Wärmeleitfähigkeit

Gase haben alle ihre eigene Wärmeleitfähigkeit, die Ihnen hilft zu verstehen, wie gut sich Wärme durch sie bewegt.

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 Wärmeleitfähigkeiten einiger gängiger Gase sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.

Wärmeleitfähigkeiten von Gasen

Funktionsprinzip der Wärmeleitfähigkeitsanalyse

Der Sensor verwendet vier aufeinander abgestimmte Fäden, die ihren Widerstand je nach 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, 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 wird der programmierbare Gasanalysator Systech Illinois 542 bei Null, mittlerer und großer Spanne kalibriert. Und die Software linearisiert die Kurve mathematisch.

Theorie

Laden Sie die vollständige Diskussionsnotiz herunter, die unten verlinkt ist und Gleichungen enthält, die das Verhältnis zwischen Brückenspannung und Wärmeleitfähigkeit zeigen.

Anwendungen

Messung des Gasprobengehalts eines Proben-/Referenzgemischs durch Vergleich der Wärmeleitfähigkeit des Gemischs mit derjenigen der Referenz.

So ist die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff etwa siebenmal höher als die von Stickstoff, so dass kleine Veränderungen leicht zu erkennen sind. 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! Auch hier gilt, dass viele Sensoren nicht zur Messung von Gas/Luft- oder Gas/Sauerstoff-Gemischen verwendet werden können, wenn diese potenziell entflammbar sind.

Der programmierbare Gasanalysator Systech Illinois 542 wird von Industriegasunternehmen, Unternehmen der Metallwärmebehandlung und Ofenherstellern eingesetzt.

Die Anwendungen reichen von der Herstellung hochreiner Gase bis zu Ofenatmosphären.

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