เครื่องวิเคราะห์ก๊าซนำความร้อน

ค่าการนำความร้อนของก๊าซ

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซโดยวิธีวัดค่าการนำความร้อนเป็นเครื่องมือสำหรับวิเคราะห์องค์ประกอบของก๊าซโดยการวัดค่าการนำความร้อนของก๊าซผสมตามค่าการนำความร้อนที่แตกต่างกันของสารต่างๆ เป็นที่ทราบกันดีว่าการถ่ายเทความร้อนมีสามวิธีพื้นฐาน ได้แก่ การพาความร้อน การแผ่รังสีความร้อน และการนำความร้อน ในเครื่องวิเคราะห์ก๊าซโดยวิธีวัดค่าการนำความร้อนนั้น จะใช้ประโยชน์จากการแลกเปลี่ยนความร้อนที่เกิดจากการนำความร้อนอย่างเต็มที่ และลดการสูญเสียความร้อนที่เกิดจากการพาความร้อนและการแผ่รังสีความร้อนให้น้อยที่สุด

ค่าการนำความร้อนบ่งบอกถึงค่าการนำความร้อนของวัสดุ และความสัมพันธ์ระหว่างค่าการนำความร้อนของวัสดุสามารถอธิบายได้ด้วยกฎของฟูริเยร์ ดังแสดงในรูปที่ 6-1 มีความแตกต่างของอุณหภูมิในสาร และอุณหภูมิที่ตั้งไว้จะค่อยๆ ลดลงตามทิศทาง ox พิจารณาจุดสองจุด a และ b ในทิศทาง ox โดยมีระยะห่าง △x Ta และ Tb คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของจุด a และ b ตามลำดับ อัตราการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิตามทิศทาง ox เรียกว่าความชันของอุณหภูมิของจุดตามทิศทาง ox พิจารณาพื้นที่เล็กๆ △s ระหว่าง a และ b ในทิศทางแนวตั้งของ ox จากการทดลอง จะเห็นได้ว่าในช่วงเวลา △t การถ่ายเทความร้อนจากจุดที่มีอุณหภูมิสูงผ่านพื้นที่เล็กๆ △s เป็นสัดส่วนกับเวลา △t และความชันของอุณหภูมิ △T/△x และยังเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของสารด้วย สมการคือ:

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซค่าการนำความร้อน 1

สูตร (6-1) แสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างการถ่ายเทความร้อนและพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งเรียกว่ากฎของฟูริเยร์ เครื่องหมายลบในสูตรบ่งชี้การถ่ายเทความร้อนไปในทิศทางที่อุณหภูมิลดลง สัมประสิทธิ์สัดส่วน λ เรียกว่าค่าการนำความร้อนของตัวกลางถ่ายเทความร้อน (เรียกอีกอย่างว่าค่าการนำความร้อน)

ค่าการนำความร้อนเป็นคุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญอย่างหนึ่งของสสาร ซึ่งบ่งบอกถึงความสามารถของสสารในการนำความร้อน ค่าการนำความร้อนของวัสดุต่าง ๆ ก็แตกต่างกัน และแปรผันไปตามองค์ประกอบ ความดัน ความหนาแน่น อุณหภูมิ และความชื้น

ในสูตร (6-1) สามารถหาได้ดังนี้:

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซค่าการนำความร้อน 4

ค่าการนำความร้อนของก๊าซผสม

ส่วนประกอบทั้งหมด ยกเว้นส่วนประกอบที่ต้องการวัดในก๊าซผสม เรียกว่า ก๊าซพื้นหลัง และส่วนประกอบที่มีผลต่อการวิเคราะห์ในก๊าซพื้นหลัง เรียกว่า ส่วนประกอบรบกวน

สัดส่วนปริมาตรของส่วนประกอบแต่ละชนิดในก๊าซผสมคือ C1, C2, C3,…、Cn… ค่าการนำความร้อนคือ λ1, λ2, λ3,…、λn ปริมาณและค่าการนำความร้อนของส่วนประกอบที่ต้องการวัดคือ C1 และ λ1 เงื่อนไขสองข้อต่อไปนี้ต้องเป็นไปตามที่กำหนดเพื่อให้สามารถวัดด้วยเครื่องวิเคราะห์ค่าการนำความร้อนได้

①

ค่าการนำความร้อนของแต่ละองค์ประกอบของก๊าซพื้นหลังจะต้องเท่ากันโดยประมาณหรือใกล้เคียงกันมาก ดังนี้:

λ2≈λ3≈λ4…≈λn

②ค่าการนำความร้อนของชิ้นส่วนที่จะวัดนั้นแตกต่างจากค่าการนำความร้อนของก๊าซโดยรอบอย่างเห็นได้ชัด และยิ่งความแตกต่างมากเท่าไร ค่าการนำความร้อนก็ยิ่งดีขึ้นเท่านั้น

λ1》λ2 หรือ λ1《λ2

เมื่อเงื่อนไขทั้งสองข้างต้นเป็นไปตามที่กำหนด:

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซค่าการนำความร้อน 5

λ ในสูตร——ค่าการนำความร้อนของก๊าซผสม

ค่าการนำความร้อนขององค์ประกอบ i ในก๊าซผสม

Ci——สัดส่วนปริมาตรขององค์ประกอบ i ในก๊าซผสม

สูตร (6-5) แสดงให้เห็นว่าปริมาณของส่วนประกอบ C1 สามารถหาได้โดยการวัดค่าการนำความร้อน λ ของก๊าซผสม

องค์ประกอบและหลักการทำงานของเครื่องดนตรี

ส่วนประกอบของเครื่องวิเคราะห์ก๊าซนำความร้อนสามารถแบ่งออกเป็นสองส่วน คือ ส่วนตรวจจับการนำความร้อนและส่วนวงจร ส่วนตรวจจับการนำความร้อน (โดยทั่วไปเรียกว่าตัวส่งสัญญาณ) ประกอบด้วยเซลล์นำความร้อนและบริดจ์วัด โดยเซลล์นำความร้อนจะเชื่อมต่อกับแขนของบริดจ์วัด ดังนั้นทั้งสองส่วนจึงแยกจากกันไม่ได้ ส่วนวงจรประกอบด้วยแหล่งจ่ายไฟรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า ตัวควบคุมอุณหภูมิคงที่ วงจรขยายสัญญาณ วงจรปรับค่าเชิงเส้น และวงจรเอาต์พุต

หลักการทำงานของเซลล์นำความร้อน

เนื่องจากค่าการนำความร้อนของก๊าซมีค่าน้อยมาก การเปลี่ยนแปลงจึงน้อยตามไปด้วย ทำให้ยากที่จะวัดได้อย่างแม่นยำด้วยวิธีโดยตรง แต่ด้วยวิธีทางอ้อม การเปลี่ยนแปลงค่าการนำความร้อนของก๊าซผสมจะถูกแปลงเป็นการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานขององค์ประกอบความร้อน ซึ่งการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานนั้นสามารถวัดได้อย่างแม่นยำง่ายกว่า

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซค่าการนำความร้อน 6

ภาพที่ 6-2 แสดงหลักการทำงานของเซลล์นำความร้อน โดยใช้ลวดต้านทานที่มีค่าความต้านทานสูงและค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิสูงกว่า ยึดและแขวนไว้ที่กึ่งกลางของเปลือกโลหะทรงกระบอกที่มีคุณสมบัติการนำความร้อนที่ดี ปลายทั้งสองข้างของเปลือกมีช่องสำหรับก๊าซเข้าและออก เติมก๊าซที่ต้องการวัดลงในกระบอก และให้ความร้อนแก่ลวดต้านทานด้วยกระแสไฟฟ้าคงที่

เนื่องจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านลวดต้านทานมีค่าคงที่ ความร้อนที่เกิดขึ้นในหน่วยเวลาบนลวดต้านทานจึงมีค่าคงที่เช่นกัน เมื่อก๊าซตัวอย่างที่จะทดสอบไหลผ่านเซลล์ด้วยความเร็วต่ำ ความร้อนบนลวดต้านทานจะถูกถ่ายเทไปยังผนังเซลล์โดยก๊าซในลักษณะการนำความร้อน เมื่ออัตราการถ่ายเทความร้อนของก๊าซเท่ากับอัตราการให้ความร้อนของกระแสไฟฟ้าบนลวดต้านทาน (สภาวะนี้เรียกว่าสมดุลความร้อน) อุณหภูมิของลวดต้านทานจะคงที่ที่ค่าหนึ่ง ซึ่งอุณหภูมิสมดุลนี้จะเป็นตัวกำหนดค่าความต้านทานของลวดต้านทาน หากความเข้มข้นของส่วนประกอบที่จะวัดในก๊าซผสมเปลี่ยนแปลง ค่าการนำความร้อนของก๊าซผสมก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย อัตราการนำความร้อนของก๊าซและอุณหภูมิสมดุลของลวดต้านทานก็จะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย ส่งผลให้ค่าความต้านทานของลวดต้านทานเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย จึงทำให้สามารถแปลงค่าระหว่างค่าการนำความร้อนของก๊าซกับค่าความต้านทานของลวดต้านทานได้

ความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานของลวดและค่าการนำความร้อนของส่วนผสมก๊าซนั้นแสดงได้ด้วยสูตรต่อไปนี้ (ไม่แสดงวิธีพิสูจน์)

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซค่าการนำความร้อน 7

ในสูตรนี้ จะได้ค่าความต้านทานของลวดร้อน Rn, R0 ที่อุณหภูมิ tn(°C) (อุณหภูมิของลวดร้อนที่อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน) และที่ 0°C

ก—ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิความต้านทานของลวดร้อน

tc——อุณหภูมิของผนังเซลล์อากาศของเซลล์วัดค่าการนำความร้อน

กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านลวดความร้อน

λ—ค่าการนำความร้อนของก๊าซผสม

K—ค่าคงที่เกจ ซึ่งเป็นค่าคงที่ที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างของเซลล์นำความร้อน

สูตร (6-6) แสดงให้เห็นว่า Rn และ λ เป็นฟังก์ชันค่าเดียวเมื่อ K, tc และ I เป็นค่าคงที่

วัสดุไส้หลอดความร้อนใช้ลวดแพลทินัมหลายเส้น (หรือลวดแพลทินัมอิริเดียม) ซึ่งลวดแพลทินัมมีความทนทานต่อการกัดกร่อนสูง มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิความต้านทานสูง และมีความเสถียรสูง ลวดแพลทินัมสามารถสัมผัสกับก๊าซตัวอย่างโดยตรงเพื่อเพิ่มความเร็วในการตอบสนองของการวิเคราะห์ อย่างไรก็ตาม ลวดแพลทินัมสึกกร่อนและเสื่อมสภาพได้ง่ายในก๊าซรีดิวซ์ ซึ่งทำให้ค่าความต้านทานเปลี่ยนแปลง และในบางกรณีก็ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วย ด้วยเหตุนี้ จึงมักใช้ฟิล์มแก้วเคลือบผิวลวดแพลทินัม องค์ประกอบที่ไวต่อความร้อนที่เคลือบด้วยฟิล์มแก้วมีข้อดีคือทนทานต่อการกัดกร่อนสูง (สามารถวัดไฮโดรเจนในคลอรีนได้) และทำความสะอาดง่าย แต่การมีอยู่ของฟิล์มแก้วทำให้เวลาในการเข้าสู่สมดุลทางความร้อนระหว่างก๊าซและลวดแพลทินัมช้าลง ดังนั้นคุณลักษณะทางไดนามิกขององค์ประกอบจึงด้อยลงเล็กน้อย

วัสดุที่ใช้ในการผลิตตัวถังนำความร้อนคือทองแดง เพื่อป้องกันการกัดกร่อนของก๊าซ สามารถเคลือบชั้นทองหรือนิกเกิลบนผนังด้านในและทางเดินก๊าซของถังนำความร้อนได้ นอกจากนี้ยังสามารถใช้สแตนเลสในการผลิตได้เช่นกัน

การสร้างโครงสร้างของเซลล์นำความร้อน

โครงสร้างของเซลล์นำความร้อนมีทั้งแบบส่งผ่านตรง แบบพาความร้อน แบบแพร่ แบบพาความร้อนและแพร่ และอื่นๆ ดังแสดงในรูปที่ 6-3

(1) ผ่านตรง

ห้องวัดวางตัวขนานกับทางเดินก๊าซหลัก และก๊าซจากทางเดินก๊าซหลักจะถูกส่งไปยังห้องวัด โครงสร้างนี้มีอัตราการตอบสนองที่รวดเร็วและมีฮิสเทอรีซิสน้อย แต่ได้รับผลกระทบได้ง่ายจากการผันผวนของอัตราการไหลของก๊าซ

(2) การพาความร้อน

ห้องวัดเชื่อมต่อกับทางเข้าของทางเดินก๊าซหลักแบบขนาน และก๊าซที่จะวัดส่วนเล็ก ๆ จะเข้าสู่ห้องวัด (ท่อหมุนเวียน) ก๊าซจะถูกทำให้ร้อนในท่อหมุนเวียน ซึ่งทำให้เกิดการพาความร้อน และผลักก๊าซให้ไหลกลับจากส่วนล่างของท่อหมุนเวียนไปยังทางเดินก๊าซหลักตามทิศทางลูกศร ข้อดีคือความผันผวนของการไหลของก๊าซมีผลกระทบต่อการวัดน้อย แต่ความเร็วในการตอบสนองช้าและมีค่าความหน่วงมาก

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซค่าการนำความร้อน 8

(3)การแพร่กระจาย

ห้องวัดถูกจัดวางไว้ที่ส่วนบนของทางเดินก๊าซหลัก และก๊าซที่จะวัดจะเข้าสู่ห้องวัดผ่านกลไกการแพร่ ข้อดีของโครงสร้างนี้คือ ได้รับผลกระทบจากการผันผวนของอัตราการไหลของก๊าซน้อย เหมาะสำหรับก๊าซที่มีมวลเบาซึ่งแพร่ได้ง่าย แต่จะมีค่าความคลาดเคลื่อน (hysteresis) มากกว่าสำหรับก๊าซที่มีค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ต่ำ

(4) การแพร่แบบพาความร้อน

มีการเพิ่มท่อแยกเพื่อสร้างการแยกการไหลบนพื้นฐานของแบบการแพร่กระจายเพื่อลดเวลาหน่วง เมื่อก๊าซตัวอย่างไหลจากทางเดินก๊าซหลัก ก๊าซส่วนหนึ่งจะเข้าสู่ห้องวัดในโหมดการแพร่กระจาย และถูกทำให้ร้อนโดยลวดต้านทานเพื่อสร้างการไหลของก๊าซขึ้นด้านบน เนื่องจากข้อจำกัดของรูควบคุมการไหล มีเพียงส่วนหนึ่งของกระแสอากาศเท่านั้นที่เข้าสู่ท่อแยกผ่านรูควบคุมการไหล ถูกทำให้เย็นลงและเคลื่อนที่ลงด้านล่าง และในที่สุดก็ถูกปล่อยเข้าสู่ทางเดินอากาศหลัก พลังงานของถังนำความร้อนของการไหลของก๊าซมีทั้งการพาความร้อนและการแพร่กระจาย ดังนั้นจึงเรียกว่าการแพร่กระจายแบบพาความร้อน โครงสร้างนี้สามารถป้องกันปรากฏการณ์การไหลย้อนกลับของก๊าซได้ และยังหลีกเลี่ยงการสะสมของก๊าซในห้องแพร่กระจาย จึงมั่นใจได้ว่าก๊าซตัวอย่างจะมีอัตราการไหลที่แน่นอน เซลล์นำความร้อนไม่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของความดันและอัตราการไหลของก๊าซตัวอย่าง และเวลาหน่วงสั้นกว่าการแพร่กระจาย เนื่องจากข้อดีดังกล่าว เซลล์นำความร้อนแบบการพาความร้อนและการแพร่กระจายจึงถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลาย

สะพานวัดระยะ

จากบทนำข้างต้น เราจะเห็นได้ว่าหน้าที่ของเซลล์วัดค่าการนำความร้อนคือการเปลี่ยนความเข้มข้นของส่วนประกอบในก๊าซผสมให้กลายเป็นค่าความต้านทานของลวดต้านทาน การใช้บริดจ์ในการวัดความต้านทานนั้นสะดวกมาก และมีความไวและความแม่นยำค่อนข้างสูง ดังนั้นเครื่องวิเคราะห์ก๊าซวัดค่าการนำความร้อนประเภทต่างๆ จึงมักใช้บริดจ์เป็นตัวเชื่อมต่อการวัด

ในการวัดด้วยบริดจ์ เพื่อลดความผันผวนของกระแสไฟฟ้าในบริดจ์หรืออิทธิพลของการเปลี่ยนแปลงของสภาวะภายนอก โดยทั่วไปจะมีการจัดวางแขนบริดจ์สำหรับวัดและแขนบริดจ์สำหรับอ้างอิง โดยแขนสำหรับวัดจะเป็นเซลล์นำความร้อนของก๊าซตัวอย่าง และแขนสำหรับอ้างอิงจะเป็นเซลล์นำความร้อนของก๊าซอ้างอิงที่บรรจุอยู่ภายใน (หรือก๊าซอ้างอิงที่ไหลผ่าน) โดยทั้งสองแขนจะมีขนาดโครงสร้างที่เหมือนกัน แขนสำหรับอ้างอิงจะวางอยู่บนแขนบริดจ์ติดกับแขนสำหรับวัดและทำหน้าที่ดังต่อไปนี้

①การสูญเสียความร้อนของแขนวัดผ่านการไหลและการแผ่รังสีเกือบจะเท่ากับการสูญเสียความร้อนของแขนอ้างอิง และทั้งสองจะหักล้างกัน การเปลี่ยนแปลงความต้านทานของลวดร้อนส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยการนำความร้อน กล่าวคือ การเปลี่ยนแปลงความสามารถในการนำความร้อนของก๊าซ

②เมื่ออุณหภูมิของแขนเซลล์นำความร้อนเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสภาพแวดล้อม แขนอ้างอิงและแขนวัดจะเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางเดียวกัน ซึ่งจะหักล้างกันและเป็นประโยชน์ในการลดอิทธิพลของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มีต่อผลการวัด

③การเปลี่ยนความเข้มข้นของก๊าซอ้างอิงจะทำให้ความเข้มข้นต่ำสุดของการตรวจวัดแบบบริดจ์เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งสะดวกต่อการเปลี่ยนช่วงการวัดของเครื่องมือ

ในโครงสร้างสะพานและรูปแบบการจัดเรียงแขนสะพาน มีหลายรูปแบบ เช่น สะพานไม่สมดุลแบบแขนเดียวต่ออนุกรม สะพานไม่สมดุลแบบแขนเดียวต่อขนาน และสะพานไม่สมดุลแบบสองแขนต่ออนุกรมและขนาน รูปที่ 6-4 แสดงโครงสร้างของสะพานไม่สมดุลแบบสองแขนต่ออนุกรมและขนาน ซึ่งเป็นที่นิยมใช้กันในปัจจุบัน โดยใช้เซลล์นำความร้อนสำหรับวัดสองเซลล์และเซลล์นำความร้อนสำหรับอ้างอิงสองเซลล์ ในรูป Rm คือความต้านทานของแขนวัด และ Rs คือความต้านทานของแขนอ้างอิง แขนวัดทั้งสองและแขนอ้างอิงทั้งสองถูกจัดเรียงในระยะห่างกันเพื่อสร้างโครงสร้างอนุกรมแบบสองแขน และก๊าซตัวอย่างจะไหลผ่านเซลล์นำความร้อนทั้งสองเซลล์แบบอนุกรมตามลำดับ

ผลลัพธ์ของวงจรบริดจ์ในสถานะเริ่มต้นคือ:

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซค่าการนำความร้อน 9

สูตรข้างต้นแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง △Rm และ △Uo และยังเป็นการแสดงถึงความไวในการวัดของสะพานชนิดนี้ด้วย เมื่อเปรียบเทียบกับสะพานแขนเดี่ยวที่มีโครงสร้างเดียวกัน ความไวในการวัดเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซค่าการนำความร้อน 10

ภาพที่ 6-5 แสดงเซลล์นำความร้อนแบบผสมที่ใช้ในบริดจ์แบบไม่สมดุลชนิดอนุกรม-ขนานแบบสองแขน ซึ่งประกอบด้วยเซลล์นำความร้อนสำหรับวัดสองเซลล์และเซลล์นำความร้อนอ้างอิงสองเซลล์ โดยสายไฟของเซลล์เหล่านี้เชื่อมต่อเข้ากับแขนทั้งสี่ของบริดจ์วัดตามลำดับ และเซลล์นำความร้อนแต่ละเซลล์ใช้โครงสร้างแบบการพาความร้อนและการแพร่

สระน้ำนำความร้อนทั้งสี่ทำจากวัสดุโลหะที่มีคุณสมบัติการนำความร้อนที่ดี ทำให้สามารถรักษาอุณหภูมิของสระน้ำที่วัดและสระน้ำอ้างอิงให้เท่ากันได้ และเมื่ออุณหภูมิแวดล้อมเปลี่ยนแปลง ผลกระทบต่อผนังสระน้ำทั้งสี่จะเท่ากัน จึงช่วยลดข้อผิดพลาดในการวัดได้ สามารถใช้เครื่องควบคุมอุณหภูมิเพื่อรักษาอุณหภูมิของสระน้ำนำความร้อนทั้งหมดให้คงที่ในกรณีที่ต้องการความแม่นยำในการวัดสูง

ความก้าวหน้าในเครื่องตรวจจับการนำความร้อน

ปริมาตรภายในของเซลล์วัดค่าการนำความร้อนอยู่ในระดับมิลลิลิตร และขีดจำกัดล่างของการวัดอยู่ในระดับ 100 ppm ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ เครื่องตรวจจับค่าการนำความร้อนขนาดเล็กได้ถูกนำมาใช้ในเครื่องวิเคราะห์ก๊าซค่าการนำความร้อนและเครื่องวิเคราะห์ก๊าซโครมาโทกราฟค่าการนำความร้อนที่ผลิตในต่างประเทศ ปริมาตรของเซลล์วัดค่าการนำความร้อนได้รับการอัพเกรดเป็นขนาดเล็ก และองค์ประกอบความร้อนก็มีขนาดเล็กเช่นกัน ทำให้ความไวในการตรวจสอบดีขึ้นอย่างมาก ขีดจำกัดล่างของการวัดสามารถเข้าถึงระดับ 10 ppm หรือแม้แต่ระดับ 1 ppm ดังแสดงในรูปที่ 6-6 ฟิล์มบางชนิดนี้ถูกสร้างขึ้นบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนโดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์หินด้วยไมโครเลเซอร์ของลวดแพลทินัมที่บางมาก จากรูปเราจะเห็นว่าโครงสร้างของเซลล์วัดค่าการนำความร้อนเป็นแบบกระจายตัว

วงจรเครื่องจักรทั้งหมด

วงจรของ เครื่องวิเคราะห์ไฮโดรเจน แบบนำความร้อน CI2000-RQD ได้รับการกล่าวถึงในหนังสือและสื่อการสอนมากมาย ในที่นี้จะยกตัวอย่างเครื่องวิเคราะห์ไฮโดรเจนแบบนำความร้อน CI2000-RQD ที่ผลิตโดยบริษัท Chang Ai Electronics เพื่ออธิบายวงจรทั้งหมดของเครื่องวิเคราะห์ก๊าซแบบนำความร้อนโดยสังเขป

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซค่าการนำความร้อน 11

วงจร CI2000-RQD ใช้ไมโครโปรเซสเซอร์และเทคโนโลยีการประมวลผลดิจิทัล วงจรทั้งหมดแสดงในรูปที่ 6-7 โครงสร้างบ่อถ่ายเทความร้อนในรูปเป็นแบบการพาความร้อนและการแพร่กระจายความร้อน แหล่งจ่ายไฟของบริดจ์วัดใช้แหล่งจ่ายกระแส สัญญาณการวัดจากบริดจ์วีทสโตนถูกส่งไปยังแอมพลิฟายเออร์ซึ่งสามารถควบคุมได้ด้วยซอฟต์แวร์เพื่อขยายและกรองด้วยตัวกรองความถี่ต่ำแบบบัตเตอร์เวิร์ธ จากนั้นการแปลง A/D จะถูกควบคุมโดยไมโครโปรเซสเซอร์ จากนั้นข้อมูลที่แปลงแล้วจะถูกประมวลผลโดยซอฟต์แวร์ให้เป็นดิจิทัล รวมถึงการกรอง การประมวลผลเชิงเส้น การแปลงมาตราส่วน การคำนวณข้อผิดพลาด และการชดเชยผลกระทบของอุณหภูมิและความดัน เป็นต้น และสุดท้ายส่งออกสัญญาณ

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซค่าการนำความร้อน 12

แอปพลิเคชัน

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซโดยอาศัยค่าการนำความร้อนเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการวัดปริมาณสารประกอบหนึ่งในก๊าซผสมสองชนิด (ซึ่งมีค่าการนำความร้อนแตกต่างกันมาก) สิ่งประดิษฐ์นี้ส่วนใหญ่ใช้ในการวัดปริมาณ H2 และยังนิยมใช้ในการวัดปริมาณ CO2, SO2 และ Ar ด้วย และมีขอบเขตการใช้งานที่กว้างขวาง ต่อไปนี้คือตัวอย่างการใช้งานทั่วไปบางส่วน:

การวัดปริมาณไฮโดรเจนในก๊าซสังเคราะห์จากโรงงานผลิตแอมโมเนีย

การวัดความบริสุทธิ์ของ H2 ในโรงงานไฮโดรจีเนชัน

การวัดปริมาณ CO2 ในก๊าซไอเสียของเตาเผา

การวัดปริมาณ SO2 ในกระบวนการผลิตกรดซัลฟิวริกและปุ๋ยฟอสเฟต

การวัดปริมาณอาร์กอนในอุปกรณ์แยกอากาศ

การวัดปริมาณ O2 ใน H2 บริสุทธิ์ และ H2 ใน O2 บริสุทธิ์ ในกระบวนการผลิตไฮโดรเจนและการแยกออกซิเจนด้วยไฟฟ้า

การวัดปริมาณ H2 ใน Cl2 ในกระบวนการผลิตคลอรีน

การวัดปริมาณไฮโดรเจนในก๊าซไฮโดรคาร์บอน

การตรวจสอบปริมาณ H2 และ CO2 ในชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ระบายความร้อนด้วยไฮโดรเจน

การตรวจสอบในกระบวนการผลิตก๊าซบริสุทธิ์ เช่น ฮีเลียมในไนโตรเจน อาร์กอนในออกซิเจน เป็นต้น

การวิเคราะห์ข้อผิดพลาดในการวัด

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซแบบนำความร้อนเป็นเครื่องมือวิเคราะห์ชนิดหนึ่งที่มีความแม่นยำต่ำ แม้ว่าจะมีการใช้มาตรการต่างๆ ในการออกแบบและการผลิตเครื่องมือ กำหนดเงื่อนไขการทำงาน และลดหรือบรรเทาอิทธิพลของปัจจัยรบกวนบางอย่างไปบ้างแล้ว แต่ความคลาดเคลื่อนพื้นฐานของเครื่องวิเคราะห์โดยทั่วไปยังคงอยู่ในช่วง ±2% สาเหตุหลักมาจากอิทธิพลขององค์ประกอบของก๊าซพื้นหลังต่อผลการวิเคราะห์

ตัวตรวจวัดค่าการนำความร้อนของเครื่องโครมาโทกราฟแก๊สอุตสาหกรรมและตัวตรวจวัดของเครื่องวิเคราะห์แก๊สแบบค่าการนำความร้อนนั้นเหมือนกัน แต่ตัวตรวจวัดค่าการนำความร้อนของเครื่องโครมาโทกราฟแก๊สอุตสาหกรรมมีความแม่นยำในการวัดสูงกว่า เหตุผลก็คือ หลังจากที่ตัวอย่างถูกแยกโดยคอลัมน์โครมาโทกราฟแล้ว จะมีเพียงแก๊สผสมสององค์ประกอบ คือ แก๊สเดี่ยวและแก๊สพาหะเท่านั้นที่เข้าสู่ถังวัดค่าการนำความร้อน แต่การทำเช่นนี้ในเครื่องวิเคราะห์แก๊สแบบค่าการนำความร้อนนั้นทำได้ยากกว่า เนื่องจากแก๊สพื้นหลังมักเป็นส่วนผสมของแก๊สหลายชนิด ซึ่งจะมีผลต่อค่าการนำความร้อนของแก๊สตัวอย่างในระดับที่แตกต่างกัน และเมื่อองค์ประกอบของแก๊สพื้นหลังเปลี่ยนแปลงไป ผลกระทบก็จะยิ่งมากขึ้น

ข้อผิดพลาดในการวัดของเครื่องวิเคราะห์ก๊าซนำความร้อนประกอบด้วยสองส่วน คือ ข้อผิดพลาดพื้นฐานและข้อผิดพลาดเพิ่มเติม ข้อผิดพลาดพื้นฐานเกิดจากหลักการวัด ลักษณะโครงสร้าง ความแม่นยำในการแปลงสัญญาณของแต่ละส่วน และความแม่นยำของเครื่องมือแสดงผล กล่าวคือ ข้อผิดพลาดของเครื่องวิเคราะห์เมื่อทำงานภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด ข้อผิดพลาดเพิ่มเติมเกิดจากการปรับแต่งเครื่องมือ การใช้งานที่ไม่เหมาะสม หรือการเปลี่ยนแปลงของสภาวะภายนอก ปัจจัยหลักของข้อผิดพลาดเพิ่มเติมของเครื่องวิเคราะห์ก๊าซนำความร้อน ได้แก่ องค์ประกอบและความแม่นยำของก๊าซมาตรฐาน การรบกวนจากส่วนประกอบ ฝุ่นละออง และหยดน้ำ ความดัน อัตราการไหล และอุณหภูมิของก๊าซตัวอย่าง และการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าของวงจร

อิทธิพลขององค์ประกอบและความแม่นยำของก๊าซมาตรฐาน

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซแบบนำความร้อน เช่นเดียวกับเครื่องมือวิเคราะห์อื่นๆ จำเป็นต้องได้รับการสอบเทียบอย่างสม่ำเสมอด้วยก๊าซมาตรฐาน แต่ความแตกต่างคือ เครื่องวิเคราะห์ก๊าซแบบนำความร้อนต้องการก๊าซมาตรฐานมากกว่า ในทางทฤษฎีแล้ว องค์ประกอบและปริมาณของก๊าซพื้นหลังในก๊าซมาตรฐานควรเหมือนกับก๊าซที่วัด ซึ่งทำได้ยากในทางปฏิบัติ แต่ค่าการนำความร้อนของก๊าซพื้นหลังในก๊าซมาตรฐานควรสอดคล้องกับก๊าซที่วัด มิฉะนั้นผลการสอบเทียบจะต้องได้รับการแก้ไข นอกจากนี้ เพื่อให้แน่ใจในความถูกต้องของก๊าซมาตรฐาน ข้อผิดพลาดต้องไม่เกินครึ่งหนึ่งของข้อผิดพลาดพื้นฐานของเครื่องมือ

ผลกระทบเมื่อมีส่วนประกอบที่รบกวนอยู่ในก๊าซตัวอย่าง

การมีอยู่ของส่วนประกอบที่รบกวนในก๊าซตัวอย่างเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดเพิ่มเติม ตัวอย่างเช่น เมื่อวิเคราะห์ปริมาณ CO2 ในก๊าซไอเสียโดยใช้เครื่องวิเคราะห์ CO2 แบบใช้การนำความร้อน SO2 ในก๊าซไอเสียจะเป็นส่วนประกอบที่รบกวน และค่าการนำความร้อนของ SO2 คือครึ่งหนึ่งของค่าการนำความร้อนของ CO2 หากปริมาณ SO2 ในก๊าซไอเสียอยู่ที่ 1% ข้อผิดพลาดของผลการวิเคราะห์จะอยู่ที่ประมาณ 2% ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำความเข้าใจส่วนประกอบที่รบกวนในก๊าซพื้นหลังและอิทธิพลของส่วนประกอบเหล่านั้นต่อการวัด ตารางที่ 6-2 แสดงอิทธิพลของส่วนประกอบที่รบกวนในก๊าซที่วัดได้ต่อจุดศูนย์ของการวัดปริมาณไฮโดรเจน

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซค่าการนำความร้อน 13