罢颁顿を用いたガス分析计は、试料ガスの浓度を测定するため、试料ガスの热伝导率の変化を热线センサーを使用して検出します。热线センサーは、ガスの热伝导率の変化を电気抵抗の変化として検出します。この検出を高い精度で行うために、热线センサーを4つ组み合わせたブリッジ回路を使用します。(図1:罢颁顿のブリッジ回路)
図1:罢颁顿を用いたガス分析计の基本构造(ブリッジ回路)と动作原理
罢颁顿のブリッジ回路は、検出器に同じ仕様の4つの热线センサー(电気抵抗)を、2つの同じ试料セルと2つの同じ比较セルに组み込むことで、试料セル内で同じ変化をする2つの电気抵抗と、比较セル内で电気抵抗が変化しない2つの电気抵抗とで构成された电気回路となります。ブリッジ回路中のブリッジ电圧(図1の「贰」)や出力电圧の测定机能(図1の「痴」)は実际には信号処理部にあります。
试料セルでは导入される试料ガスの浓度が変化すると、セル内のガスの热伝导率が変化し、热线センサーの表面温度が変化します。热线センサーの温度変化は电気抵抗の変化として検出されます。比较セルは窒素(狈2)が封入されているため、比较セルで検出される电気抵抗は常に一定です。
この4つの电気抵抗と信号処理を组み合わせて、试料ガスの浓度変化をブリッジ回路の出力电圧の変化として検出します。(図1中の「痴」)特定の条件下では、この出力电圧と试料ガス中の热伝导率の高いガスの浓度が比例するため、ブリッジ回路の出力电圧を测定することで、热伝导率の高いガスの浓度が测定されます。
水素は気体のなかで热伝导率が一番高いため、罢颁顿を使用して精度の高いガス浓度の测定が可能です。(表1:気体の热伝导率)
これ以降は、試料ガス中の測定成分ガスとして水素を測定するTCDを使用した水素(贬2)ガス分析计について説明します。
実际の罢颁顿を使用した水素ガス分析计の検出器の构造例を図2に示します。ステンレスで作られた検出器の中に2组の试料セルと比较セルが组み込まれています。各セルには、热线センサー(电気抵抗)が组み込まれています。
図2:水素ガス(贬2)分析计の検出器の构造と动作原理
试料ガスが2つの试料セルに导入され、各试料セル内で试料ガスが拡散し、热伝导率が変化します。例えば、水素は最も高い热伝导率を持つため、试料ガス中の水素浓度が减少し、他のガス浓度が上がると、试料ガス全体の热伝导率は下がります。この试料セルの热伝导率の変化により热线センサーの表面温度が変化して、その电気抵抗が変化します。
また、窒素(狈2)が封入されている2つの比较セルは、热伝导率は一定のため、热线センサーの电気抵抗は常に一定です。この4つの电気抵抗の状态で构成されたブリッジ回路の出力电圧を信号処理部で検出します。特定条件下では、この出力电圧と试料ガス中の水素のガス浓度が比例するため、水素ガスの浓度が测定できます。
気体の热伝导率は、温度によって影响を受けます。同じ圧力下では、気体の温度が高くなると热伝导率は大きくなります。そのため、试料セルと比较セルの内壁面の温度変化は、测定に影响を及ぼします。この影响を低减するため、试料セルと比较セルの内壁面の温度を高精度で一定にする温度制御が罢颁顿の分析计では重要です。
热线センサー表面に接触する试料ガスの流速の変化が测定に影响を及ぼします。热线センサーの电気抵抗は、流速が速いと减少し、遅いと増加します。この流速の影响を低减するため、试料ガスの试料セルへの导入?排出部分やセル容量を最适化し、试料ガスを试料セル内で适切な流速で常时拡散させています。
热伝导度検出方式(罢颁顿)の分析计は、プロセスガス中の水素ガスの连続计测で使用されています。さらに连続ガス计测だけでなく、固体材料中の元素分析にも用いられています。