热导气体传感器原理与应用

热导气体传感器原理与应用

热导气体传感器是一种通过测量物质导热性来检测气体浓度的传感器。它广泛应用于气体浓度测量、气相色谱法和真空测量等领域。本文将详细介绍热导气体传感器的工作原理、应用及其局限性。

我们回顾一下什么是气体导热性？导热性是物质一种导热的能力。测量这种特性的传感器将以某种方式检测热量通过物质传递的程度。热导率气体传感器是如何工作的？他们可能会使用加热元件来测量温度变化。传感器有一个被加热的元件，当它暴露在气体或液体中时，周围介质的导热性会影响被加热元件的散热速度。然后，温度变化可以与介质的导热系数相关联。但这到底是如何测量的？有不同的测量方法。一种常见的方法是使用惠斯通电桥电路。如果传感器有电阻元件，其电阻会随着温度而变化。因此，通过使电流通过它，元件会变热。当周围的气体或液体具有高导热性时，它会带走更多的热量，导致元件的温度下降很大，从而改变其电阻。桥式电路可以检测到这种不平衡，并给出与气体热导率相关的读数。我们还需要考虑的另一个因数就是导热系数与温度密切有关。热导率气体传感器可能需要温度补偿或做恒温系统。此外，不同类型气体的存在会影响读数。例如，氢气、氦气、六氟化硫和甲烷的导热系数比空气高得多，因此这些热导率气体传感器用于气体浓度检测和分析应用。

常见气体在50℃时热导率

热导率气体传感器通过测量从加热元件到周围介质的热传递来工作。核心原理涉及将介质（气体、液体或固体）的导热性与电阻元件的温度变化相关联，电阻元件通常由具有高温电阻系数的铂或钨等材料制成。

散热测量：加热元件保持恒定温度或提供恒定电流。周围介质的导热性决定了元件散热的效率。惠斯通电桥电路或热电堆元件用于检测由于温度变化导致的元件电阻变化。介质中更高的导热性会导致更大的热损失，降低元件的温度和电阻，使电桥不平衡或热电堆直接测量温度。

温度依赖性：气体热导率与温度有关，需要温度补偿或恒温系统。传感器可以在受控环境中使用参考元件来减轻环境温度的影响。

压力和气体成分：在真空中（如皮拉尼真空压力计），减少的气体分子会降低热导率，从而提高与压力相关的加热元件的温度。在较低的压力（较高的真空度）下，传导热量的气体分子较少，因此热导率降低，可以推断出真空压力。

气体混合物会改变热导率；热导率传感器通常用于二元气体混合物，因为当另一种成分已知时，更容易将热导率与一种成分的浓度相关联。二元混合物是浓度测量的理想选择（例如空气中的H₂）。对于更复杂的混合物，可能需要额外的传感器或方法。

热导气体传感器原理应用：

• 气体浓度测量和分析：氢气、氦气和甲烷等高导热性气体很容易识别，可以测量准确的气体浓度。
• 气相色谱法热导检测器（TCD）比较载气和样品气体的电导率，以识别洗脱化合物。
• 真空测量：皮拉尼真空计通过检测热导率随压力的变化来测量真空度（10⁻⁴至10 Torr）。

热导率气体传感器缺点和注意事项：

• 复杂三元及以上混合物气体浓度测量：多种气体使读数复杂；解决方案包括补充传感器或特定混合物组分的校准。
• 温度灵敏度：需要做温度补偿或恒温系统
• 材料和设计：加热元件必须平衡时间响应性（例如，薄膜厚度）和耐用性。

热导气体传感器是利用传热原理的多功能工具，适用于从工业到科学分析的各种应用。它们的有效性取决于设计、温度管理和对介质特性的理解。

TCD-5880-P2RW是一款采用硅技术制造的热导率气体传感器测量芯片。传感器芯片由2.50 x 3.33 mm、0.3 mm厚的硅边缘组成，其中形成了氮化硅膜。膜中心是一个微型加热器，旁边有一个热电堆传感器元件测量其温度。该热导率气体传感器敏感芯片芯片测量环境和膜中心之间的热导率，这取决于几个参数，如压力、气体类型和膜上的材料沉积。这种对物理参数的依赖性使热导率测量芯片能够测量绝对压力、气体类型和气体混合物成分等量。

TCD-5880-P2RW的标准外壳是一个TO-5 10针接头，带有一个直径为5mm的带过滤器的盖子，其他外壳可应要求提供。 在热导率芯片旁边的TO-5外壳上有一个B级Pt100铂温度传感器。热导率气体传感器芯片测量膜中心热电堆热结和芯片厚边缘冷结之间的热阻。这是通过使用加热器电阻器Rheat加热膜的中心来实现的。由此产生的中心温度升高由热电堆测量。实际温度升高取决于膜中心和环境之间的有效热阻，这受到膜热阻、环境气体热阻、任何存在的气体流量和（通常可以忽略不计）发射辐射等因素的影响。必须小心避免发生严重的辐射事故。

薄膜热电堆真空传感器的稳定性和精度可与标准皮拉尼真空计相媲美。 传感器标准安装在TO-5集管中，但也有不同的外壳（如LCC-20和KF-16和KF-40真空法兰中的封装）。

本文原文来自delta-tech.cc