Het vinden van de thermische geleidbaarheid van gassen

Gassen hebben allemaal hun eigen thermische geleidbaarheid. Deze geleidbaarheid kan worden gemeten en gebruikt als een manier om u te helpen begrijpen hoe goed warmte er doorheen beweegt, wat vervolgens kan worden gebruikt om een gastype te bepalen.

Oplossingen voor het meten van de thermische geleidbaarheid van gassen worden het meest gebruikt door industriële gasbedrijven, metaalwarmtebehandelingsbedrijven en ovenfabrikanten, die regelmatig en nauwkeurig gas moeten analyseren, hoewel het ook nuttig kan zijn bij een reeks andere productie- en testprocessen .

Wat is thermische geleidbaarheid?

Thermische geleidbaarheid is het proces waarbij stoffen warmte geleiden. Dit is vergelijkbaar voor vaste stoffen, vloeistoffen en gassen, hoewel voor vloeistoffen en gassen de warmteoverdracht minder efficiënt is dan bij vaste stoffen, omdat de intermoleculaire afstand veel groter is en de plaatsing van moleculen willekeuriger.

De diffusie van moleculen van een hoger energieniveau naar een lager niveau veroorzaakt thermische geleidbaarheid in gassen.

Hoe meet je de thermische geleidbaarheid van gassen?

De thermische geleidbaarheid wordt gemeten met een sensor die gebruik maakt van vier op elkaar afgestemde filamenten die hun weerstand veranderen naar gelang van de thermische geleidbaarheid van het gas dat eroverheen stroomt.

De sensoren en de filamenten zijn verbonden in een “tarwesteenbrug”-configuratie, zoals hieronder afgebeeld in figuur 1.

Figuur 1. Wheatstone-brug van de thermische geleidbaarheidsdetector

Wanneer alle vier de weerstanden gelijk zijn, is de VOUT nul en wordt de brug als in evenwicht beschouwd. Bij het “op nul stellen” wordt het referentiegas over alle filamenten geleid. De weerstanden zullen gelijk zijn omdat de gloeidraden op elkaar zijn afgestemd en de brug in balans is. Wanneer het meetgas over de helft van de brug wordt geleid, correleert de VOUT-waarde met de inhoud van het meetgas in de referentie.

De detector is een “katharometer” met vier elementen, waarvan twee elementen zich in het referentiegas bevinden en twee elementen in het monstergas, zoals aangegeven in figuur 2 hieronder.

Figuur 2. Dwarsdoorsnede van de thermische geleidbaarheidssensor.

De vier elementen zijn elektronisch verbonden in een brugschakeling en een constante stroom wordt door de brug geleid om ze te verwarmen. Als elk element wordt omringd door hetzelfde gas, dan zal de temperatuur – en dus de weerstand van elk element – vergelijkbaar zijn en zal het brugcircuit in evenwicht zijn.

Figuur 3. Elektrisch schema van de thermische geleidbaarheidssensor.

Wanneer het monstergas in de monstergasstroom wordt gebracht, zullen de twee katharometerelementen in de stroom sterker worden afgekoeld dan de twee elementen in het referentiegas. Het brugcircuit zal uit balans zijn, en een signaalspanning produceren die gerelateerd is aan de samenstelling van het monstergas. Deze relatie is niet-lineair. Daarom moet de programmeerbare gasanalysator worden gekalibreerd op nul, middenbereik en hoog bereik. En de software lineariseert de curve wiskundig. Voor meer informatie of om een referentie op te slaan, download ons Warmtegeleidingsvermogen PDF.

Hoe thermische geleidbaarheid te gebruiken om een gas te identificeren

U kunt het gasmonstergehalte van een monster/referentiemengsel meten door de thermische geleidbaarheid van het mengsel te vergelijken met die van de referentie.

Waterstof heeft bijvoorbeeld een thermische geleidbaarheid die ongeveer zeven keer groter is dan die van stikstof, dus kleine veranderingen worden gemakkelijk gedetecteerd. Alle andere veel voorkomende gassen hebben een warmtegeleidingscoëfficiënt die vergelijkbaar is met die van stikstof, zodat de meetmethode vrij selectief is.

Helium is het enige andere gas met een thermische geleidbaarheid die vergelijkbaar is met die van waterstof. Andere gassen die met deze techniek kunnen worden gemeten zijn:

• Kooldioxide
• Zuurstof
• Argon
• Methaan
• Zwaveldioxide
• Ammoniak

WAARSCHUWING: Houd er rekening mee dat veel sensoren niet kunnen worden gebruikt om gas/lucht- of gas/zuurstofmengsels te meten als ze potentieel ontvlambaar zijn.

Tabel thermische geleidbaarheid van gassen

De onderstaande tabel bevat details van de thermische geleidbaarheid van veel gewone gassen.

Oplossingen voor gasanalyse

Er zijn verschillende betrouwbare gasanalyse-instrumenten geschikt voor het grondig analyseren van gas, waaronder de EC900 proceszuurstofanalysatoreen elektrochemische zuurstofanalysator die ontworpen is om nauwkeurig zuurstofniveaus te meten in de meeste industriële gassen en atmosferen.

Gas analyseren met Industrial Physics

Op zoek naar testoplossingen voor alles van de productie van zeer zuiver gas tot ovenatmosferen? Wij helpen fabrikanten, laboratoria en productielijnen de integriteit van hun verpakkingen, producten en materialen te beschermen door hen te voorzien van test- en meetinstrumenten van de hoogste kwaliteit. Bekijk een paar van de uitgelichte producten van ons merk gespecialiseerd in gasanalyse, Systech.