Wärmeleitfähigkeitsmessgerät
1. Einleitung
Die thermische Leitfähigkeit der einzelnen Gase ist unterschiedlich; sie hängt von der Molmasse und der Temperatur ab und wird vom Gasdruck kaum beeinflusst. Werden Gase mit unterschiedlicher thermischer Leitfähigkeit gemischt, hängt die thermische Leitfähigkeit des Gemisches von der Konzentration seiner Bestandteile ab. Auf diese Weise lässt sich der Anteil der einzelnen Gase bestimmen.
Das Prinzip der Wärmeleitfähigkeitsmessung eignet sich insbesondere dann, wenn die zu messenden Gase deutlich unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen und eine der folgenden drei Bedingungen erfüllt ist.
1. Das Gasgemisch enthält nur zwei Bestandteile. Zum Beispiel den Kohlendioxidgehalt in Stickstoff oder den Wasserstoffgehalt in Stickstoff.
2. Das Gasgemisch enthält mehr als zwei Komponenten, aber nur die Konzentration von zwei Komponenten ändert sich.
3. Ein Gasgemisch enthält mehr als zwei Komponenten, und das Hintergrundgas enthält zwei oder mehr Komponenten, die jedoch eine ähnliche Wärmeleitfähigkeit aufweisen, was einem Zweikomponentengemisch entspricht. Beispielsweise bei der Messung von Wasserstoff oder Helium in Sauerstoff/Stickstoff.
2. Messprinzip
Der Sensorchip besteht aus einem Siliziumrahmen mit einer Siliziumnitrid-Membran. In der Mitte befinden sich ein Heizelement und eine Thermosäule. Die Mitte der Membran wird mithilfe eines Heizwiderstands erwärmt. Der daraus resultierende Temperaturanstieg wird von der Thermosäule gemessen. Dieser Temperaturanstieg hängt vom effektiven Wärmewiderstand zwischen der Membranmitte und den Umgebungsgasen ab. Der Chip misst die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Umgebung und der Membranmitte, die von der Wärmeleitfähigkeit des gemessenen Gases beeinflusst wird.
3. Kondensat- und Staubkontrolle
Der Sensor ist durch ein Sinterglas mit einer Porengröße im µm-Bereich geschützt, das Gasmoleküle durchlässt, während flüssige Wassermoleküle nicht eindringen können. Zudem verringert die Schutzschicht aus Sinterglas die Abhängigkeit vom Gasdurchfluss, sodass der Probengasdurchfluss durch die Wärmeleitfähigkeitszelle zwischen 10 und 400 l/h betragen kann.
Hochtemperatursensoren mit thermostatgesteuerten Gaswegen bis zu 180 °C können bei hohen Taupunkten und/oder zur Vermeidung einer möglichen Versalzung eingesetzt werden.
4. Eingebauter Durchflussmesser
Integrierte Durchflussmessung mit rechnerischer Korrektur entsprechend der Gaszusammensetzung.
5. Optionaler NDIR-Sensor zur Kompensation
Das Vorhandensein von Störkomponenten im Probengas ist ein wichtiger Faktor, der zusätzliche Fehler verursacht, die jedoch bei den meisten Gasen bei niedriger Konzentration nahezu vernachlässigbar sind. Komplexe Gasgemische lassen sich durch Modellierung der Kreuzempfindlichkeit und andere Messungen vollständig bestimmen. Sogar IR- und Feuchtigkeitsmessungen können zur Korrektur der Berechnungen herangezogen werden, was eine integrierte Lösung zur Bestimmung von homonuklearen und Edelgasen in komplexen Gasgemischen ermöglicht.
6. Integrierte Messmodi für mehrere Gase
Das Gerät verfügt über 16 integrierte Messmodi für binäre Gasgemische sowie Kalibrierdaten, sodass verschiedene Gase und Gasgemische mit demselben Gerät gemessen werden können.
7. Messbereich
Messgas | Hintergrundgas | Messbereich | Kleinster Bereich 1 | Kleinster Bereich 2 | Mischgase |
Wasserstoff(H2) | Stickstoff (N2) or air | 0% – 100% | 0% – 0.5% | 98% – 100% | Ja |
Wasserstoff(H2) | Argon (Ar) | 0% – 100% | 0% – 0.4% | 99% – 100% | Ja |
Wasserstoff(H2) | Helium (He) | 20% – 100% | 20% – 40% | 85% – 100% | |
Wasserstoff(H2) | Methan(CH4) | 0% – 100% | 0% – 0.5% | 98% – 100% | |
Wasserstoff(H2) | Kohlendioxid (CO2) | 0% – 100% | 0% – 0.5% | 98% – 100% | |
Wasserstoff(H2) | Sauerstoff(O2) | 0% – 100% | 0% – 0.8% | 97% – 100% | |
Kohlendioxid (CO2) | Stickstoff (N2) oder Luft | 0% – 100% | 0% – 3% | 96% – 100% | Ja |
Kohlendioxid (CO2) | Argon (Ar) | 0% – 60% | 0% – 10% | — | Ja |
Argon (Ar) | Sauerstoff(O2) | 0% – 100% | 0% – 3% | 96% – 100% | Ja |
Argon (Ar) | Kohlendioxid (CO2) | 40% – 100% | — | 80% – 100% | Ja |
Argon (Ar) | Xenon (Xe) | 0% – 100% | 0% – 3% | 99% – 100% | |
Stickstoff (N2) | Argon (Ar) | 0% – 100% | 0% – 3% | 97% – 100% | Ja |
Stickstoff (N2) | Wasserstoff(H2) | 0% – 100% | 0% – 2% | 99.5%– 100% | Ja |
Sauerstoff (O2) | Stickstoff (N2) | 0% – 100% | 0% – 15% | 85% – 100% | Ja |
Sauerstoff (O2) | Argon(Ar) | 0% – 100% | 0% – 2% | 97% – 100% | Ja |
Sauerstoff (O2) | Kohlendioxid (CO2) | 0% – 100% | 0% – 3% | 96% – 100% | Ja |
Methan (CH4) | Stickstoff (N2) oder Luft | 0% – 100% | 0% – 2% | 96% – 100% | Ja |
Methan (CH4) | Argon (Ar) | 0% – 100% | 0% – 1.5% | 97% – 100% | Ja |
Neon (Ne) | Argon (Ar) | 0% – 100% | 0% – 1.5% | 99% – 100% | |
Helium (He) | Stickstoff (N2) oder Luft | 0% – 100% | 0% – 0.8% | 97% – 100% | Ja |
Helium (He) | Argon (Ar) | 0% – 100% | 0% – 0.5% | 98% – 100% | Ja |
Krypton (Kr) | Argon (Ar) | 0% – 100% | 0% – 2% | 96% – 100% | |
Deuterium gas (D2) | Stickstoff (N2) oder Luft | 0% – 100% | 0% – 0.7% | 96% – 100% | |
Deuterium gas (D2) | Helium (He) | 0% – 100% | 0% – 5% | 70% – 100% | |
Schwefelhexafluorid (SF6) | Stickstoff (N2) oder Luft | 0% – 100% | 0% – 2% | 96% – 100% | |
Stickstoffdioxid (NO2) | Stickstoff (N2) oder Luft | 0% – 100% | 0% – 5% | 96% – 100% | |
Löschgas (R125) | Stickstoff (N2) oder Luft | 0% – 100% | 0% – 5% | 98% – 100% |
8. Typische Anwendungsbereiche
Gasanalysatoren auf Basis der Wärmeleitfähigkeit sind eine effektive Methode zur Messung einer Komponente in Gasgemischen (mit sehr unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten). Sie werden hauptsächlich zur Bestimmung des Gehalts an Wasserstoff (H₂), Kohlendioxid (CO₂), Argon (Ar) usw. eingesetzt. Nachfolgend sind einige typische Anwendungsbeispiele aufgeführt.
- Messung des Wasserstoffgehalts (H₂) im Synthesegas einer Ammoniakanlage
- Messung der Wasserstoffreinheit (H₂) in Hydrieranlagen
- Messung von Wasserstoff (H₂) in reinem Wasserstoff (O₂) und von Wasserstoff (H₂) in reinem Sauerstoff (O₂) bei der Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Wasserelektrolyse
- Messung des Wasserstoffgehalts (H₂) in Kohlenwasserstoffgasen
- Überwachung des Wasserstoff- (H₂) und Kohlendioxidgehalts (CO₂) in wasserstoffgekühlten Generatorsätzen
- Messung von Wasserstoff (H₂) in Chlorgas (Cl₂) bei der Chlorherstellung
- Messung des Kohlendioxidgehalts (CO₂) im Verbrennungsabgas des Ofenkellers
- Messung des Argon (Ar)-Gehalts in Luftzerlegungsanlagen
- Überwachung der Reingaserzeugung, z. B. Helium (He) in Stickstoff (N₂), Argon (Ar) in Sauerstoff (O₂)
- Messung des Schwefeldioxid (SO₂)-Gehalts in Produktionsprozessen zur Herstellung von Schwefelsäure und Phosphatdünger
Liste der Anwendungsfälle:
No. | Industrie | measurement tasks | Measurement | Measurement Range | Carrier gases |
1 | Chemikalien | Wasserstoff als Verunreinigung | H2 | 0-0,5% | Ar, N2, O2 |
2 | Chemikalien | Wasserstoffgewinnung durch Elektrolyse | H2 | O2 | |
3 | Chemikalien | Ammoniak (NH₃)-Produktion | H2 | NH2, Air | |
4 | Chemikalien | Export von Methanisierungsöfen für die Düngemittelproduktion und Ammoniak (NH₃)-Konvertern | H2 | 50-100% | N2, CH4, NH3, Ar |
5 | Luftzerlegung, Chemikalien | Wasserstoffreinheit | H2 | 99-100% | N2, O2, HC, Luft, SIH4 |
6 | Luftzerlegung, Chemikalien | Argon-Raffinationsverfahren | H2 | Ar | |
7 | Metallurgie | Glühofen H2, N2-Oxidationsschutz | H2 | N2, ppm O2 | |
8 | Metallurgie | Hochofengas | H2 | 0-20% | N2, CO, CO2, H2O |
9 | Metallurgie | Sauerstoff-Blasofen (BOF) | H2 | 0-10% | N2, O2, H2O, O2, CO, CO2, Brenngas |
10 | Metallurgie | Roheisen für Stahlwerke | H2 | % | |
11 | Metallurgie | Wärmebehandlung mit H₂ und N₂ | H2 | 0-5% ; 10%; 20% | N2, ppm O2 |
12 | Metallurgie | Schutzgas | H2 | Luft, N2 | |
13 | Metallurgie | Wasserstoffentfernung, Überwachung der H₂-Abgabe aus der Metallschmelze | H2 | N2 | |
14 | Chemikalien& Pharmazeutisch | Qualitätsprüfung | Unreinheit | Ar | |
15 | Glasherstellung | Flachglasherstellung | H2 | 0-10% | N2 |
16 | Lebensmittel und Getränke, Medizintechnik | Gasmischung | |||
17 | Halbleiterindustrie | Überwachungsprozess | H2 | 0-8% | Ar |
18 | Kraftwerk | Turbinengenerator | H2 | 0-100% | CO2 oder Ar |
19 | Kraftwerk | Turbinengenerator | Luft | 0-100% | CO2 oder Ar |
20 | Kraftwerk | Turbinengenerator | H2 | 90-100% | Luft |
21 | Kraftwerk | Turbinengenerator | H2 | 90-100% | Luft |
22 | Kraftwerk | Turbinengenerator | H2 | Luft | |
23 | Kernkraft | Kernenergie, Überwachung von Deuterium (D2) in der Luft | D2 | 0-5% | D2, Luft |
24 | Kernkraft | Kernkraftwerk, Vakuum-Zugrekonstruktor hinter dem Kondensator | H2 | 0-5% | N2, O2 |
25 | Kernkraft | Kernkraftwerke, Analyse der Wasserstoffausbreitung zur Vermeidung einer explosionsfähigen Atmosphäre | H2 | 0-20% | Luft |
26 | Petrochemie | Herstellung von Aceton, Phenol und Isopropylbenzol | H2 | 50-100% | N2, CH4 |
27 | Petrochemie | H₂-Erzeugung aus Isocyanat im Speisegas | H2 | 0-1Vol% | CO |
28 | Petrochemie | Aromatisches Hebegasrohr, N₂-Sammelleitung und Reglerbehälter | HC, H2 | 0-15% 0-1% | НС |
29 | Petrochemie | Caprolactam-Produktion – H₂-Reinheit | H2 | 70-100% | N2, ppm NH3, ppm CO |
30 | Petrochemie | Gaskompressor für den Kreislauf einer Hydrocracker-Anlage | H2 | 50-100% | Kohlenwasserstoffe |
31 | Petrochemie | Ergänzungsgas für den Hydrocracker | H2 | 50-100% | Kohlenwasserstoffe |
32 | Petrochemie | Sammelstelle hinter dem Hydrocracker | H2 | 50-100% | Kohlenwasserstoffe |
33 | Elektroindustrie | Schweißen | H2 | N2 | |
34 | Biowissenschaften und medizinische Anwendungen | Dosis des Lachgas-Anästhetikums N₂O | N2O | N2 | |
35 | Automobilindustrie, Stromerzeugung, erneuerbare Energien | Brennstoffzelle | H2 | O2, N2 |