Método de detecção de condutividade térmica (TCD)

Índice

• O que é o método do detector de condutividade térmica (TCD)?
• Estrutura e princípios de funcionamento de um analisador de gases utilizando TCD
• Estrutura e princípio de funcionamento de um analisador de gás hidrogênio (H₂)
• Redução dos fatores que influenciam a medição
• Produtos relacionados

Os analisadores de gás que utilizam TCD detectam alterações na condutividade térmica de uma amostra de gás usando um sensor de fio térmico (sensor térmico) para medir a concentração do gás. O sensor térmico detecta as alterações na condutividade térmica do gás como alterações na resistência elétrica. Para realizar essa detecção com alta precisão, utiliza-se um circuito em ponte que combina quatro sensores térmicos. (Figura 1: Circuito em ponte do TCD)

Figura 1: Estrutura básica (circuito em ponte) e princípio de funcionamento de um analisador de gases utilizando TCD

O circuito de ponte do TCD apresenta quatro sensores térmicos (resistências elétricas) com especificações idênticas, integrados ao detector. Dois desses sensores estão localizados em cada uma das duas células de amostra, enquanto os dois restantes estão localizados nas duas células de referência. Essa configuração forma um circuito elétrico composto por duas resistências que variam de forma idêntica dentro das células de amostra e duas resistências que permanecem constantes dentro das células de referência.

A tensão da ponte ("E" na Figura 1) e a tensão de saída ("V" na Figura 1) medidas por uma função no circuito da ponte estão, na verdade, localizadas na seção de processamento de sinal.

À medida que a concentração do gás da amostra aspirado para a célula de amostra flutua, a condutividade térmica do gás na célula muda correspondentemente. Consequentemente, a temperatura da superfície do sensor térmico dentro da célula também é afetada. A variação de temperatura em um sensor térmico é detectada como uma variação na resistência elétrica. Como a célula de referência é preenchida com nitrogênio (_N₂), a resistência elétrica detectada na célula de referência é sempre constante. Combinando essas quatro resistências elétricas e o processamento do sinal, a variação na concentração do gás da amostra é detectada como uma variação na tensão de saída do circuito de ponte ("V" na Figura 1). Sob certas condições, essa tensão de saída é proporcional à concentração do gás altamente condutor de calor na amostra, portanto, medir a tensão de saída do circuito de ponte mede a concentração do gás altamente condutor de calor.

Estrutura e princípio de funcionamento de um analisador de gás hidrogênio (_H₂)

O hidrogênio (H₂) possui a maior condutividade térmica entre todos os gases, portanto o detector de condutividade térmica (TCD) pode ser usado para medir a concentração de hidrogênio com alta precisão. (Tabela 1: Condutividade térmica dos gases)　
Esta seção descreve o analisador de gás hidrogênio (H₂), que utiliza um detector de condutividade térmica (TCD) para medir o hidrogênio como um componente analisado na amostra de gás.

A Figura 2 mostra um exemplo da estrutura de um detector para um analisador de gás hidrogênio usando TCD. Dois conjuntos de células de amostra e de referência são incorporados em um detector de aço inoxidável. Cada célula incorpora um sensor térmico (resistência elétrica).

Figura 2: Estrutura e princípio de funcionamento do detector do analisador de gás hidrogênio (_H₂).

A amostra de gás é aspirada para duas células de amostra, e difunde-se dentro de cada uma delas, causando alterações na condutividade térmica. Por exemplo, o hidrogênio possui a maior condutividade térmica; portanto, à medida que a concentração de hidrogênio na amostra de gás diminui e a concentração de outros gases aumenta, a condutividade térmica geral da amostra diminui. Essa alteração na condutividade térmica da célula de amostra modifica a temperatura da superfície do sensor térmico, resultando em uma alteração em sua resistência elétrica.

Como duas células de referência são preenchidas com nitrogênio (N₂), as condutividades térmicas nessas células são constantes, portanto, as resistências elétricas dos sensores térmicos também são constantes. A tensão de saída do circuito em ponte, composto por essas quatro resistências elétricas, é detectada pelo processamento de sinal. Sob certas condições, essa tensão de saída é proporcional à concentração de hidrogênio no gás da amostra, permitindo a medição da concentração de hidrogênio.

Redução da influência da variação de temperatura no detector

A condutividade térmica do gás é influenciada pela temperatura. Sob a mesma pressão, a condutividade térmica aumenta com o aumento da temperatura do gás. Portanto, variações de temperatura nas superfícies internas das células de amostra e de referência influenciarão a medição. Para minimizar essa influência, o controle de temperatura, que garante que as temperaturas das superfícies internas das células de amostra e de referência sejam constantes e com alta precisão, é crucial para os analisadores TCD.

Redução da influência da variação da vazão de gás na célula de amostra

A variação na vazão do gás da amostra em contato com a superfície do sensor térmico influencia a medição. A resistência elétrica do sensor térmico diminui quando a vazão é alta e aumenta quando é baixa. Para reduzir a influência dessa vazão, a introdução e a descarga do gás da amostra na célula de amostra, bem como o volume da célula, são otimizados para garantir que o gás da amostra se difunda constantemente na célula a uma vazão adequada.