Wärmeleitfähigkeitsdetektormethode (TCD)

Inhaltsverzeichnis

• Was ist die Wärmeleitfähigkeitsdetektormethode (TCD)?
• Aufbau und Funktionsweise eines Gasanalysators mit TCD
• Aufbau und Funktionsprinzip eines Wasserstoff (H₂) Gasanalysators
• Reduzierung von Einflussfaktoren auf die Messung
• Verwandte Produkte

Gasanalysatoren mit TCD erkennen Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit eines Probengases mithilfe eines Thermodrahtsensors (Thermosensor), um die Konzentration des Probengases zu messen. Der Thermosensor erkennt Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit des Gases als Veränderungen des elektrischen Widerstandes. Um diese Erkennung mit hoher Genauigkeit durchzuführen, wird eine Brückenschaltung verwendet, die vier Thermosensoren kombiniert. (Abbildung 1: Brückenschaltung von TCD)

Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau (Brückenschaltung) und Funktionsprinzip eines Gasanalysators mit WLD

Die Brückenschaltung des TCD besteht aus vier in den Detektor integrierten Thermosensoren (elektrischen Widerständen) mit identischen Spezifikationen. Je zwei dieser Sensoren befinden sich in den beiden Probenzellen, die anderen beiden in den beiden Referenzzellen. Diese Konfiguration bildet einen elektrischen Schaltkreis aus zwei Widerständen, die innerhalb der Probenzellen identisch variieren, und zwei Widerständen, die innerhalb der Referenzzellen konstant bleiben.

Die Brückenspannung („E“ in Abbildung 1) und die Ausgangsspannung („V“ in Abbildung 1) werden durch eine Messfunktion in der Brückenschaltung tatsächlich im Signalverarbeitungsabschnitt ermittelt.

Da die Konzentration des in die Probenzelle angesaugten Messgases schwankt, ändert sich die Wärmeleitfähigkeit des Gases in der Zelle entsprechend. Folglich wird auch die Oberflächentemperatur des thermischen Sensors innerhalb der Zelle beeinflusst. Eine Änderung der Temperatur in einem thermischen Sensor wird als Änderung des elektrischen Widerstands erkannt. Da die Referenzzelle mit Stickstoff (N₂), ist der in der Referenzzelle erfasste elektrische Widerstand immer konstant. Durch die Kombination dieser vier elektrischen Widerstände und der Signalverarbeitung wird die Änderung der Konzentration des Messgases als Änderung der Ausgangsspannung der Brückenschaltung ("V" in Abbildung 1). Diese Ausgangsspannung ist unter bestimmten Bedingungen proportional zur Konzentration von hochwärmeleitendem Gas im Messgas und misst somit die Ausgangsspannung des Brückenstromkreises misst die Konzentration von hochwärmeleitfähigem Gas.

Aufbau und Funktionsprinzip eines Wasserstoff (H₂) Gasanalysators

Wasserstoff (H₂) hat die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Gase, so dass mit dem TCD die Konzentration von Wasserstoff mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann. (Tabelle 1: Wärmeleitfähigkeit von Gas)　
In diesem Abschnitt wird der Wasserstoff (_{H 2})-Gasanalysator beschrieben, der mit TCD Wasserstoff als gemessene Komponente im Messgas misst.

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für die Struktur eines Detektors für einen Wasserstoffgasanalysator mit TCD. Zwei Sätze von Proben- und Referenzzellen sind in einen Edelstahldetektor eingebaut. Jede Zelle enthält einen Wärmesensor (elektrischer Widerstand).

Abbildung 2: Aufbau und Funktionsprinzip des Detektors für Wasserstoff (H₂) Gasanalysator

Probengas wird in zwei Probenzellen gesaugt und diffundiert innerhalb jeder Probenzelle, was zu Änderungen der Wärmeleitfähigkeit führt. Wasserstoff hat beispielsweise die höchste Wärmeleitfähigkeit. Wenn also die Wasserstoffkonzentration im Probengas abnimmt und die Konzentration anderer Gase zunimmt, nimmt die Gesamtwärmeleitfähigkeit des Probengases ab. Diese Änderung der Wärmeleitfähigkeit der Probenzelle ändert die Oberflächentemperatur des Wärmesensors, was zu einer Änderung seines elektrischen Widerstands führt.

Da zwei Referenzzellen mit Stickstoff gefüllt sind (N₂), sind die Wärmeleitfähigkeiten in den Referenzzellen konstant, so dass die elektrischen Widerstände von thermischen Sensoren immer konstant sind. Die Ausgangsspannung der Brückenschaltung, die sich aus diesen vier elektrischen Widerständen zusammensetzt, wird von der Signalverarbeitung erfasst. Unter bestimmten Bedingungen ist diese Ausgangsspannung proportional zur Konzentration von Wasserstoff im Messgas, so dass die Konzentration von Wasserstoff gemessen werden kann.

Reduzierung des Einflusses der Temperaturänderung im Detektor

Die Wärmeleitfähigkeit des Gases wird durch die Temperatur beeinflusst. Bei gleichem Druck steigt die Wärmeleitfähigkeit mit steigender Temperatur des Gases. Daher beeinflussen Temperaturänderungen an den Innenflächen der Proben- und Referenzzellen die Messung. Um diesen Einfluss zu reduzieren, ist die Temperaturregelung, die sicherstellt, dass die Temperaturen der Innenflächen von Probenzelle und Referenzzelle mit hoher Genauigkeit konstant sind, für TCD-Analysatoren von entscheidender Bedeutung.

Reduzierung des Einflusses der sich ändernden Gasflussrate in die Probenzelle

Die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Probengases in Kontakt mit der Oberfläche des Thermosensors beeinflusst die Messung. Der elektrische Widerstand des Thermosensors nimmt bei hoher Strömungsgeschwindigkeit ab und bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit zu. Um den Einfluss dieser Strömungsgeschwindigkeit zu verringern, wird die Zufuhr und Abfuhr des Probengases in und aus der Probenzelle und dem Zellvolumen optimiert, um sicherzustellen, dass das Probengas konstant mit einer angemessenen Strömungsgeschwindigkeit in der Zelle verteilt wird.