工业气体分析仪中热导式气体传感器的应用

凤凰火 · 发表于 2023-3-7 10:41:07

一、热导式气体分析仪行业定义

气体检测仪分类按检测对象分类，有可燃性气体（含甲烷）检测仪、有毒气体检测仪、氧气检测仪。按检测原理分类，可燃性气体检测有催化燃烧型、半导体型、热导型和红外线吸收型等；有毒气体检测有电化学型、半导体型等;氧气检测有电化学型等。按使用方式分类，有便携式和固定式。按使用场所分类，有常规型和防爆型。

热导式气体分析仪是一种气体浓度检测的仪器仪表工具，它是利用混合气体的总导热系数随被测组分的含量而变化的原理制成的自动连续气体分析仪。气体检测仪器仪表通过将气体传感器采集的物理或者化学非电信号转化为电信号，再通过外部电路对以上电信号整流、滤波等处理，并通过这些处理以后的信号控制相应的模块实现气体探测的各项具体功能。气体检测仪可检测硫化氢，一氧化碳，氧气，二氧化硫，磷化氢，氨气，二氧化氮，氰化氢，氯气，二氧化氯，臭氧和可燃气体等多种气体。

二、结构简介

所用热导检测器是由两个测量池组成桥路，检测色谱柱出口端气体热导率的变化。该检测器对任一种与载气热导率不同的物质都很灵敏，最小检出限在0.5×1026～100×1026。线性动态范围为103。适用于被测组分与其它组分导热系数差异较大的场合。

三、热导式气体分析仪的工作原理

热导式气体分析仪是一种物理类的气体分析仪表。它根据不同气体具有不同热传导能力的原理，通过测定混合气体导热系数来推算其中某些组分的含量。这种分析仪表简单可靠,适用的气体种类较多,是一种基本的分析仪表。但直接测量气体的导热系数比较困难，所以实际上常把气体导热系数的变化转换为电阻的变化，再用电桥来测定。热导式气体分析仪的热敏元件主要有半导体敏感元件和金属电阻丝两类。半导体敏感元件体积小、热惯性小，电阻温度系数大,所以灵敏度高,时间滞后小。

在铂线圈上烧结珠形金属氧化物作为敏感元件，再在内电阻、发热量均相等的同样铂线圈上绕结对气体无反应的材料作为补偿用元件。这两种元件作为两臂构成电桥电路，即是测量回路。半导体金属氧化物敏感元件吸附被测气体时，电导率和热导率即发生变化，元件的散热状态也随之变化。元件温度变化使铂线圈的电阻变化，电桥遂有一不平衡电压输出，据此可检测气体的浓度。热导式气体分析仪的应用范围很广，除通常用来分析氢气、氨气、二氧化碳、二氧化硫和低浓度可燃性气体含量外，还可作为色谱分析仪中的检测器用以分析其他成分。

四、热导式气体分析仪的作用

依据热导式气体分析仪器仪表使用领域的差别，气体检测仪器仪表主要分为两大系列：工业用气体检测仪器仪表、民用气体检测仪器仪表。工业用气体检测仪器仪表又分便携、固定、系统三类。工业用气体检测仪器仪表产品主要应用于石油、化工、冶金、煤矿、液化气等企业；民用气体检测仪器仪表主要用于公共场所及家庭用气体检测报警。

五、热导式气体分析仪行业发展方向

（一）延长使用寿命

传感器是气体检测仪产品中的关键因素，然而传感器的使用寿命又是整个产品的最薄弱环节，因此如何围绕提高传感器的使用寿命来延长产品的使用寿命是各产品生产企业最关心的问题，目前有关这方面的研究工作已经启动。

（二）增强抗干扰能

误报和漏报是气体检测仪必须解决的问题。然而要彻底解决这方面的问题，必须具有专门的技术人才和大量的试验工作做保障，在这方面有的企业采用多传感器的方案，然而该方案解决不了产品使用寿命问题，根本的方法是从技术层面上既能保证单传感器的使用寿命。又能保证使用单传感器实现多气源的选择问题。

（三）产品小型便携化

目前市面上的热导式气体分析仪普遍体积庞大、造价昂贵，不方便随身携带，当需要面对不同地域的环境进行气体探测时，往往会显现出运输困难的窘境。而产品的小型便携化正好能完美地解决这种窘境，同时产品小型化也能降低开发成本，同时使得产品的价格不至于过高，这对于企业和用户而言都是一种完美的方案。

（四）提高产品智能化

目前的气体检测仪产品只能实现单户的监控。随着技术的进步和监控的要求，未来的可燃气体检测仪必须能够实现联网监控。不仅要实现对燃气泄漏的监控，还要实现对产品自身性能的监控，保证所有运行的产品必须处于良好状态。

六、行业的竞争状况

气体检测仪行业处于一个起步的阶段，各种行业规范还在制定中，且行业内主要以中小企业为主，缺少领头企业。

由于本行业尚处于行业成长期，行业内企业规模相对较小，具有明显品牌、技术、规模等优势的企业较少，属于充分竞争市场，行业竞争较为激烈。每个企业主要销售集中在某一、二个工业领域，覆盖整个燃气、石油、化工、冶金、煤炭行业，具备跨领域经营能力的企业较少，行业企业竞争集中在各细分行业市场。

七、热导式气体传感器推荐

ISWEEK工采传感代理了多种国外进口的高性能热导式气体传感器，能满足客户从元器件到成品模块的产品需求，以下主要推荐三款热门的热导式气体传感器：

1、瑞士Neroxis热导式气体传感器——MTCS2601

MTCS2601传感器由使用四个Ni-Pt电阻器的微加工热导率传感器组成，这些电阻器使用MEMS技术实现。该传感器安装在一个小型SMD封装中，可用磁带和卷轴包装。这种MEMS TC传感器可与简单的低功耗CMOS标准集成电路相结合进行气体探测，是需要实现超低功耗、长寿命和无需维护的OEM气体探测器的绝佳选择。同时也可以基于皮拉尼原理进行真空度检测，是需要实现超低功耗、长寿命和无需维护的尺寸临界泄漏OEM探测器或基于皮拉尼原理的微型真空计的绝佳选择。可应用于功率和尺寸受限的恶劣环境中的主要压力控制，或在封闭体积中检测气体泄漏、湿气或入侵。

2、荷兰Xensor热导式气体传感器——XEN-TCG3880

XEN-TCG3880是一种使用硅技术制成的导热仪（TCG）。传感器芯片由2.50×3.33mm，0.3mm厚的硅边缘组成，其中形成了氮化硅膜。中心是一个加热器，传感器元件测量其温度。芯片测量环境和膜中心之间的热导率，这取决于几个参数，如压力、气体类型和膜上的材料沉积。这种对物理参数的依赖性允许TCG测量绝对压力、气体类型和气体混合物成分等量。

XEN-TCG3880的标准外壳是TO-5 10针插头，带有带过滤器的直径为5mm的孔帽，其他外壳可根据要求提供。

3、荷兰Xensor高速响应气体传感器——XEN-5320-ALU-USB

XEN-5320是一种智能气体传感器，在需要分析二元气体混合物的工业中有着广泛的应用。该传感器基于环境气体的热导率测量，使用经验证的热导率传感器XEN-3880。应用包括氢气和氦气实验、探测射流和羽流中的气体扩散率以及二元气体成分测量，以及医疗、研发和工业环境中氢气、氦气、氮气和甲烷气体混合物的监测和泄漏检测。

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