Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen

Gase haben alle ihre eigene Wärmeleitfähigkeit. Diese Leitfähigkeit kann gemessen und verwendet werden, um zu verstehen, wie gut sich Wärme durch sie bewegt, was dann zur Bestimmung eines Gastyps verwendet werden kann.

Lösungen zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen werden am häufigsten von Industriegasunternehmen, Metallwärmebehandlungsunternehmen und Ofenherstellern verwendet, die häufig und genau Gas analysieren müssen, obwohl es auch in einer Reihe anderer Herstellungs- und Testprozesse nützlich sein kann .

Was ist Wärmeleitfähigkeit?

Wärmeleitfähigkeit ist der Prozess, bei dem Stoffe Wärme leiten. Dies gilt für Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase, obwohl bei Flüssigkeiten und Gasen die Wärmeübertragung weniger effizient ist als bei Feststoffen, da der zwischenmolekulare Abstand viel größer und die Anordnung der Moleküle zufälliger ist.

Die Diffusion von Molekülen von einem höheren Energieniveau zu einem niedrigeren Niveau verursacht die Wärmeleitfähigkeit in Gasen.

Wie misst man die Wärmeleitfähigkeit von Gasen?

Die Wärmeleitfähigkeit wird mit einem Sensor gemessen, der aus vier aufeinander abgestimmten Fäden besteht, die ihren Widerstand entsprechend der Wärmeleitfähigkeit des Gases, das sie passiert, ändern.

Die Sensoren und die Fäden sind in einer “Wheatstone-Bridge”-Konfiguration verbunden, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Wheatstone-Brücke des Wärmeleitfähigkeitsdetektors

Wenn alle vier Widerstände gleich sind, ist VOUT gleich Null und die Brücke gilt als ausgeglichen. Beim “Nullabgleich” wird das Referenzgas über alle Filamente geleitet. Die Widerstände sind gleich, weil die Glühfäden aufeinander abgestimmt sind und die Brücke ausgeglichen ist. Wenn das Messgas über die Hälfte der Brücke geleitet wird, dann korreliert der VOUT-Wert mit dem Gehalt des Messgases in der Referenz.

Der Detektor ist ein “Katharometer” mit vier Elementen, von denen sich zwei im Referenzgas und zwei im Messgas befinden (siehe Abbildung 2 unten).

Abbildung 2. Schnittdarstellung des Wärmeleitfähigkeitssensors.

Die vier Elemente sind elektronisch in einer Brückenschaltung verbunden, durch die ein konstanter Strom fließt, um sie zu erwärmen. Wenn jedes Element von demselben Gas umgeben ist, ist die Temperatur – und damit der Widerstand jedes Elements – ähnlich und die Brückenschaltung ist ausgeglichen.

Abbildung 3. Elektrischer Schaltplan des Wärmeleitfähigkeitssensors.

Wenn das Messgas in den Messgasstrom eingeleitet wird, werden die beiden Katharometerelemente in diesem Strom stärker abgekühlt als die beiden Elemente im Referenzgas. Die Brückenschaltung ist unsymmetrisch und erzeugt eine Signalspannung, die von der Zusammensetzung des Messgases abhängt. Diese Beziehung ist nichtlinear. Daher sollten programmierbare Gasanalysatoren bei Null, mittlerer und hoher Spanne kalibriert werden. Und die Software linearisiert die Kurve mathematisch. Für weitere Informationen oder um eine Referenz zu speichern, laden Sie unsere herunter Wärmeleitfähigkeit PDF.

Wie man die Wärmeleitfähigkeit verwendet, um ein Gas zu identifizieren

Sie können den Gasprobengehalt eines Proben-/Referenzgemisches messen, indem Sie die Wärmeleitfähigkeit des Gemisches mit der der Referenz vergleichen.

Beispielsweise hat Wasserstoff eine Wärmeleitfähigkeit, die etwa siebenmal höher ist als die von Stickstoff, sodass kleine Änderungen leicht erkannt werden. Alle anderen gebräuchlichen Gase haben ähnliche Wärmeleitfähigkeiten wie Stickstoff, so dass die Messmethode ziemlich selektiv ist.

Helium ist das einzige andere Gas mit einer Wärmeleitfähigkeit, die mit der von Wasserstoff vergleichbar ist. Andere Gase, die mit dieser Technik gemessen werden können, sind:

• Kohlendioxid
• Sauerstoff
• Argon
• Methan
• Schwefeldioxid
• Ammoniak

WARNUNG: Denken Sie daran, dass viele Sensoren nicht zur Messung von Gas/Luft- oder Gas/Sauerstoff-Gemischen verwendet werden können, wenn sie potenziell entzündlich sind.

Wärmeleitfähigkeitstabelle von Gasen

Die folgende Tabelle enthält Angaben zur Wärmeleitfähigkeit vieler gängiger Gase.

Lösungen für die Gasanalyse

Es gibt mehrere zuverlässige Gasanalysegeräte, die sich für eine gründliche Gasanalyse eignen, darunter der EC900 Prozess-Sauerstoffanalysator, ein elektrochemischer Sauerstoffanalysator, der für die genaue Messung des Sauerstoffgehalts in den meisten industriellen Gasen und Atmosphären entwickelt wurde und für die schnelle thermische Verarbeitung verwendet werden kann.

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