Método de detección de conductividad térmica (TCD)

Tabla de contenido

• ¿Qué es el método de detección de conductividad térmica (TCD)?
• Estructura y principios de funcionamiento del analizador de gas que utiliza TCD
• Estructura y principio de funcionamiento de un analizador de gas hidrógeno (H₂)
• Reducción de factores que influyen en la medición
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Los analizadores de gas que utilizan TCD detectan cambios en la conductividad térmica de un gas de muestra utilizando un sensor de cable térmico (sensor térmico) para medir la concentración del gas de muestra. El sensor térmico detecta cambios en la conductividad térmica del gas como cambios en la resistencia eléctrica. Para realizar esta detección con alta precisión, se utiliza un circuito puente que combina cuatro sensores térmicos. (Figura 1: Circuito puente de TCD)

Figura 1: Estructura básica (circuito puente) y principio de funcionamiento de un analizador de gases mediante TCD

El circuito puente del TCD cuenta con cuatro sensores térmicos (resistencias eléctricas) con especificaciones idénticas integrados en el detector. Dos de estos sensores están situados en cada una de las dos celdas de muestra, mientras que los dos restantes están ubicados en las dos celdas de referencia. Esta configuración forma un circuito eléctrico que comprende dos resistencias que varían de manera idéntica dentro de las celdas de muestra y dos resistencias que permanecen constantes dentro de las celdas de referencia.

La tensión del puente ("E" en la Figura 1) y la tensión de salida ("V" en la Figura 1) mediante una función de medición en el circuito del puente se encuentran en realidad en la sección de procesamiento de señales.

A medida que fluctúa la concentración del gas de muestra aspirado a la celda de muestra, la conductividad térmica del gas en la celda cambia en consecuencia. En consecuencia, la temperatura de la superficie del sensor térmico dentro de la célula también se ve afectada. El cambio de temperatura en un sensor térmico se detecta como un cambio en la resistencia eléctrica. Dado que la celda de referencia está llena de nitrógeno (N₂), la resistencia eléctrica detectada en la celda de referencia es siempre constante. Al combinar estas cuatro resistencias eléctricas y el procesamiento de señales, el cambio en la concentración del gas de muestra se detecta como un cambio en el voltaje de salida del circuito puente ("V" en la Figura 1). Bajo ciertas condiciones, este voltaje de salida es proporcional a la concentración de gas altamente conductor térmico en el gas de muestra, midiendo así el voltaje de salida del circuito puente Mide la concentración de gas altamente conductor térmico.

Estructura y principio de funcionamiento de un analizador de gas hidrógeno (H₂)

El hidrógeno (H₂) tiene la conductividad térmica más alta de todos los gases, por lo que el TCD se puede utilizar para medir la concentración de hidrógeno con alta precisión. (Tabla 1: Conductividad térmica del gas)　
En esta sección se describe el analizador de gas hidrógeno (H₂), que utiliza TCD para medir el hidrógeno como componente medido en el gas de muestra.

La figura 2 muestra un ejemplo de la estructura de un detector para un analizador de gas hidrógeno que utiliza TCD. Dos conjuntos de celdas de muestra y de referencia están incorporados en un detector de acero inoxidable. Cada celda incorpora un sensor térmico (resistencia eléctrica).

Figura 2: Estructura y principio de funcionamiento del analizador de gas detector de hidrógeno (H₂)

El gas de muestra se introduce en dos celdas de muestra y se difunde dentro de cada una de ellas, lo que provoca cambios en la conductividad térmica. Por ejemplo, el hidrógeno tiene la conductividad térmica más alta, por lo que, a medida que la concentración de hidrógeno en el gas de muestra disminuye y la concentración de otros gases aumenta, la conductividad térmica general del gas de muestra disminuye. Este cambio en la conductividad térmica de la celda de muestra cambia la temperatura de la superficie del sensor térmico, lo que da como resultado un cambio en su resistencia eléctrica.

Dado que dos celdas de referencia están llenas de nitrógeno (N₂), las conductividades térmicas en las celdas de referencia son constantes, por lo que las resistencias eléctricas de los sensores térmicos son siempre constantes. El voltaje de salida del circuito puente compuesto por estas cuatro resistencias eléctricas es detectado por el procesamiento de señales. Bajo ciertas condiciones, este voltaje de salida es proporcional a la concentración de hidrógeno en el gas de muestra para que se pueda medir la concentración de hidrógeno.

Reducción de la influencia del cambio de temperatura en el detector

La conductividad térmica del gas se ve afectada por la temperatura. Bajo la misma presión, la conductividad térmica aumenta a medida que aumenta la temperatura del gas. Por lo tanto, los cambios de temperatura en las superficies internas de las celdas de muestra y de referencia influirán en la medición. Para reducir esta influencia, el control de temperatura, que garantiza que las temperaturas de las superficies internas de la celda de muestra y de referencia sean constantes con alta precisión, es fundamental para los analizadores TCD.

Reducción de la influencia del cambio de caudal de gas en la celda de muestra

El cambio en el caudal del gas de muestra en contacto con la superficie del sensor térmico influye en la medición. La resistencia eléctrica del sensor térmico disminuye cuando el caudal es rápido y aumenta cuando es lento. Para reducir la influencia de este caudal, se optimiza la introducción y descarga del gas de muestra dentro y fuera de la celda de muestra y el volumen de la celda para garantizar que el gas de muestra se difunda constantemente en la celda a un caudal adecuado.