Termal İletkenlik Dedektörü Yöntemi (TCD)

İçindekiler

• Termal İletkenlik Dedektörü Yöntemi (TCD) Nedir?
• TCD Kullanan Gaz Analiz Cihazının Yapısı ve Çalışma Prensipleri
• Hidrojen (H₂) Gaz Analizörünün Yapısı ve Çalışma Prensibi
• Ölçümü etkileyen faktörlerin azaltılması
• ilgili ürünler

TCD kullanan gaz analizörleri, numune gazının konsantrasyonunu ölçmek için bir termal tel sensörü (termal sensör) kullanarak bir numune gazının termal iletkenliğindeki değişiklikleri algılar. Termal sensör, gazın ısıl iletkenliğindeki değişiklikleri elektrik direncindeki değişiklikler olarak algılar. Bu algılamayı yüksek doğrulukla gerçekleştirmek için dört termal sensörü birleştiren bir köprü devresi kullanılır. (Şekil 1: TCD'nin köprü devresi)

Şekil 1: TCD kullanan bir gaz analizörünün temel yapısı (köprü devresi) ve çalışma prensibi

TCD'nin köprü devresi, dedektöre entegre edilmiş aynı özelliklere sahip dört termal sensöre (elektrik dirençleri) sahiptir. Bu sensörlerden ikisi, iki numune hücresinin her birinde bulunurken, kalan ikisi iki referans hücresinde bulunur. Bu konfigürasyon, numune hücreleri içinde aynı şekilde değişen iki direnç ve referans hücreleri içinde sabit kalan iki dirençten oluşan bir elektrik devresi oluşturur.

Köprü devresindeki bir ölçüm fonksiyonu ile köprü gerilimi (Şekil 1'de "E") ve çıkış gerilimi (Şekil 1'de "V") aslında sinyal işleme bölümünde bulunur.

Numune hücresine çekilen numune gazının konsantrasyonu dalgalandıkça, hücre içindeki gazın termal iletkenliği de buna göre değişir. Sonuç olarak, hücre içindeki termal sensörün yüzey sıcaklığı da etkilenir. Bir termal sensörde değişen sıcaklık, değişen elektrik direnci olarak algılanır. Referans hücresi nitrojen (_N2) ile dolu olduğundan, referans hücresinde tespit edilen elektriksel direnç her zaman sabittir. Bu dört elektrik direncinin ve sinyal işlemenin birleştirilmesiyle, numune gazının konsantrasyonundaki değişiklik, köprü devresinin çıkış voltajında bir değişiklik olarak tespit edilir (Şekil 1'de "V"). Belirli koşullar altında, bu çıkış voltajı, numune gazındaki yüksek termal olarak iletken gaz konsantrasyonu ile orantılıdır, bu nedenle köprü devresinin çıkış voltajının ölçülmesi, yüksek termal olarak iletken gazın konsantrasyonunu ölçer.

Hidrojen (H₂) Gaz Analizörünün Yapısı ve Çalışma Prensibi

Hidrojen (_H2), tüm gazlar arasında en yüksek termal iletkenliğe sahiptir, bu nedenle TCD, hidrojen konsantrasyonunu yüksek doğrulukla ölçmek için kullanılabilir. (Tablo 1: Gazın ısıl iletkenliği)　
Bu bölümde, numune gazında ölçülen bir bileşen olarak hidrojeni ölçmek için TCD kullanan hidrojen (H₂) gaz analizörü açıklanmaktadır.

Şekil 2, TCD kullanan bir hidrojen gazı analizörü için bir dedektörün yapısının bir örneğini göstermektedir. İki set numune ve referans hücresi paslanmaz çelik bir dedektöre dahil edilmiştir. Her hücre bir termal sensör (elektrik direnci) içerir.

Şekil 2: Hidrojen (H₂) gaz analizörü dedektörünün yapısı ve çalışma prensibi

Numune gazı iki numune hücresine çekilir ve numune gazı her numune hücresi içinde yayılarak termal iletkenlikte değişikliklere neden olur. Örneğin, hidrojen en yüksek termal iletkenliğe sahiptir, bu nedenle numune gazındaki hidrojen konsantrasyonu azaldıkça ve diğer gazların konsantrasyonu arttıkça, numune gazının genel termal iletkenliği azalır. Numune hücresinin termal iletkenliğindeki bu değişiklik, termal sensörün yüzey sıcaklığını değiştirir ve elektrik direncinde bir değişikliğe neden olur.

İki referans hücresi nitrojen (_N2) ile doldurulduğundan, referans hücrelerindeki termal iletkenlikler sabittir, bu nedenle termal sensörlerin elektriksel dirençleri her zaman sabittir. Bu dört elektrik direncinden oluşan köprü devresinin çıkış voltajı, sinyal işleme ile tespit edilir. Belirli koşullar altında, bu çıkış voltajı, hidrojen konsantrasyonunun ölçülebilmesi için numune gazındaki hidrojen konsantrasyonu ile orantılıdır.

Dedektördeki sıcaklığın değişmesi için etkinin azaltılması

Gazın ısıl iletkenliği sıcaklıktan etkilenir. Aynı basınç altında, gazın sıcaklığı arttıkça termal iletkenlik de artar. Bu nedenle, numunenin ve referans hücrelerinin iç yüzeylerindeki sıcaklık değişiklikleri ölçümü etkileyecektir. Bu etkiyi azaltmak için, numune hücresinin ve referans hücresinin iç yüzeylerinin sıcaklıklarının yüksek doğrulukla sabit kalmasını sağlayan sıcaklık kontrolü, TCD analizörleri için kritik öneme sahiptir.

Gazın Değişen Akış Hızının Numune Hücresine Etkisinin Azaltılması

Termal sensörün yüzeyi ile temas eden numune gazının akış hızındaki değişiklik ölçümü etkiler. Termal sensörün elektrik direnci, akış hızı hızlı olduğunda azalır ve yavaş olduğunda artar. Bu akış hızının etkisini azaltmak için, numune gazının numune hücresinin içine ve dışına girmesi ve boşaltılması ve hücre hacmi, numune gazının hücre içinde uygun bir akış hızında sürekli olarak yayılmasını sağlamak için optimize edilir.