Metoda Detekcji Przewodności Cieplnej (TCD)

Spis treści

• Czym jest metoda detekcji przewodności cieplnej (TCD)?
• Struktura i zasady działania analizatora gazu wykorzystującego TCD
• Budowa i zasada działania analizatora wodoru (H₂)
• Redukcja czynników wpływających na pomiar
• Produkty powiązane

Analizatory gazu wykorzystujące TCD wykrywają zmiany w przewodności cieplnej gazu próbki za pomocą czujnika termicznego (przewód platynowy) w celu pomiaru stężenia gazu próbki. Czujnik termiczny wykrywa zmiany w przewodności cieplnej gazu jako zmiany rezystancji elektrycznej. Aby zapewnić dużą dokładność, stosuje się układ mostka Wheatstone'a, łączący cztery czujniki termiczne. (Rysunek 1: Obwód mostkowy TCD)

Rysunek 1: Podstawowa struktura (układ mostkowy) i zasada działania analizatora gazu wykorzystującego TCD

Obwód TCD zawiera cztery czujniki termiczne (rezystancyjne) o identycznych specyfikacjach, zintegrowane z detektorem. Dwa z tych czujników znajdują się w każdej z dwóch komór próbki, podczas gdy pozostałe dwa znajdują się w dwóch komorach odniesienia. Ta konfiguracja tworzy obwód elektryczny składający się z dwóch elementów oporowych, które zmieniają się identycznie w komorach próbki i dwóch elementów oporowych, które pozostają stałe w komorach odniesienia.

Napięcie mostka („E” na rysunku 1) i napięcie wyjściowe („V” na rysunku 1) stanowią mierzone funkcje pomiarowe obwodu mostka i znajdują się w rzeczywistości w sekcji przetwarzania sygnału.

Wraz z wahaniami stężenia próbki gazowej pobranej do komory próbki, przewodność cieplna gazu odpowiednio się zmienia. Przekłada się to również na temperaturę powierzchni czujnika termicznego w komorze pomiarowej. Zmiana temperatury w czujniku termicznym jest wykrywana jako zmiana oporu elektrycznego. Ponieważ kuweta referencyjna jest wypełniona azotem (N₂), rezystancja elektryczna wykryta w celi odniesienia jest zawsze stała. Łącząc te cztery rezystancje elektryczne w przetwarzaniu sygnału, zmiana stężenia próbki gazu jest wykrywana jako zmiana napięcia wyjściowego obwodu mostka ("V" na rysunku 1). W określonych warunkach to napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do stężenia gazu o wysokiej przewodności cieplnej w próbce gazu, w ten sposób pomiar napięcia wyjściowego obwodu mostka, pozwala na określenie stężenia gazu o wysokiej przewodności cieplnej.

Budowa i zasada działania analizatora wodoru (H₂)

Wodór (H₂) ma najwyższą przewodność cieplną ze wszystkich gazów, dzięki czemu TCD może być używany do pomiaru stężenia wodoru z dużą dokładnością. (Tabela 1: Przewodność cieplna gazu)　
W tej sekcji opisano analizator wodoru (H₂), który wykorzystuje TCD do pomiaru stężenia wodoru jako mierzonego składnika w próbce gazu.

Rysunek 2 przedstawia przykład struktury detektora analizatora wodoru gazowego wykorzystującego TCD. Dwa zestawy komór próbki i odniesienia są wbudowane w detektor ze stali nierdzewnej. Każda komora zawiera czujnik termiczny (rezystancyjny).

Rysunek 2: Budowa i zasada działania detektora analizatora wodoru (H₂)

Próbka gazu jest wciągana do dwóch komór próbki, gdzie gaz dyfunduje do każdej komory, powodując zmiany w przewodności cieplnej. Na przykład wodór ma najwyższą przewodność cieplną, więc gdy stężenie wodoru w gazie próbnym maleje, a stężenie innych gazów wzrasta, ogólna przewodność cieplna gazu mierzonego maleje. Ta zmiana przewodności cieplnej w komorze pomiarowej zmienia temperaturę powierzchni czujnika termicznego, co z kolei powoduje zmianę jego rezystancji elektrycznej.

Ponieważ obie komory odniesienia są wypełnione azotem (N₂), przewodność cieplna zawartego w nich gazu jest stała, a rezystancje elektryczne czujników termicznych pozostają na stałym poziomie. Napięcie wyjściowe obwodu mostka składającego się z tych czterech rezystancji elektrycznych jest wykrywane przez przetwarzanie sygnału. W określonych warunkach to napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do stężenia wodoru w próbce gazu, dzięki czemu można wyznaczyć stężenie wodoru.

Redukcja wpływu na zmianę temperatury w detektorze

Przewodność cieplna gazu jest zależna od temperatury. Pod tym stałym ciśnieniem, przewodność cieplna wzrasta wraz ze wzrostem temperatury gazu. Dlatego zmiany temperatury na wewnętrznych powierzchniach komór detektora i komór odniesienia będą miały wpływ na pomiar. Aby zmniejszyć ten wpływ, reguluje się z wysoką dokładną temperatury wewnętrznych powierzchni detektora. Jest to krytyczne ważne dla analizatorów TCD.

Redukcja wpływu zmieniającej się szybkości przepływu gazu w celi pomiarowej

Zmiana natężenia przepływu gazu próbki w kontakcie z powierzchnią czujnika termicznego wpływa na pomiar. Rezystancja elektryczna czujnika termicznego maleje, gdy natężenie przepływu jest wysokie, i wzrasta, gdy jest niskie. Aby zmniejszyć wpływ zmian natężenia przepływu, wprowadzanie i odprowadzanie gazu do i z komory próbki oraz objętość komory są zoptymalizowane, aby zapewnić, stały przepływ wewnętrzny.