供气相色谱仪使用的热导检测器的设计与实现

    气相色谱( GC) 仪广泛用于石油、化工、环保、制药和食品等领域，其可以对混合物的各种成分进行定性和定量测定^［1，2］。GC 仪配有热导、氢焰等十多种检测器，其中热导检测器( TCD) 灵敏度最低，但因其具有对有机物和无机物都有响应、对物质分子的非破坏性、结构简单、经济实用等独特优点而仍被广泛应用^［3，4］。为了克服 TCD 灵敏度低的缺点，各个厂家和研究者都对其进行了改进，如国外通过微机械加工的方法把热导池的体积减小到几百纳升的数量级，从而减小了死体积，提高灵敏度^［5，6］; 上海科创色谱仪器有限公司通过改进热导检测器的热导池和电路使氢气和氩气的体积比浓度检出限达到 90× 10^{－ 9［7］}; 黄为勇等从理论上分析了恒丝温热导检测方法^［8］; 刘鸿飞等设计了应用在安捷伦 3000 便携色谱仪上的 MEMS 热导检测器的检测电路，AD( 模/数转换) 采样后的总噪声仅为 1. 25 μV^［9］。

    1 热导检测器的工作原理

    热导检测器是利用被测组分和载气的导热系数不同而导致响应不同的浓度型检测器，图 1 为热导检测器的结构图和电路原理图。当只通载气时，电桥处于平衡状态，M、N 两点电位相等，电位差 V_MN零; 再通入样气后，由于参考臂上只通入载气，而测量臂上通入了载气和样气，使测量臂上散失的热量多于参考臂，从而引起两臂热丝温度不同，进而使两臂热丝阻值不同，电桥平衡破坏，电桥电位差 V_MN不为零; 通过对 V_MN电压进行检测，便可定性、定量地测出被测物质的成分和含量。

    热导检测器的突出缺点是灵敏度较低，因此提高其灵敏度是改进其性能的主要方向。由式( 1) 可知影响热导检测器灵敏度( S) 的主要因素是热导电阻、桥路电流、载气热导系数、热导池体积、热丝温度、池体温度。

    热导检测器灵敏度可用式( 1)^［10］表示:

式中: K 为热导池常数，取决于几何参数; I 为桥路电流; R 为热丝电阻; λ_C为载气热导系数; λ_S为样气热导系数; T_f为热丝温度; T_b为池体温度。

    由式( 1) 可以看出 S 与 I³成正比，且 I 的波动会引起 S 较大的波动，实践也证明: 桥流每增加 30～ 40 mA，S 增加 1 倍^［7］，因此本文通过研制高稳定性的热导恒流源提高灵敏度及其稳定性，通过从差压检测电路的噪声模型分析来改进 TCD 电路设计，以提高热导检测器的检测精度。