Méthode de détection de conductivité thermique (TCD)

Table des matières

• Qu'est-ce que la méthode du détecteur de conductivité thermique (TCD) ?
• Structure et principes de fonctionnement d'un analyseur de gaz utilisant le TCD
• Structure et principe de fonctionnement d'un analyseur de gaz à hydrogène (H₂)
• Réduction des facteurs influençant la mesure
• Produits

Les analyseurs de gaz utilisant un TCD détectent les variations de conductivité thermique d'un échantillon de gaz grâce à un capteur à fil thermique (capteur thermique) qui mesure la concentration de ce gaz. Le capteur thermique détecte les variations de conductivité thermique du gaz par des variations de résistance électrique. Pour réaliser cette détection avec une grande précision, un circuit en pont combinant quatre capteurs thermiques est utilisé. (Figure 1 : Circuit en pont du TCD)

Figure 1 : Structure de base (circuit en pont) et principe de fonctionnement d'un analyseur de gaz utilisant TCD

Le circuit en pont du TCD comprend quatre capteurs thermiques (résistances électriques) aux spécifications identiques, intégrés au détecteur. Deux de ces capteurs sont situés dans chacune des deux cellules d'échantillon, tandis que les deux autres sont situés dans les deux cellules de référence. Cette configuration forme un circuit électrique comprenant deux résistances qui varient de manière identique dans les cellules d'échantillon et deux résistances qui restent constantes dans les cellules de référence.

La tension du pont (« E » sur la figure 1) et la tension de sortie (« V » sur la figure 1) par une fonction de mesure dans le circuit en pont sont en fait situées dans la section de traitement du signal.

Lorsque la concentration du gaz échantillonné introduit dans la cellule fluctue, la conductivité thermique du gaz dans la cellule varie en conséquence. Par conséquent, la température de surface du capteur thermique situé à l'intérieur de la cellule est également affectée. Cette variation de température est détectée par la variation de la résistance électrique du capteur. La cellule de référence étant remplie d'azote (_N₂), sa résistance électrique reste constante. En combinant ces quatre résistances électriques et en traitant le signal, la variation de concentration du gaz échantillonné est détectée par la variation de la tension de sortie du pont de mesure (« V » sur la figure 1). Dans certaines conditions, cette tension de sortie est proportionnelle à la concentration du gaz à haute conductivité thermique dans le gaz échantillonné ; ainsi, la mesure de la tension de sortie du pont de mesure permet de déterminer la concentration de ce gaz.

Structure et principe de fonctionnement d'un analyseur de gaz à hydrogène (H ₂)

L'hydrogène (H₂) a la conductivité thermique la plus élevée de tous les gaz, donc le TCD peut être utilisé pour mesurer la concentration d'hydrogène avec une grande précision.（Tableau 1 : Conductivité thermique des gaz）　
Cette section décrit l'analyseur de gaz à hydrogène (H₂), qui utilise le TCD pour mesurer l'hydrogène en tant que composant mesuré dans le gaz échantillon.

La figure 2 illustre la structure d'un détecteur pour analyseur d'hydrogène gazeux utilisant un TCD. Deux ensembles de cellules d'échantillon et de référence sont intégrés dans un détecteur en acier inoxydable. Chaque cellule intègre un capteur thermique (résistance électrique).

Figure 2 : Structure et principe de fonctionnement du détecteur d'analyse de gaz d'hydrogène (H ₂)

Le gaz échantillon est aspiré dans deux cellules d'échantillonnage et se diffuse dans chacune d'elles, ce qui entraîne des variations de conductivité thermique. Par exemple, l'hydrogène présente la conductivité thermique la plus élevée. Ainsi, lorsque la concentration d'hydrogène dans le gaz échantillon diminue et que celle des autres gaz augmente, la conductivité thermique globale du gaz échantillon diminue. Cette variation de conductivité thermique de la cellule d'échantillonnage modifie la température de surface du capteur thermique, ce qui entraîne une modification de sa résistance électrique.

Puisque deux cellules de référence sont remplies d'azote (N₂), les conductivités thermiques dans les cellules de référence sont constantes, donc les résistances électriques des capteurs thermiques sont toujours constantes. La tension de sortie du circuit en pont composé de ces quatre résistances électriques est détectée par le traitement du signal. Dans certaines conditions, cette tension de sortie est proportionnelle à la concentration d'hydrogène dans le gaz échantillon, de sorte que la concentration d'hydrogène peut être mesurée.

Réduction de l'influence du changement de température dans le détecteur

La conductivité thermique du gaz est influencée par la température. À pression constante, la conductivité thermique augmente avec la température du gaz. Par conséquent, les variations de température à l'intérieur des cellules d'échantillon et de référence influencent la mesure. Pour réduire cette influence, le contrôle de la température, qui garantit une température constante et précise des surfaces internes des cellules d'échantillon et de référence, est essentiel pour les analyseurs TCD.

Réduction de l'influence du changement du débit de gaz dans la cellule d'échantillon

La variation du débit du gaz échantillonné en contact avec la surface du capteur thermique influence la mesure. La résistance électrique du capteur thermique diminue lorsque le débit est rapide et augmente lorsqu'il est lent. Pour réduire l'influence de ce débit, l'introduction et l'évacuation du gaz échantillonné dans et hors de la cellule d'échantillonnage, ainsi que son volume, sont optimisés afin de garantir une diffusion constante du gaz échantillonné dans la cellule à un débit approprié.