Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysator
Wärmeleitfähigkeit von Gas
Das Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysegerät dient der Analyse der Gaszusammensetzung durch Messung der Wärmeleitfähigkeit von Gasgemischen. Dabei werden die unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten der einzelnen Substanzen berücksichtigt. Bekanntermaßen gibt es drei grundlegende Arten der Wärmeübertragung: Wärmekonvektion, Wärmestrahlung und Wärmeleitung. Im Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysegerät wird der Wärmeaustausch durch Wärmeleitung optimal genutzt, während Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmestrahlung weitestgehend minimiert werden.
Die Wärmeleitfähigkeit gibt die Wärmeleitfähigkeit des Materials an, und der Zusammenhang zwischen der Wärmeleitfähigkeit des Materials kann durch das Fourier-Gesetz beschrieben werden. Wie in Abbildung 6-1 dargestellt, besteht in einem Stoff ein Temperaturunterschied, wobei die Solltemperatur entlang der x-Richtung allmählich abnimmt. Zwei Punkte a und b in x-Richtung mit dem Abstand Δx werden betrachtet. Ta und Tb sind die absoluten Temperaturen der beiden Punkte a bzw. b. Die Änderungsrate der Temperatur entlang der x-Richtung wird als Temperaturgradient eines Punktes entlang der x-Richtung bezeichnet. Zwischen a und b wird vertikal zur x-Richtung ein kleiner Bereich Δs betrachtet. Experimentell lässt sich feststellen, dass der Wärmetransport von einem Punkt mit hoher Temperatur durch den kleinen Bereich Δs innerhalb der Zeit Δt proportional zur Zeit Δt und zum Temperaturgradienten ΔT/Δx ist und von den Eigenschaften des Stoffes abhängt. Die Gleichung lautet:
Die Formel (6-1) beschreibt den Zusammenhang zwischen Wärmetransport und den relevanten Parametern und wird als Fourier-Gesetz bezeichnet. Das negative Vorzeichen in der Formel zeigt an, dass der Wärmetransport in Richtung abnehmender Temperatur erfolgt. Der Proportionalitätskoeffizient λ wird als Wärmeleitfähigkeit des Wärmetransportmediums (auch Wärmeleitfähigkeit genannt) bezeichnet.
Die Wärmeleitfähigkeit ist eine wichtige physikalische Eigenschaft von Stoffen und beschreibt deren Fähigkeit, Wärme zu leiten. Sie ist von Material zu Material unterschiedlich und hängt von Zusammensetzung, Druck, Dichte, Temperatur und Luftfeuchtigkeit ab.
In der Formel (6-1) erhält man:
Die Formel (6-1) beschreibt den Zusammenhang zwischen Wärmetransport und den relevanten Parametern und wird als Fourier-Gesetz bezeichnet. Das negative Vorzeichen in der Formel zeigt an, dass der Wärmetransport in Richtung abnehmender Temperatur erfolgt. Der Proportionalitätskoeffizient λ wird als Wärmeleitfähigkeit des Wärmetransportmediums (auch Wärmeleitfähigkeit genannt) bezeichnet.
Die Wärmeleitfähigkeit ist eine wichtige physikalische Eigenschaft von Stoffen und beschreibt deren Fähigkeit, Wärme zu leiten. Sie ist von Material zu Material unterschiedlich und hängt von Zusammensetzung, Druck, Dichte, Temperatur und Luftfeuchtigkeit ab.
In der Formel (6-1) erhält man:
Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches
Alle Komponenten des Gasgemisches außer den zu messenden Komponenten werden als Hintergrundgas bezeichnet, und die Komponenten, die einen Einfluss auf die Analyse im Hintergrundgas haben, werden als Störkomponenten bezeichnet.
Der Volumenanteil jeder Komponente im Gasgemisch ist C1, C2, C3,…, Cn. Die Wärmeleitfähigkeit ist λ1, λ2, λ3,…, λn. Der Gehalt und die Wärmeleitfähigkeit der zu messenden Komponente sind C1 und λ1. Für die Messung mit einem Wärmeleitfähigkeitsanalysator müssen die folgenden zwei Bedingungen erfüllt sein.
①
Die Wärmeleitfähigkeit jeder Komponente des Hintergrundgases muss annähernd gleich oder sehr ähnlich sein.
λ2≈λ3≈λ4…≈λn
② Die Wärmeleitfähigkeit der zu messenden Komponente unterscheidet sich offensichtlich von der des umgebenden Gases, und je größer der Unterschied ist, desto besser ist die Wärmeleitfähigkeit.
λ1》λ2 oder λ1《λ2
Wenn die beiden oben genannten Bedingungen erfüllt sind:
λ in der Formel – Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches
Wärmeleitfähigkeit der Komponente i in einem Gasgemisch
Ci – Volumenanteil der Komponente i im Gasgemisch
Aus der Formel (6-5) geht hervor, dass der Gehalt der Komponente C1 durch Messung der Wärmeleitfähigkeit λ des Gasgemisches ermittelt werden kann.
Zusammensetzung und Funktionsprinzip des Instruments
Der Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysator besteht aus zwei Komponenten: dem Wärmeleitfähigkeitsdetektor und der Schaltung. Der Wärmeleitfähigkeitsdetektor (auch Transmitter genannt) setzt sich aus einer Wärmeleitfähigkeitszelle und einer Messbrücke zusammen. Die Wärmeleitfähigkeitszelle bildet den Brückenarm der Messbrücke und ist somit untrennbar mit dieser verbunden. Die Schaltung umfasst ein Spannungsstabilisatornetzteil, einen Konstanttemperaturregler, eine Signalverstärkungsschaltung, eine Linearisierungsschaltung und eine Ausgangsschaltung.
Funktionsprinzip der Wärmeleitungszelle
Da die Wärmeleitfähigkeit des Gases sehr gering ist, ist auch ihre Änderung gering, weshalb sie sich mit direkten Methoden nur schwer genau messen lässt. Die Änderung der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches wird daher indirekt über die Änderung des Widerstandswerts des Wärmeelements ermittelt, wodurch sich diese Widerstandsänderung leicht und präzise messen lässt.
Abbildung 6-2 zeigt das Funktionsprinzip der Wärmeleitzelle. Ein Widerstandsdraht mit höherem spezifischem Widerstand und höherem Temperaturkoeffizienten ist in der Mitte einer zylindrischen Metallhülle mit guter Wärmeleitfähigkeit gespannt und aufgehängt. An den beiden Enden der Hülle befinden sich ein Gaseinlass und ein Gasauslass. Der Zylinder wird mit dem zu messenden Gas gefüllt, und der Widerstandsdraht wird durch einen konstanten Strom erhitzt.
Da der durch den Widerstandsdraht fließende Strom konstant ist, ist auch die pro Zeiteinheit erzeugte Wärme im Widerstand konstant. Strömt das zu untersuchende Gas langsam durch die Messzelle, wird die Wärme des Widerstandsdrahts durch Wärmeleitung vom Gas an die Zellwand abgegeben. Im thermischen Gleichgewicht (gleiche Wärmeübertragungsrate des Gases und Erwärmungsrate des Widerstandsdrahts) stabilisiert sich dessen Temperatur. Diese Gleichgewichtstemperatur bestimmt den Widerstand des Widerstandsdrahts. Ändert sich die Konzentration der zu messenden Komponente im Gasgemisch, ändert sich dessen Wärmeleitfähigkeit. Dadurch ändern sich die Wärmeleitfähigkeit des Gases und die Gleichgewichtstemperatur des Widerstandsdrahts, was wiederum eine entsprechende Änderung des Widerstands des Widerstandsdrahts zur Folge hat. So lässt sich die Wärmeleitfähigkeit des Gases in den Widerstandswert des Widerstandsdrahts umrechnen.
Der Zusammenhang zwischen dem Widerstand des Drahtes und der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches wird durch die folgende Formel beschrieben (die Herleitung wird hier nicht aufgeführt).
In der Formel wird der Widerstand Rn, R0 - heißer Draht bei tn(°C) (der Temperatur des heißen Drahtes im thermischen Gleichgewicht) und bei 0°C ermittelt.
a – Temperaturkoeffizient des Widerstands eines Heißdrahts
tc – Temperatur der Luftzellenwand der Wärmeleitfähigkeitszelle
I – Stromfluss durch den Heizdraht
λ – Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches
K – Dehnungsmesskonstante, eine Konstante, die mit der Struktur der Wärmeleitungszelle zusammenhängt.
Die Formel (6-6) zeigt, dass Rn und λ eindeutige Funktionen sind, wenn K, tc und I konstant sind.
Das Glühdrahtmaterial besteht aus mehreren Platindrähten (oder Platin-Iridium-Drähten). Platindrähte zeichnen sich durch hohe Korrosionsbeständigkeit, einen großen Temperaturkoeffizienten des Widerstands und hohe Stabilität aus. Durch die direkte Exposition des Platindrahts und den Kontakt mit dem Probengas wird die Ansprechgeschwindigkeit der Analyse verbessert. Allerdings neigt der Platindraht in reduzierenden Gasen zur Erosion und Zersetzung, was zu einer Änderung des Widerstandswerts führt und in manchen Fällen auch katalytisch wirkt. Daher wird die Oberfläche des Platindrahts üblicherweise mit einer Glasfolie abgedeckt. Das mit einer Glasfolie bedeckte wärmeempfindliche Element bietet die Vorteile einer hohen Korrosionsbeständigkeit (Wasserstoff in Chlor kann gemessen werden) und einer einfachen Reinigung. Die Glasfolie verzögert jedoch das Erreichen des thermischen Gleichgewichts zwischen Gas und Platindraht, wodurch die dynamischen Eigenschaften des Elements leicht beeinträchtigt werden.
Das Material für den Wärmespeicherbehälter ist Kupfer. Um Korrosion durch das Gas zu verhindern, kann die Innenwand und der Gasweg des Wärmespeichers mit einer Gold- oder Nickelschicht beschichtet werden; alternativ kann auch Edelstahl verwendet werden.
Strukturbildung der Wärmeleitungszelle
Die Struktur der Wärmeleitungszelle ist geradlinig, Konvektion, Diffusion, Konvektionsdiffusion usw., wie in Abbildung 6-3 dargestellt.
(1) Geradeaus
Die Messkammer ist parallel zum Hauptgasweg angeordnet, und das Gas des Hauptgaswegs wird in die Messkammer geleitet. Die Struktur zeichnet sich durch eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit und geringe Hysterese aus, reagiert jedoch empfindlich auf Schwankungen der Gasdurchflussrate.
(2) Konvektion
Die Messkammer ist parallel zum Hauptgaseinlass geschaltet, und ein kleiner Teil des zu messenden Gases strömt in die Messkammer (Zirkulationsrohr). Im Zirkulationsrohr erwärmt sich das Gas durch Wärmekonvektion und wird, der Pfeilrichtung folgend, vom unteren Teil des Rohrs zurück in den Hauptgasweg gedrückt. Vorteilhaft ist, dass Schwankungen des Gasstroms die Messung kaum beeinflussen, allerdings ist die Reaktionsgeschwindigkeit langsam und die Verzögerung groß.
(3) Diffusion
Im oberen Bereich des Hauptgaswegs ist eine Messkammer angeordnet, in die das zu messende Gas durch Diffusion strömt. Die Vorteile dieser Konstruktion liegen in ihrer geringeren Anfälligkeit gegenüber Schwankungen der Gasdurchflussrate und ihrer Eignung für Gase mit geringerer Masse, die sich leicht diffundieren lassen. Allerdings weist sie bei Gasen mit kleinerem Diffusionskoeffizienten eine größere Hysterese auf.
(4) Konvektionsdiffusion
Um die Verzögerung zu reduzieren, wird ein Abzweigrohr zur Strömungstrennung auf Diffusionsbasis hinzugefügt. Wenn das Probengas aus dem Hauptgasweg strömt, gelangt ein Teil des Gases diffus in die Messkammer und wird durch den Widerstandsdraht erhitzt, wodurch eine aufsteigende Gasströmung entsteht. Aufgrund der Drosselöffnung gelangt nur ein Teil des Luftstroms durch die Drosselöffnung in das Abzweigrohr, wird abgekühlt, nach unten geleitet und schließlich in den Hauptgasweg abgeleitet. Die Wärmeleitfähigkeit des Gasstrom-Überhitzungsleitbehälters beruht sowohl auf Konvektion als auch auf Diffusion; daher spricht man von Konvektionsdiffusion. Die Struktur verhindert Gasrückströmung und Gasansammlungen in der Diffusionskammer und gewährleistet so einen konstanten Durchfluss des Probengases. Die Wärmeleitzelle ist unempfindlich gegenüber Druck- und Durchflussänderungen des Probengases und weist eine kürzere Verzögerungszeit als die Diffusionszelle auf. Aufgrund dieser Vorteile findet die Konvektionsdiffusions-Wärmeleitzelle breite Anwendung.
Messbrücke
Aus der obigen Einleitung geht hervor, dass die Funktion der Wärmeleitfähigkeitszelle darin besteht, die Konzentration der Komponenten im Gasgemisch in eine Änderung des Widerstandswerts des Widerstandsdrahts umzuwandeln. Die Verwendung einer Brücke zur Widerstandsmessung ist sehr praktisch und bietet eine relativ hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit. Daher verwenden die verschiedenen Arten von Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysatoren fast immer die Brücke als Messglied.
Um Stromschwankungen in der Brücke oder den Einfluss von Änderungen der äußeren Bedingungen zu reduzieren, sind in der Regel ein Messbrückenarm und ein Referenzbrückenarm angeordnet. Der Messarm ist die Wärmeleitzelle für den Probengasstrom, der Referenzarm die Wärmeleitzelle für das Referenzgas (oder das durchströmende Referenzgas). Beide weisen identische Abmessungen auf. Der Referenzarm befindet sich am Brückenarm neben dem Messarm und hat folgende Funktion:
① Der Wärmeverlust des Messarms durch Strömung und Strahlung ist nahezu gleich dem des Referenzarms und hebt sich gegenseitig auf. Die Änderung des Widerstands des Heizdrahts wird hauptsächlich durch die Wärmeleitung, d. h. durch die Änderung der Wärmeleitfähigkeit des Gases, bestimmt.
②Wenn die Temperaturänderung des Wärmeleitungszellenarms durch die Temperaturänderung der Umgebung verursacht wird, ändern sich der Referenzarm und der Messarm in die gleiche Richtung, was sich gegenseitig aufhebt und vorteilhaft ist, um den Einfluss der Temperaturänderung auf das Messergebnis abzuschwächen.
③ Durch die Änderung der Referenzgaskonzentration wird die untere Nachweisgrenze der Brückenmessung verändert, was eine bequeme Änderung des Messbereichs des Instruments ermöglicht.
In der Brückenstruktur und der Brückenarmkonfiguration gibt es verschiedene Formen, wie z. B. einarmige, in Reihe geschaltete, unsymmetrische Brücken, einarmige, parallel geschaltete, unsymmetrische Brücken und zweiarmige, in Reihe-Parallel geschaltete, unsymmetrische Brücken. Abbildung 6-4 zeigt die Struktur der heutzutage häufig verwendeten zweiarmigen, in Reihe-Parallel geschalteten, unsymmetrischen Brücke. Sie verwendet zwei Mess- und zwei Referenzwärmeleitzellen. In der Abbildung bezeichnet Rm den Widerstand des Messarms und Rs den Widerstand des Referenzarms. Die beiden Mess- und die beiden Referenzarme sind in Abständen angeordnet und bilden eine zweiarmige Reihenschaltung. Das Probengas durchströmt die beiden Wärmeleitzellen nacheinander.
Der Ausgang der Brücke im Ausgangszustand ist:
Die obige Formel beschreibt den Zusammenhang zwischen △Rm und △Uo und gibt gleichzeitig die Messempfindlichkeit dieser Brückenart an. Im Vergleich zu einer einarmigen Brücke gleicher Bauart hat sich die Messempfindlichkeit verdoppelt.
Abbildung 6-5 zeigt eine kombinierte Wärmeleitungszelle, die in einer zweiarmigen seriell-parallelen unsymmetrischen Brücke verwendet wird. Sie besteht aus zwei Messwärmeleitungszellen und zwei Referenzwärmeleitungszellen, deren Zuleitungen jeweils mit den vier Armen der Messbrücke verbunden sind. Jede Wärmeleitungszelle weist eine Konvektionsdiffusionsstruktur auf.
Die vier Wärmeleitbecken bestehen aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit. Dadurch wird sichergestellt, dass Mess- und Referenzbecken die gleiche Temperatur aufweisen. Bei Änderungen der Umgebungstemperatur ist der Einfluss auf die vier Beckenwände gleichmäßig, was den Messfehler reduziert. Mithilfe einer Temperaturregelung lässt sich die Temperatur des gesamten Wärmeleitbeckens bei hohen Messgenauigkeiten konstant halten.
Fortschritte bei Wärmeleitfähigkeitsdetektoren
Das Innenvolumen der Wärmeleitfähigkeitszelle liegt im Milliliterbereich, die untere Messgrenze bei etwa 100 ppm. Dank Fortschritten in der Sensortechnik werden Mikro-Wärmeleitfähigkeitsdetektoren in Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysatoren und Wärmeleitfähigkeits-Gaschromatographen im Ausland eingesetzt. Dabei wird das Volumen der Wärmeleitfähigkeitszelle mikrometergroß, und auch das Wärmeelement ist mikrometergroß. Dies verbessert die Empfindlichkeit der Messung erheblich, sodass die untere Messgrenze nun in den Bereich von 10 ppm, ja sogar in den Bereich von 1 ppm, sinkt. Wie in Abbildung 6-6 dargestellt, wird dieser Dünnschichtwiderstand mittels Ultramikrolithographie mit sehr dünnen Platindrähten auf einem Siliziumwafer hergestellt. Die Abbildung zeigt, dass die Struktur der Wärmeleitfähigkeitszelle diffusionsbasiert ist.
Gesamter Maschinenkreislauf
Die Schaltung des Wärmeleitungs -Wasserstoffanalysators CI2000-RQD wurde bereits in zahlreichen Büchern und Lehrmaterialien beschrieben. Am Beispiel des von der Chang Ai Electronics Company hergestellten Wärmeleitungs-Wasserstoffanalysators CI2000-RQD wird die gesamte Schaltung eines solchen Gasanalysators kurz erläutert.
Im Schaltkreis des CI2000-RQD kommen Mikroprozessor- und digitale Signalverarbeitungstechnologie zum Einsatz. Der gesamte Schaltkreis ist in Abbildung 6-7 dargestellt. Die Wärmeleitungsstruktur in der Abbildung entspricht dem Konvektions-Diffusions-Typ. Die Messbrücken-Stromversorgung erfolgt über eine Stromquellenschaltung. Das Messsignal der Wheatstone-Brücke wird an einen softwaregesteuerten Verstärker gesendet, verstärkt und durch einen Butterworth-Tiefpassfilter gefiltert. Die A/D-Wandlung wird anschließend von einem Mikroprozessor gesteuert. Die gewandelten Daten werden dann softwareseitig digitalisiert, wobei Filterung, Linearisierung, Skalierung, Fehlerberechnung und Kompensation von Temperatur- und Druckeinflüssen etc. durchgeführt werden. Abschließend wird das Signal ausgegeben.
Anwendungen
Der Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysator ist eine effektive Methode zur Messung einer Komponente in zwei Gasgemischen (mit sehr großem Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit). Die Erfindung wird hauptsächlich zur Messung von H₂ eingesetzt, findet aber auch häufig Anwendung bei der Bestimmung des Gehalts an CO₂, SO₂ und Ar und hat ein breites Anwendungsgebiet. Hier einige typische Anwendungsbeispiele:
Messung des H2-Gehalts im Synthesegas einer Ammoniakanlage
H2-Reinheitsmessung in einer Hydrierungsanlage
Messung des CO2-Gehalts im Ofenabgas
Messung des SO2-Gehalts im Produktionsprozess von Schwefelsäure und Phosphatdünger
Messung des Ar-Gehalts in einer Luftzerlegungsvorrichtung
Messung von O2 in reinem H2 und H2 in reinem O2 während der Wasserstoffproduktion und Sauerstoffelektrolyse
Messung von H₂ in Cl₂ im Chlorproduktionsprozess
Messung des H2-Gehalts in Kohlenwasserstoffgas
Überwachung des H2- und CO2-Gehalts in wasserstoffgekühlten Stromaggregaten
Überwachung bei der Reingasproduktion, wie z. B. He in N2, Ar in O2 usw.
Analyse von Messfehlern
Wärmeleitfähige Gasanalysegeräte sind Analyseinstrumente mit geringer Selektivität. Obwohl bei der Konstruktion und Fertigung verschiedene Maßnahmen ergriffen, die Betriebsbedingungen spezifiziert und der Einfluss einiger Störfaktoren teilweise unterdrückt oder abgeschwächt wurden, liegt der Grundfehler des Analysators im Allgemeinen innerhalb von ±2 %. Hauptgrund hierfür ist der Einfluss der Hintergrundgaszusammensetzung auf die Analyseergebnisse.
Der Wärmeleitfähigkeitsdetektor eines industriellen Gaschromatographen und der eines Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysators sind zwar identisch, die Messgenauigkeit des Detektors ist jedoch höher. Dies liegt daran, dass nach der Trennung der Probe durch die chromatographische Säule nur noch das binäre Gasgemisch aus einer einzelnen Komponente und einem Trägergas in den Wärmeleitfähigkeitsbehälter gelangt. Bei einem Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysator ist dies schwieriger zu realisieren. Das Hintergrundgas ist häufig ein Gemisch mehrerer Gase, die die Wärmeleitfähigkeit des Probengases unterschiedlich stark beeinflussen. Je stärker sich die Zusammensetzung des Hintergrundgases ändert, desto größer ist dieser Einfluss.
Der Messfehler des wärmeleitenden Gasanalysegeräts setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: dem Grundfehler und dem Zusatzfehler. Der Grundfehler wird durch das Messprinzip, die Konstruktionsmerkmale, die Signalumwandlungsgenauigkeit der einzelnen Messglieder und die Genauigkeit des Anzeigegeräts bestimmt. Er beschreibt den Fehler des Analysegeräts im Betrieb unter den vorgegebenen Bedingungen. Der Zusatzfehler entsteht durch Justierungen des Geräts, unsachgemäße Bedienung oder Änderungen der äußeren Bedingungen. Zu den Hauptfaktoren für den Zusatzfehler des wärmeleitenden Gasanalysegeräts zählen: die Zusammensetzung und Genauigkeit des Referenzgases; Störungen durch Komponenten, Staub und Tröpfchen; Druck, Durchflussrate und Temperatur des Probengases; sowie Stromänderungen in der Messbrücke.
Einfluss der Zusammensetzung und Präzision des Standardgases
Wärmeleitfähige Gasanalysegeräte müssen, wie andere Analysegeräte auch, regelmäßig mit Standardgas kalibriert werden. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass sie eine größere Menge Standardgas benötigen. Prinzipiell sollten Zusammensetzung und Konzentration des Hintergrundgases im Standardgas mit denen des Messgases übereinstimmen, was in der Praxis schwer zu erreichen ist. Die Wärmeleitfähigkeit des Hintergrundgases im Standardgas muss jedoch mit der des Messgases übereinstimmen, andernfalls müssen die Kalibrierungsergebnisse korrigiert werden. Um die Genauigkeit des Standardgases zu gewährleisten, darf der Fehler zudem nicht mehr als die Hälfte des Grundfehlers des Geräts betragen.
Auswirkungen in Gegenwart von Störkomponenten im Probengas
Das Vorhandensein von Störkomponenten im Probengas ist ein wichtiger Faktor für zusätzliche Messfehler. Beispielsweise stellt bei der Analyse des CO₂-Gehalts im Rauchgas mittels eines CO₂-Wärmeleitfähigkeitsanalysators SO₂ im Rauchgas die Störkomponente dar, deren Wärmeleitfähigkeit nur halb so groß ist wie die von CO₂. Beträgt der SO₂-Gehalt im Rauchgas 1 %, ergibt sich ein Messfehler von nahezu 2 %. Daher ist es notwendig, die Störkomponenten im Hintergrundgas und deren Einfluss auf die Messung zu verstehen. Tabelle 6-2 zeigt den Einfluss der Störkomponenten im Messgas auf den Nullpunkt der Wasserstoffgehaltsmessung.
Anwendungen
Der Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysator ist eine effektive Methode zur Messung einer Komponente in zwei Gasgemischen (mit sehr großem Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit). Die Erfindung wird hauptsächlich zur Messung von H₂ eingesetzt, findet aber auch häufig Anwendung bei der Bestimmung des Gehalts an CO₂, SO₂ und Ar und hat ein breites Anwendungsgebiet. Hier einige typische Anwendungsbeispiele:
Messung des H2-Gehalts im Synthesegas einer Ammoniakanlage
H2-Reinheitsmessung in einer Hydrierungsanlage
Messung des CO2-Gehalts im Ofenabgas
Messung des SO2-Gehalts im Produktionsprozess von Schwefelsäure und Phosphatdünger
Messung des Ar-Gehalts in einer Luftzerlegungsvorrichtung
Messung von O2 in reinem H2 und H2 in reinem O2 während der Wasserstoffproduktion und Sauerstoffelektrolyse
Messung von H₂ in Cl₂ im Chlorproduktionsprozess
Messung des H2-Gehalts in Kohlenwasserstoffgas
Überwachung des H2- und CO2-Gehalts in wasserstoffgekühlten Stromaggregaten
Überwachung bei der Reingasproduktion, wie z. B. He in N2, Ar in O2 usw.
Analyse von Messfehlern
Wärmeleitfähige Gasanalysegeräte sind Analyseinstrumente mit geringer Selektivität. Obwohl bei der Konstruktion und Fertigung verschiedene Maßnahmen ergriffen, die Betriebsbedingungen spezifiziert und der Einfluss einiger Störfaktoren teilweise unterdrückt oder abgeschwächt wurden, liegt der Grundfehler des Analysators im Allgemeinen innerhalb von ±2 %. Hauptgrund hierfür ist der Einfluss der Hintergrundgaszusammensetzung auf die Analyseergebnisse.
Der Wärmeleitfähigkeitsdetektor eines industriellen Gaschromatographen und der eines Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysators sind zwar identisch, die Messgenauigkeit des Detektors ist jedoch höher. Dies liegt daran, dass nach der Trennung der Probe durch die chromatographische Säule nur noch das binäre Gasgemisch aus einer einzelnen Komponente und einem Trägergas in den Wärmeleitfähigkeitsbehälter gelangt. Bei einem Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysator ist dies schwieriger zu realisieren. Das Hintergrundgas ist häufig ein Gemisch mehrerer Gase, die die Wärmeleitfähigkeit des Probengases unterschiedlich stark beeinflussen. Je stärker sich die Zusammensetzung des Hintergrundgases ändert, desto größer ist dieser Einfluss.
Der Messfehler des wärmeleitenden Gasanalysegeräts setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: dem Grundfehler und dem Zusatzfehler. Der Grundfehler wird durch das Messprinzip, die Konstruktionsmerkmale, die Signalumwandlungsgenauigkeit der einzelnen Messglieder und die Genauigkeit des Anzeigegeräts bestimmt. Er beschreibt den Fehler des Analysegeräts im Betrieb unter den vorgegebenen Bedingungen. Der Zusatzfehler entsteht durch Justierungen des Geräts, unsachgemäße Bedienung oder Änderungen der äußeren Bedingungen. Zu den Hauptfaktoren für den Zusatzfehler des wärmeleitenden Gasanalysegeräts zählen: die Zusammensetzung und Genauigkeit des Referenzgases; Störungen durch Komponenten, Staub und Tröpfchen; Druck, Durchflussrate und Temperatur des Probengases; sowie Stromänderungen in der Messbrücke.
Einfluss der Zusammensetzung und Präzision des Standardgases
Wärmeleitfähige Gasanalysegeräte müssen, wie andere Analysegeräte auch, regelmäßig mit Standardgas kalibriert werden. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass sie eine größere Menge Standardgas benötigen. Prinzipiell sollten Zusammensetzung und Konzentration des Hintergrundgases im Standardgas mit denen des Messgases übereinstimmen, was in der Praxis schwer zu erreichen ist. Die Wärmeleitfähigkeit des Hintergrundgases im Standardgas muss jedoch mit der des Messgases übereinstimmen, andernfalls müssen die Kalibrierungsergebnisse korrigiert werden. Um die Genauigkeit des Standardgases zu gewährleisten, darf der Fehler zudem nicht mehr als die Hälfte des Grundfehlers des Geräts betragen.
Auswirkungen in Gegenwart von Störkomponenten im Probengas
Das Vorhandensein von Störkomponenten im Probengas ist ein wichtiger Faktor für zusätzliche Messfehler. Beispielsweise stellt bei der Analyse des CO₂-Gehalts im Rauchgas mittels eines CO₂-Wärmeleitfähigkeitsanalysators SO₂ im Rauchgas die Störkomponente dar, deren Wärmeleitfähigkeit nur halb so groß ist wie die von CO₂. Beträgt der SO₂-Gehalt im Rauchgas 1 %, ergibt sich ein Messfehler von nahezu 2 %. Daher ist es notwendig, die Störkomponenten im Hintergrundgas und deren Einfluss auf die Messung zu verstehen. Tabelle 6-2 zeigt den Einfluss der Störkomponenten im Messgas auf den Nullpunkt der Wasserstoffgehaltsmessung.
