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熱導(dǎo)氣體傳感器原理與應(yīng)用

日期：2025-04-30 14:30
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摘要： 熱導(dǎo)傳感器原理與應(yīng)用 熱導(dǎo)率傳感器通過測量從加熱元件到周圍介質(zhì)的熱傳遞來工作。核心原理涉及將介質(zhì)（氣體、液體或固體）的導(dǎo)熱性與電阻元件的溫度變化相關(guān)聯(lián)，電阻元件通常由具有高溫電阻系數(shù)的鉑或鎢等材料制成。 散熱測量：加熱元件保持恒定溫度或提供恒定電流。周圍介質(zhì)的導(dǎo)熱性決定了元件散熱的效率。惠斯通電橋電路或熱電堆元件用于檢測由于溫度變化導(dǎo)致的元件電阻變化。介質(zhì)中更高的導(dǎo)熱性會導(dǎo)致更大的熱損失，降低元件的溫度和電阻，使電橋不平衡或熱電堆直接測量溫度。 溫度依賴性：氣體熱導(dǎo)率與溫度有關(guān)，需要溫...

熱導(dǎo)氣體傳感器原理與應(yīng)用

我們回顧一下什么是氣體導(dǎo)熱性？導(dǎo)熱性是物質(zhì)一種導(dǎo)熱的能力。測量這種特性的傳感器將以某種方式檢測熱量通過物質(zhì)傳遞的程度。熱導(dǎo)率氣體傳感器是如何工作的？他們可能會使用加熱元件來測量溫度變化。傳感器有一個被加熱的元件，當(dāng)它暴露在氣體或液體中時，周圍介質(zhì)的導(dǎo)熱性會影響被加熱元件的散熱速度。然后，溫度變化可以與介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)聯(lián)。但這到底是如何測量的？有不同的測量方法。一種常見的方法是使用惠斯通電橋電路。如果傳感器有電阻元件，其電阻會隨著溫度而變化。因此，通過使電流通過它，元件會變熱。當(dāng)周圍的氣體或液體具有高導(dǎo)熱性時，它會帶走更多的熱量，導(dǎo)致元件的溫度下降很大，從而改變其電阻。橋式電路可以檢測到這種不平衡，并給出與氣體熱導(dǎo)率相關(guān)的讀數(shù)。我們還需要考慮的另一個因數(shù)就是導(dǎo)熱系數(shù)與溫度密切有關(guān)。熱導(dǎo)率氣體傳感器可能需要溫度補(bǔ)償或做恒溫系統(tǒng)。此外，不同類型氣體的存在會影響讀數(shù)。例如，氫氣、氦氣、六氟化硫和甲烷的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣高得多，因此這些熱導(dǎo)率氣體傳感器用于氣體濃度檢測和分析應(yīng)用。


TCD-5880-RW熱導(dǎo)氣體傳感器

常見氣體在50℃時熱導(dǎo)率

Gas氣體 Formula分子式 Temperature=50℃(122°F) in mW/(m.K)
Commonly Used Gases普通常用氣體
Hydrogen氫氣 H2 196.86
Helium氦氣 He 163.55
Methane甲烷 CH4 38.01
Oxygen氧氣 O2 28.24
Air空氣 N2/O2/Ar 27.64
Nitrogen氮氣 N2 27.57
Ethane乙烷 C2H6 24.63
Argon氬氣 Ar 18.79
Carbon-dioxide一氧化碳 CO 18.74
Other gases for reference
Ammonia氨氣 NH3 27.9
Nitric-oxide一氧化氮 NO 27.57
Acetylene乙炔 C2H2 24.15
Ethylene乙烯 C2H4 23.86
Propane丙烯 C3H6 21.39
Water Vapour水蒸氣 H2O 20.34
Butane丁烷 C3H8 19.39
Hydrogen-sulphide硫化氫 H2S 15.97
Hydrogen-chloride氯化氫 HCL 15.66
Sulphur-hexafluoride六氟化硫 SF6 14.76
Sulphur-dioxide二氧化硫 SO2 10.69

熱導(dǎo)率氣體傳感器通過測量從加熱元件到周圍介質(zhì)的熱傳遞來工作。核心原理涉及將介質(zhì)（氣體、液體或固體）的導(dǎo)熱性與電阻元件的溫度變化相關(guān)聯(lián)，電阻元件通常由具有高溫電阻系數(shù)的鉑或鎢等材料制成。

TCD-5880-P2RW熱導(dǎo)氣體傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)


散熱測量：加熱元件保持恒定溫度或提供恒定電流。周圍介質(zhì)的導(dǎo)熱性決定了元件散熱的效率?；菟雇姌螂娐坊驘犭姸言糜跈z測由于溫度變化導(dǎo)致的元件電阻變化。介質(zhì)中更高的導(dǎo)熱性會導(dǎo)致更大的熱損失，降低元件的溫度和電阻，使電橋不平衡或熱電堆直接測量溫度。
溫度依賴性：氣體熱導(dǎo)率與溫度有關(guān)，需要溫度補(bǔ)償或恒溫系統(tǒng)。傳感器可以在受控環(huán)境中使用參考元件來減輕環(huán)境溫度的影響。

壓力和氣體成分：在真空中（如皮拉尼真空壓力計），減少的氣體分子會降低熱導(dǎo)率，從而提高與壓力相關(guān)的加熱元件的溫度。在較低的壓力（較高的真空度）下，傳導(dǎo)熱量的氣體分子較少，因此熱導(dǎo)率降低，可以推斷出真空壓力。

氣體混合物會改變熱導(dǎo)率；熱導(dǎo)率傳感器通常用于二元氣體混合物，因為當(dāng)另一種成分已知時，更容易將熱導(dǎo)率與一種成分的濃度相關(guān)聯(lián)。二元混合物是濃度測量的理想選擇（例如空氣中的H?）。對于更復(fù)雜的混合物，可能需要額外的傳感器或方法。
熱導(dǎo)氣體傳感器原理應(yīng)用：
氣體濃度測量和分析：氫氣、氦氣和甲烷等高導(dǎo)熱性氣體很容易識別，可以測量準(zhǔn)確的氣體濃度。
氣相色譜法熱導(dǎo)檢測器（TCD）比較載氣和樣品氣體的電導(dǎo)率，以識別洗脫化合物。
真空測量：皮拉尼真空計通過檢測熱導(dǎo)率隨壓力的變化來測量真空度（10?4至10 Torr）。
熱導(dǎo)率氣體傳感器缺點和注意事項：
復(fù)雜三元及以上混合物氣體濃度測量：多種氣體使讀數(shù)復(fù)雜；解決方案包括補(bǔ)充傳感器或特定混合物組分的校準(zhǔn)。
溫度靈敏度：需要做溫度補(bǔ)償或恒溫系統(tǒng)
材料和設(shè)計：加熱元件必須平衡時間響應(yīng)性（例如，薄膜厚度）和耐用性。

熱導(dǎo)率氣體傳感器是利用傳熱原理的多功能工具，適用于從工業(yè)安 全到科學(xué)分析的各種應(yīng)用。它們的有效性取決于準(zhǔn)確的設(shè)計、溫度管理和對介質(zhì)特性的理解。

TCD-5880-P2RW是一款采用硅技術(shù)制造的熱導(dǎo)率氣體傳感器測量芯片。傳感器芯片由2.50 x 3.33 mm、0.3 mm厚的硅邊緣組成，其中形成了氮化硅膜。膜中心是一個微型加熱器，旁邊有一個熱電堆傳感器元件測量其溫度。該熱導(dǎo)率氣體傳感器敏感芯片芯片測量環(huán)境和膜中心之間的熱導(dǎo)率，這取決于幾個參數(shù)，如壓力、氣體類型和膜上的材料沉積。這種對物理參數(shù)的依賴性使熱導(dǎo)率測量芯片能夠測量絕 對壓力、氣體類型和氣體混合物成分等量。

TCD-5880-P2RW熱導(dǎo)率氣體傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

TCD-5880-P2RW的標(biāo)準(zhǔn)外殼是一個TO-5 10針接頭，帶有一個直徑為5mm的帶過濾器的蓋子，其他外殼可應(yīng)要求提供。 在熱導(dǎo)率芯片旁邊的TO-5外殼上有一個B級Pt100鉑溫度傳感器。熱導(dǎo)率氣體傳感器芯片測量膜中心熱電堆熱結(jié)和芯片厚邊緣冷結(jié)之間的熱阻。這是通過使用加熱器電阻器Rheat加熱膜的中心來實現(xiàn)的。由此產(chǎn)生的中心溫度升高由熱電堆測量。實際溫度升高取決于膜中心和環(huán)境之間的有效熱阻，這受到膜熱阻、環(huán)境氣體熱阻、任何存在的氣體流量和（通?？梢院雎圆挥嫞┌l(fā)射輻射等因素的影響。必須小心避免發(fā)生嚴(yán)重的輻射事故。

TCD-5880-P2RW熱導(dǎo)率氣體傳感器

薄膜熱電堆真空傳感器的穩(wěn)定性和精度可與標(biāo)準(zhǔn)皮拉尼真空計相媲美。 傳感器標(biāo)準(zhǔn)安裝在TO-5集管中，但也有不同的外殼（如LCC-20和KF-16和KF-40真空法蘭中的封裝）。


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