热导式氢气纯度分析仪的设计

　　制氢站、电厂氢冷发电机组等场所在生产工作中经常需要对氢气纯度进行测定。利用原始的“吸收法”测试氢气纯度有很多弊端:操作复杂,耗费时间及人力,测试精度受到人为操作影响很大,在开、停机过程中不能及时反映置换过程中的情况。热导式氢气纯度分析仪克服了“吸收法”测氢仪的缺点,不需要提前提取样气,直接携带到现场的取样点处连接上导气管后即可进行测试,操作简单、反应迅速、读数稳定。

　　1　热导式氢气纯度分析仪的总体设计

　　该分析仪选用单片机89C58作为系统的CPU,充电电池供电,体积小、重量轻。图1是该分析仪的原理框图。采样气经过导气管进入热导池检测器(TCD),热导池检测器(TCD)将氢气纯度转换成电信号送给运算放大器,信号经放大后送给A/D转换器,单片机便可从A/D转换器中读出代表氢气纯度的数字信号,经运算处理后在液晶显示器上显示出来。数字温度计用于测量结果的温度补偿。存储器用于存储运算处理数据过程中的一些参数值。

　　2　系统各部分工作原理

　　单片机89C58是硬件电路的核心,负责数据的采集、处理、输出和整个系统的协调工作;热导池检测器(TCD)是硬件电路的基础,是整个检测系统的关键所在,负责将氢气纯度值转换为电信号;其他如恒流源、数字温度计、键盘显示等也都是硬件电路的重要组成部分,下面分别介绍硬件系统各部分的组成及工作原理。

　　2.1　热导池检测器(TCD)

　　热导池检测器(Thermal Conductivity Detector, TCD热导池)是利用被测组分和参考气的热导系数不同而响应的浓度型检测器,有的亦称热丝检测器(Hot Wire Detec-tor,HWD)或热导计、卡特计(katherometer或catherome-ter),他是知名的整体性能检测器,属物理常熟检测器。他的结构简单,可靠性高;定量准确,价格低廉,经久耐用;又是非破性检测器,可与其他检测器联用。

　　热敏元件是热导池的感应元件,其阻值随温度而改变。该分析仪选用5%的铼-钨丝作为热敏元件。这种热丝电阻率高(20℃时ρ=14.35μΩ/cm),可在相同长度内得到高阻值;电阻温度系数大(α=3.10×10-3/℃),通桥流加热后可得到高阻值;强度好,拉断力为135.3 g;耐氧化、耐腐蚀。

　　热导池的池体是一个内部加工成池腔和孔道的金属体。池体材料选用铝,因为铝的热传导性能好、热容小且表面形成氧化膜后防腐性能也很好。按载气对热丝的流动方式分类,该热导池属于扩散式,受气流波动影响小。热导池的结构如图2所示。热导池中共有4根热丝,右侧2根为参考臂,密封于参考气中(参考气为氮气,因为氮气与空气热导率相同,又可防止热丝氧化)。左侧2根热丝为测量臂,被测气体由进气口进入热导池,扩散至热丝,使热丝的阻值发生变化,这一变化经检测电路处理后得到测量结果。