封的参考氢气传感器中，探测器单元的参考侧充满空气并密封。这消除了让参考气体不断通过电池的需要。对于配备可选密封空气基准的热导气体分析仪仪器，没有参考气体基准入口或排气口。强烈建议将同一气瓶用于参考气体和零气体。压力、流量和**考虑因素与上述样品气体的规定相同。

热导率氢气分析仪和氢气传感器通常与其他类型的分析仪和传感器结合使用，以更有效地测量样品。由于样品中的每种气体都会将其自身的导热系数值贡献给样品的总值，因此必须将这些气体（或被测的主要气体）与其他气体隔离开来，以确保尽可能准确的读数。在大多数行业中，气体样本将包含氧气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氢气的一些变化。通过测量样品中所有气体（包括氢气）的浓度，可以计算出由于其他气体存在而导致的热导率测量误差，并从氢气读数中进行调整，以获得很好精度。