Isı İletkenliği Gaz Analiz Cihazı

Gazın termal iletkenliği

Isı iletkenliği gaz analizörü, çeşitli maddelerin farklı ısı iletkenliklerine göre karışık gazların ısı iletkenliğini ölçerek gaz bileşimini analiz eden bir cihazdır. Isı transferinin üç temel yolu olduğu bilinmektedir: ısı konveksiyonu, ısı radyasyonu ve ısı iletimi. Isı iletimi gaz analizöründe, ısı iletimiyle oluşan ısı alışverişi tam olarak kullanılır ve ısı konveksiyonu ve ısı radyasyonundan kaynaklanan ısı kaybı mümkün olduğunca bastırılır.

Isı iletkenliği, malzemenin ısı iletkenliğini gösterir ve malzemenin ısı iletkenliği arasındaki ilişki Fourier yasası ile açıklanabilir. Şekil 6-1'de gösterildiği gibi, bir maddede sıcaklık farkı vardır ve ayar sıcaklığı ox yönünde kademeli olarak azalır. ox yönünde iki nokta a ve b alalım, aralarındaki mesafe △x olsun. Ta ve Tb sırasıyla a ve b noktalarının mutlak sıcaklıklarıdır. ox yönündeki sıcaklık değişim hızı, bir noktanın ox yönündeki sıcaklık gradyanı olarak adlandırılır. ox'un dikey yönünde a ve b arasında küçük bir alan △s alınır. Deney yoluyla, △t süresinde, yüksek sıcaklıktaki bir noktadan küçük bir alan △s üzerinden ısı transferinin, △t süresi ve sıcaklık gradyanı △T/△x ile orantılı olduğu ve ayrıca maddenin doğasıyla da ilişkili olduğu görülebilir. Denklem şöyledir:

Isı iletkenliği gaz analizörü 1

(6-1) formülü, ısı transferi ile ilgili parametreler arasındaki ilişkiyi temsil eder ve bu ilişkiye Fourier yasası denir. Formüldeki negatif işaret, ısı transferinin sıcaklık düşüşü yönünde olduğunu gösterir; orantı katsayısı λ, ısı transfer ortamının termal iletkenliği (termal iletkenlik olarak da adlandırılır) olarak adlandırılır.

Isı iletkenliği, maddenin ısıyı iletme yeteneğini karakterize eden önemli fiziksel özelliklerinden biridir. Farklı malzemelerin ısı iletkenliği de farklıdır ve bileşim, basınç, yoğunluk, sıcaklık ve nem ile değişir.

Formülde (6-1) elde edilebilir:

Isı iletkenliği gaz analizörü 4

Karışık gazın termal iletkenliği

Karışık gazda ölçülecek bileşenler dışındaki tüm bileşenlere arka plan gazı, arka plan gazındaki analizi etkileyen bileşenlere ise girişim bileşenleri denir.

Karışık gazdaki her bir bileşenin hacim oranı C1, C2, C3,…、Cn; ısı iletkenliği ise λ1, λ2, λ3,…、λn'dir. Ölçülecek bileşenin içeriği ve ısı iletkenliği sırasıyla C1 ve λ1'dir. Isı iletkenliği analizörü ile ölçüm yapılabilmesi için aşağıdaki iki koşulun sağlanması gerekmektedir.

①

Ortam gazının her bir bileşeninin ısı iletkenliği yaklaşık olarak eşit veya birbirine çok yakın olmalıdır. Örneğin:

λ2≈λ3≈λ4…≈λn

②Ölçülecek bileşenin ısı iletkenliği, arka plan gazının ısı iletkenliğinden belirgin şekilde farklıdır ve fark ne kadar büyükse, ısı iletkenliği o kadar iyidir.

λ1》λ2 veya λ1《λ2

Yukarıdaki iki koşul sağlandığında:

Isı iletkenliği gaz analizörü 5

Formüldeki λ, karışık gazın ısı iletkenliğidir.

Karışık gazdaki i bileşeninin termal iletkenliği

Ci—Karışım gazındaki i bileşeninin hacim oranı

Formül (6-5), C1 bileşeninin içeriğinin, karışık gazın termal iletkenliği λ ölçülerek elde edilebileceğini göstermektedir.

Enstrümanın yapısı ve çalışma prensibi

Isı iletken gaz analiz cihazının yapısı iki kısma ayrılabilir: ısı iletken dedektörü ve devre. Isı iletkenlik dedektörü (genellikle verici olarak adlandırılır) bir ısı iletkenlik hücresi ve bir ölçüm köprüsünden oluşur; ısı iletkenlik hücresi, ölçüm köprüsünün köprü kolu olarak köprüye bağlanır, bu nedenle ikisi birbirinden ayrılamaz. Devre kısmı ise voltaj dengeleyici güç kaynağı, sabit sıcaklık kontrolörü, sinyal yükseltme devresi, doğrusallaştırma devresi ve çıkış devresini içerir.

Isı iletim hücresinin çalışma prensibi

Gazın ısı iletkenliği çok düşük olduğundan, değişimi de azdır ve bu nedenle doğrudan yöntemle doğru bir şekilde ölçülmesi zordur. Karışık gazın ısı iletkenliğindeki değişim, dolaylı yöntemle ısı elemanının direnç değerindeki değişime dönüştürülür ve direnç değerindeki değişim kolayca ve doğru bir şekilde ölçülebilir.

Isı iletkenliği gaz analizörü 6

Şekil 6-2, ısı iletim hücresinin çalışma prensibini göstermektedir: Daha yüksek özdirenç ve daha yüksek sıcaklık katsayısına sahip bir direnç teli, iyi ısı iletim performansına sahip silindirik bir metal kabuğun merkezine gerilerek asılır; kabuğun iki ucunda gaz girişi ve çıkışı bulunur; silindir ölçülecek gazla doldurulur ve direnç teli sabit bir akımla ısıtılır.

Direnç telinden geçen akım sabit olduğundan, birim zamanda direnç üzerinde üretilen ısı da sabittir. Test edilecek örnek gaz, hücreden yavaş bir hızda geçerken, direnç telindeki ısı, gaz tarafından ısı iletimi yoluyla hücre duvarına iletilir. Gazın ısı transfer hızı, direnç telindeki akımın ısı transfer hızına eşit olduğunda (bu duruma termal denge denir), direnç telinin sıcaklığı belirli bir değerde sabit kalır; bu denge sıcaklığı, direnç telinin direncini belirler. Karışık gazdaki ölçülecek bileşenin konsantrasyonu değişirse, karışık gazın ısı iletkenliği değişir, gazın ısı iletkenlik hızı ve direnç telinin denge sıcaklığı da değişir, sonuç olarak direnç telinin direnci de buna bağlı olarak değişir ve böylece gazın ısı iletkenliği ile direnç telinin direnç değeri arasında bir dönüşüm gerçekleşir.

Telin direnci ile gaz karışımının ısı iletkenliği arasındaki ilişki aşağıdaki formülle verilir (türetme kısmı atlanmıştır):

Isı iletkenliği gaz analizörü 7

Formülde, tn(°C) (termal denge halindeki sıcak telin sıcaklığı) ve 0°C'deki Rn, R0-sıcak telin direnci elde edilir.

a—Sıcak telin direnç sıcaklık katsayısı

tc—Termal iletkenlik hücresinin hava hücresi duvarının sıcaklığı

I—Isıtma telinden geçen akım

λ—Karışık gazın ısı iletkenliği

K—Gage sabiti, yani ısı iletim hücresinin yapısıyla ilgili bir sabit.

Formül (6-6), K, tc ve I sabit olduğunda Rn ve λ'nın tek değerli fonksiyonlar olduğunu gösterir.

Sıcak filament malzemesi, çok sayıda platin tel (veya platin iridyum tel) kullanır; platin teller güçlü korozyon direncine, büyük direnç sıcaklık katsayısına ve yüksek kararlılığa sahiptir. Platin tel, analiz tepki hızını artırmak için numune gazıyla doğrudan temas ettirilebilir. Bununla birlikte, platin tel indirgeyici gazda kolayca aşınır ve bozulur, bu da direnç değerinin değişmesine neden olur ve bazı durumlarda katalizör görevi de görür. Bu nedenle, platin telin yüzeyini kaplamak için genellikle cam film kullanılır. Cam filmle kaplı ısıya duyarlı eleman, güçlü korozyon direnci (klor içindeki hidrojen ölçülebilir) ve kolay temizleme avantajlarına sahiptir, ancak cam filmin varlığı gaz ve platin tel arasında termal dengeye ulaşma süresini geciktirir, bu nedenle elemanın dinamik özellikleri biraz zayıftır.

Isı iletim tankı gövdesinin imalatında kullanılan malzeme bakırdır. Gaz korozyonunu önlemek için, ısı iletim havuzunun iç duvarına ve gaz yoluna altın veya nikel kaplama yapılabilir; ayrıca paslanmaz çelik de imalatta kullanılabilir.

Isı iletim hücresinin yapısal oluşumu

Isı iletim hücresinin yapısı, Şekil 6-3'te gösterildiği gibi, düz geçişli, konveksiyonlu, difüzyonlu, konveksiyon-difüzyonlu vb. şekildedir.

(1) Doğrudan geçiş

Ölçüm haznesi ana gaz yoluna paraleldir ve ana gaz yolundaki gaz ölçüm haznesine dağıtılır. Bu yapı hızlı tepki hızına ve düşük gecikme süresine sahiptir, ancak gaz akış hızındaki dalgalanmalardan kolayca etkilenir.

(2) Konveksiyon

Ölçüm haznesi, ana gaz yolu girişine paralel olarak bağlanır ve ölçülecek gazın küçük bir kısmı ölçüm haznesine girer (dolaşım borusu). Gaz, dolaşım borusunda ısıtılır, bu da ısı konveksiyonuna neden olur ve gazı ok yönünde dolaşım borusunun alt kısmından ana gaz yoluna geri iter. Avantajı, gaz akışındaki dalgalanmanın ölçüm üzerinde az etkisi olmasıdır, ancak tepki hızı yavaş ve gecikme süresi büyüktür.

Isı iletkenliği gaz analizörü 8

(3) Difüzyon

Ana gaz yolunun üst kısmına bir ölçüm odası yerleştirilir ve ölçülecek gaz, difüzyon yoluyla ölçüm odasına girer. Bu yapının avantajları arasında gaz akış hızındaki dalgalanmalardan daha az etkilenmesi, kolay yayılan daha hafif kütleli gazlar için uygun olması, ancak daha küçük difüzyon katsayısına sahip gazlar için daha büyük histerezis göstermesi yer alır.

(4) Konveksiyonel difüzyon

Difüzyon tipi temel alınarak, gecikmeyi azaltmak için akış ayrımı oluşturmak üzere bir dallı boru eklenir. Numune gazı ana gaz yolundan akarken, gazın bir kısmı difüzyon modunda ölçüm odasına girer ve direnç teli tarafından ısıtılarak yükselen bir gaz akışı oluşturur. Kısma deliğinin kısıtlaması nedeniyle, hava akışının sadece bir kısmı kısma deliğinden dallı boruya girer, soğutulur ve aşağı doğru hareket eder ve sonunda ana hava yoluna boşaltılır. Gaz akışı süper ısıtma kılavuz tankının gücü hem konveksiyon hem de difüzyon içerir, bu nedenle konveksiyon difüzyon olarak adlandırılır. Yapı, gaz ters akış fenomenini oluşturmaz, aynı zamanda difüzyon odasında gaz birikmesini de önler, böylece numune gazının belirli bir akış hızına sahip olmasını sağlar. Isı iletim hücresi, numune gazının basınç ve akış hızındaki değişime duyarsızdır ve gecikme süresi difüzyona göre daha kısadır. Bu avantajları nedeniyle, konveksiyon difüzyon tipi ısı iletim hücresi yaygın olarak kullanılmaktadır.

Ölçüm köprüsü

Yukarıdaki girişten de görülebileceği gibi, termal iletkenlik hücresinin işlevi, karışık gazdaki bileşenlerin konsantrasyonunu direnç telinin direnç değerindeki değişime dönüştürmektir. Direnci ölçmek için köprü kullanılması oldukça pratiktir ve hassasiyet ile doğruluk nispeten yüksektir; bu nedenle çeşitli termal iletkenlik gaz analizörlerinin neredeyse tamamı ölçüm bağlantısı olarak köprüyü kullanmaktadır.

Ölçüm köprüsünde, köprünün akım dalgalanmasını veya dış koşulların değişiminin etkisini azaltmak için genellikle ölçüm köprüsü kolu ve referans köprüsü kolu düzenlenir; ölçüm kolu numune gaz akışının ısı iletken hücresidir, referans kolu ise paket referans gazının (veya geçiş referans gazının) ısı iletken hücresidir ve ikisi de aynı yapısal boyutlara sahiptir. Referans kolu, ölçüm koluna bitişik köprü koluna yerleştirilir ve aşağıdaki gibi çalışır.

①Akış ve radyasyon yoluyla ölçüm kolunun ısı kaybı, referans kolunun ısı kaybıyla neredeyse aynıdır ve ikisi birbirini dengeler; sıcak telin direncindeki değişim esas olarak ısı iletimine, yani gazın ısı iletim yeteneğindeki değişime bağlıdır.

②Isı iletim hücresi kolunun sıcaklık değişimi, ortam sıcaklığındaki değişimden kaynaklandığında, referans kolu ve ölçüm kolu aynı yönde değişir; bu da karşılıklı olarak birbirini dengeleyerek sıcaklık değişiminin ölçüm sonucu üzerindeki etkisini zayıflatmaya yardımcı olur.

③Referans gaz konsantrasyonu değiştirilerek, köprü algılama yönteminin alt sınır konsantrasyonu değiştirilir; bu da cihazın ölçüm aralığının değiştirilmesini kolaylaştırır.

Köprü yapısı ve köprü kolu konfigürasyon modunda, tek kollu seri bağlı dengesiz köprü, tek kollu paralel bağlı dengesiz köprü ve çift kollu seri-paralel dengesiz köprü gibi çeşitli formlar bulunmaktadır. Şekil 6-4, günümüzde yaygın olarak kullanılan çift kollu seri-paralel tip dengesiz köprünün yapısını göstermektedir. İki ölçüm ısı iletim hücresi ve iki referans ısı iletim hücresi kullanılmıştır. Şekilde, Rm ölçüm kolunun direncini, Rs ise referans kolunun direncini göstermektedir. İki ölçüm kolu ve iki referans kolu, çift kollu seri bir yapı oluşturacak şekilde aralıklarla düzenlenmiştir ve numune gazı, iki ısı iletim havuzundan sırayla seri olarak akar.

Köprünün başlangıç durumundaki çıkışı şöyledir:

Isı iletkenliği gaz analizörü 9

Yukarıdaki formül, △Rm ve △Uo arasındaki ilişkiyi göstermekte olup, aynı zamanda bu tür köprülerin ölçüm hassasiyetinin de ifadesidir. Aynı yapıya sahip tek kollu köprüye kıyasla, ölçüm hassasiyeti iki katına çıkmıştır.

Isı iletkenliği gaz analizörü 10

Şekil 6-5, çift kollu seri-paralel tip dengesiz köprüde kullanılan birleşik bir ısı iletim hücresidir; iki ölçüm ısı iletim hücresi ve iki referans ısı iletim hücresi bulunur, bunların uçları sırasıyla ölçüm köprüsünün dört koluna bağlanır ve her bir ısı iletim hücresi konveksiyon-difüzyon tipi bir yapı benimser.

Dört ısı iletim havuzu, iyi ısı iletim performansına sahip metal bir malzemeden yapılmıştır; böylece ölçüm havuzunun ve referans havuzunun sıcaklığı aynı seviyede kalabilir ve ortam sıcaklığı değiştiğinde, dört havuz duvarına olan etki eşit olur, bu da ölçüm hatasını azaltır. Yüksek ölçüm hassasiyeti gerektiren durumlarda, tüm ısı iletim havuzunun sıcaklığını sabit tutmak için sıcaklık kontrol cihazı kullanılabilir.

Isı iletkenliği dedektörlerindeki gelişmeler

Isı iletkenlik hücresinin iç hacmi mililitre mertebesindedir ve ölçüm alt sınırı 100 ppm mertebesindedir. Sensör teknolojisindeki ilerlemeyle birlikte, mikro ısı iletkenlik dedektörü, yurtdışında üretilen ısı iletkenlik gaz analizörlerinde ve ısı iletkenlik gaz kromatograflarında kullanılmaktadır; ısı iletkenlik hücresinin hacmi mikro düzeyde büyütülmüştür, ısı elemanı da mikro düzeydedir, böylece incelemenin hassasiyeti büyük ölçüde artırılmıştır; ölçüm alt sınırı 10 ppm mertebesine, hatta 1 ppm mertebesine kadar ulaşabilir. Şekil 6-6'da gösterildiği gibi, bu tür ince film direnci, çok ince platin telin ultra mikro teknoloji litografisi kullanılarak silikon levha üzerine yapılmıştır; şekilden de görülebileceği gibi, ısı iletkenlik hücresinin yapısı difüzyondur.

Tüm makine devresi

CI2000-RQD ısı iletim tipi hidrojen analiz cihazının devresi birçok kitapta ve eğitim materyalinde tanıtılmıştır. Chang Ai Elektronik Şirketi tarafından üretilen CI2000-RQD ısı iletim tipi hidrojen analiz cihazı örnek alınarak, ısı iletim tipi gaz analiz cihazının tüm devresi kısaca tanıtılacaktır.

Isı iletkenliği gaz analizörü 11

CI2000-RQD devresinde mikroişlemci ve dijital işleme teknolojisi kullanılmaktadır. Devrenin tamamı Şekil 6-7'de gösterilmiştir. Şekildeki ısı iletim havuzu yapısı konveksiyon-difüzyon tipindedir, ölçüm köprüsü güç kaynağı akım kaynağı devresi kullanır. Wheatstone köprüsünün ölçüm sinyali, yazılım tarafından kontrol edilebilen bir yükselticiye gönderilir, burada yükseltilir ve bir Butterworth alçak geçiren filtre ile filtrelenir, ardından mikroişlemci tarafından kontrol edilen A/D dönüşümü yapılır, daha sonra dönüştürülen veriler yazılım tarafından işlenerek sayısallaştırılır; bu işlem filtreleme, doğrusal işleme, ölçek dönüştürme, hata hesaplama ve sıcaklık ve basıncın etkisinin telafisi vb. içerir ve son olarak sinyal çıkışı verilir.

Isı iletkenliği gaz analizörü 12

Uygulamalar

Isı iletkenliği gaz analizörü, iki karışık gazdaki (ısı iletkenlikleri çok büyük olan) bir bileşenin ölçülmesinde etkili bir yöntemdir. Bu buluş esas olarak H2 ölçümünde kullanılır, ancak CO2, SO2 ve Ar içeriğinin ölçülmesinde de yaygın olarak kullanılır ve geniş bir uygulama alanına sahiptir. İşte bazı tipik uygulamalar:

Amonyak Fabrikasından Elde Edilen Sentez Gazındaki H2 İçeriğinin Ölçümü

Hidrojenasyon tesisinde H2 saflık ölçümü

Fırın baca gazındaki CO2 içeriğinin ölçümü

Sülfürik asit ve fosfatlı gübre üretim sürecinde SO2 içeriğinin ölçümü

Hava ayırma cihazında Ar içeriğinin ölçümü

Hidrojen üretimi ve oksijen elektrolizi sürecinde saf H2 içindeki O2 ve saf O2 içindeki H2 ölçümü

Klor Üretim Sürecinde Cl2 İçindeki H2 Ölçümü

Hidrokarbon Gazındaki H2 İçeriğinin Ölçümü

Hidrojenle soğutulan jeneratör setlerinde H2 ve CO2 içeriğinin izlenmesi

Saf gaz üretiminde izleme, örneğin N2'de He, O2'de Ar vb.

Ölçüm hatası analizi

Isı iletken gaz analizörü, düşük seçiciliğe sahip bir analiz cihazıdır. Cihazın tasarım ve üretiminde çeşitli önlemler alınmış, çalışma koşulları belirlenmiş ve bazı girişim faktörlerinin etkisi bir ölçüde bastırılmış veya zayıflatılmış olsa da, analizörün temel hatası genellikle ±%2 aralığındadır. Bunun temel nedeni, arka plan gaz bileşiminin analiz sonuçları üzerindeki etkisidir.

Endüstriyel gaz kromatografının termal iletkenlik dedektörü ile termal iletkenlik gaz analiz cihazının dedektörü aynıdır, ancak ölçüm hassasiyeti ikincisinden daha yüksektir. Bunun nedeni, numune kromatografik kolon tarafından ayrıldıktan sonra, termal iletkenlik tankına yalnızca tek bir bileşen ve taşıyıcı gazdan oluşan ikili karışım gazının girmesidir; ancak termal iletkenlik gaz analiz cihazında bunu yapmak zordur. Arka plan gazı genellikle birden fazla gazın karışımıdır ve bu da numune gazının termal iletkenliği üzerinde farklı derecelerde etkiye sahip olacaktır; arka plan gazının bileşimi değiştiğinde, etki daha büyük olur.

Isı iletken gaz analiz cihazının ölçüm hatası iki kısımdan oluşur: temel hata ve ek hata. Temel hata, ölçüm prensibi, yapısal özellikler, her bir bağlantının sinyal dönüştürme doğruluğu ve görüntüleme cihazının doğruluğu ile belirlenir. Yani, analiz cihazının belirtilen koşullar altında çalışırkenki hatasıdır. Ek hata ise cihazın ayarlanmasından, yanlış kullanımından veya dış koşulların değişmesinden kaynaklanır. Isı iletken gaz analiz cihazının ek hatasının ana faktörleri şunlardır: standart gazın bileşimi ve doğruluğu; girişim yapan bileşenlerin, tozun ve damlacıkların varlığı; numune gazının basıncı, akış hızı ve sıcaklığı; köprü akımındaki değişiklikler.

Standart gazın bileşiminin ve hassasiyetinin etkisi

Isı iletken gaz analizörü, diğer analitik cihazlar gibi, standart gaz ile düzenli olarak kalibre edilmelidir; ancak fark, ısı iletken gaz analizörünün daha fazla standart gaz gerektirmesidir. Prensip olarak, standart gazdaki arka plan gazının bileşimi ve içeriği, ölçülen gazınkiyle aynı olmalıdır; bu, pratikte elde edilmesi zor bir durumdur. Bununla birlikte, standart gazdaki arka plan gazının ısı iletkenliği, ölçülen gazınkiyle tutarlı olmalıdır; aksi takdirde kalibrasyon sonuçlarının düzeltilmesi gerekir. Ayrıca, standart gazın doğruluğunu sağlamak için, hata, cihazın temel hatasının yarısından fazla olmamalıdır.

Numune gazında girişim yapan bileşenlerin varlığındaki etkiler

Örnek gazda girişim bileşenlerinin varlığı, ek hataların oluşmasında önemli bir faktördür. Örneğin, baca gazındaki CO2 içeriği termal iletkenlik CO2 analizörü ile analiz edildiğinde, baca gazındaki SO2 girişim bileşenidir ve termal iletkenliği CO2'nin termal iletkenliğinin 1/2'sidir. Baca gazındaki SO2 içeriği %1 ise, analiz sonucunun hatası yaklaşık %2 olacaktır. Arka plan gazındaki girişim bileşenlerini ve bunların ölçüm üzerindeki etkilerini anlamak gereklidir. Tablo 6-2, ölçülen gazdaki girişim bileşenlerinin hidrojen içeriği ölçümünün sıfır noktası üzerindeki etkisini göstermektedir.

Isı iletkenliği gaz analizörü 13