热导气体传感器原理与应用

热导气体传感器原理与应用

我们回顾一下什么是气体导热性？导热性是物质一种导热的能力。测量这种特性的传感器将以某种方式检测热量通过物质传递的程度。热导率气体传感器是如何工作的？他们可能会使用加热元件来测量温度变化。传感器有一个被加热的元件，当它暴露在气体或液体中时，周围介质的导热性会影响被加热元件的散热速度。然后，温度变化可以与介质的导热系数相关联。但这到底是如何测量的？有不同的测量方法。一种常见的方法是使用惠斯通电桥电路。如果传感器有电阻元件，其电阻会随着温度而变化。因此，通过使电流通过它，元件会变热。当周围的气体或液体具有高导热性时，它会带走更多的热量，导致元件的温度下降很大，从而改变其电阻。桥式电路可以检测到这种不平衡，并给出与气体热导率相关的读数。我们还需要考虑的另一个因数就是导热系数与温度密切有关。热导率气体传感器可能需要温度补偿或做恒温系统。此外，不同类型气体的存在会影响读数。例如，氢气、氦气、六氟化硫和甲烷的导热系数比空气高得多，因此这些热导率气体传感器用于气体浓度检测和分析应用。

常见气体在50℃时热导率

Gas气体	Formula分子式	Temperature=50℃(122°F) in mW/(m.K)
Commonly Used Gases普通常用气体
Hydrogen氢气	H2	196.86
Helium氦气	He	163.55
Methane甲烷	CH4	38.01
Oxygen氧气	O2	28.24
Air空气	N2/O2/Ar	27.64
Nitrogen氮气	N2	27.57
Ethane乙烷	C2H6	24.63
Argon氩气	Ar	18.79
Carbon-dioxide一氧化碳	CO	18.74
Other gases for reference
Ammonia氨气	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水蒸气	H2O	20.34
Butane丁烷	C3H8	19.39
Hydrogen-sulphide硫化氢	H2S	15.97
Hydrogen-chloride氯化氢	HCL	15.66
Sulphur-hexafluoride六氟化硫	SF6	14.76
Sulphur-dioxide二氧化硫	SO2	10.69

热导率气体传感器通过测量从加热元件到周围介质的热传递来工作。核心原理涉及将介质（气体、液体或固体）的导热性与电阻元件的温度变化相关联，电阻元件通常由具有高温电阻系数的铂或钨等材料制成。

压力和气体成分：在真空中（如皮拉尼真空压力计），减少的气体分子会降低热导率，从而提高与压力相关的加热元件的温度。在较低的压力（较高的真空度）下，传导热量的气体分子较少，因此热导率降低，可以推断出真空压力。

热导率气体传感器是利用传热原理的多功能工具，适用于从工业安 全到科学分析的各种应用。它们的有效性取决于准确的设计、温度管理和对介质特性的理解。

TCD-5880-P2RW是一款采用硅技术制造的热导率气体传感器测量芯片。传感器芯片由2.50 x 3.33 mm、0.3 mm厚的硅边缘组成，其中形成了氮化硅膜。膜中心是一个微型加热器，旁边有一个热电堆传感器元件测量其温度。该热导率气体传感器敏感芯片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使热导率测量芯片能够测量绝 对压力、气体类型和气体混合物成分等量。

TCD-5880-P2RW的标准外壳是一个TO-5 10针接头，带有一个直径为5mm的带过滤器的盖子，其他外壳可应要求提供。 在热导率芯片旁边的TO-5外壳上有一个B级Pt100铂温度传感器。热导率气体传感器芯片测量膜中心热电堆热结和芯片厚边缘冷结之间的热阻。这是通过使用加热器电阻器Rheat加热膜的中心来实现的。由此产生的中心温度升高由热电堆测量。实际温度升高取决于膜中心和环境之间的有效热阻，这受到膜热阻、环境气体热阻、任何存在的气体流量和（通常可以忽略不计）发射辐射等因素的影响。必须小心避免发生严重的辐射事故。

薄膜热电堆真空传感器的稳定性和精度可与标准皮拉尼真空计相媲美。 传感器标准安装在TO-5集管中，但也有不同的外壳（如LCC-20和KF-16和KF-40真空法兰中的封装）。