熱導(dǎo)氣體分析儀是一種使用最早的物理式氣體分析儀，用于分析氣體混合物中的某個(gè)組分的含量。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用，主要用于分析混合氣體中的H2、CO2、SO2、Ar、NH3等氣體的含量，應(yīng)用最廣的是熱導(dǎo)式氫分析儀。
熱導(dǎo)分析測(cè)量原理
由傳熱學(xué)可知，各種氣體都具有一定的導(dǎo)熱能力，但程度不同，通常用熱導(dǎo)率λ來(lái)表示。熱導(dǎo)率λ越大則導(dǎo)熱性能越好，其值的大小與物質(zhì)的組分、結(jié)構(gòu)、密度、溫度及壓力等有關(guān)。
一般情況下，熱導(dǎo)氣體分析儀最適宜分析導(dǎo)熱系數(shù)相差甚大的二元混合物中某一組分。如果測(cè)量多種氣體混合物中某一組分時(shí)，則希望其余組分的導(dǎo)熱系數(shù)相同或十分接近，這樣可以將它們看做一個(gè)組分來(lái)對(duì)待，否則要在預(yù)處理系統(tǒng)中將干擾組分盡可能去除。熱導(dǎo)氣體分析儀檢測(cè)部分一般用惠斯頓電橋作為熱導(dǎo)傳感器也稱為熱導(dǎo)池，熱導(dǎo)原理如圖1所示。
圖1中R1、R3作為參比臂內(nèi)部封裝參比氣，而R2、R4作為測(cè)量臂流過(guò)樣品氣，通常情況下為保證測(cè)量靈敏及精度，熱導(dǎo)池較多采用對(duì)流擴(kuò)散式結(jié)構(gòu)。有時(shí)為了減少干擾提高測(cè)量精度，參比臂也有選擇流動(dòng)參比氣，目的是使測(cè)量臂通過(guò)對(duì)流和輻射作用散失的熱量與參比臂基本相同，削弱樣品和環(huán)境的溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)整個(gè)熱導(dǎo)池保持恒溫溫度在55-60℃，溫控精度可達(dá)到±0.10℃以上，有的可達(dá)到±0.03℃。
熱導(dǎo)分析儀的特點(diǎn)及局限
熱導(dǎo)氣體分析儀是一種選擇性較差的分析儀器，即使在設(shè)計(jì)制造中采取了種種措施又規(guī)定了使用條件，在一定程度上抑制或削弱了某些干擾因素的影響，但其基本誤差都在±2%左右。究其原因，主要是由于背景氣復(fù)雜多元的組分對(duì)樣氣導(dǎo)熱性能產(chǎn)生不同程度的影響，造成分析結(jié)果的誤差增大。熱導(dǎo)分析儀的測(cè)量誤差由基本誤差和附加誤差兩部分組成。基本誤差是由其測(cè)量原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、各環(huán)節(jié)的信號(hào)轉(zhuǎn)換精度及顯示儀表精度等條件決定的，即分析儀在規(guī)定條件下工作時(shí)產(chǎn)生的誤差;附加誤差是由于對(duì)儀器的調(diào)整、使用不當(dāng)或外界條件變化帶來(lái)的誤差。能夠引起附加誤差的主要因素有校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)氣的組成和精度、干擾組分、灰塵和液滴的存在，樣氣壓力、流量、溫度的變化，熱導(dǎo)池恒溫溫控及電橋電源等?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中熱導(dǎo)分析儀故障的主要因素是熱導(dǎo)池、溫控系統(tǒng)和預(yù)處理系統(tǒng)。
熱導(dǎo)分析儀典型故障
熱導(dǎo)分析儀的典型故障有：
①無(wú)測(cè)量輸出，原因是電源方面故障、輸出板故障。
②指示誤差較大，原因是校驗(yàn)操作不當(dāng)，穩(wěn)定時(shí)間不足；標(biāo)準(zhǔn)氣中背景組分與被測(cè)氣體中背景組分不一致，導(dǎo)致熱導(dǎo)率不一致;樣氣中干擾組分含量過(guò)大;氣路污染、堵塞或有液滴存在，如微壓測(cè)量使用負(fù)壓抽吸時(shí)管路密封不嚴(yán)也會(huì)造成指示誤差較大。
③漂移嚴(yán)重，原因是溫控系統(tǒng)不正常、樣品流量不穩(wěn)定或熱導(dǎo)池被污染。
④熱導(dǎo)池不能升溫，原因是加熱絲開(kāi)路或溫控元件故障。
熱導(dǎo)分析儀故障實(shí)例分析及解決過(guò)程
①實(shí)例1
干氣制氫裝置熱導(dǎo)式氫分析儀指示超程校驗(yàn)無(wú)反應(yīng)的分析及解決過(guò)程為：
a、分析儀開(kāi)蓋檢查，各端子接線牢固，所有焊點(diǎn)無(wú)開(kāi)焊，零點(diǎn)和量程旋轉(zhuǎn)電位器電阻變化正常，電路板插槽無(wú)氧化腐蝕痕跡，需進(jìn)行進(jìn)一步檢查。
b、檢查測(cè)量池恒溫箱外蓋無(wú)明顯溫?zé)岣杏X(jué)，與環(huán)境溫度相差不大;由于產(chǎn)品氫純度分析儀采用熱導(dǎo)式分析原理，且熱導(dǎo)分析儀要求測(cè)量池恒溫在60℃，當(dāng)樣品氣通過(guò)恒溫電橋測(cè)量臂時(shí)，由于氫氣純度的不同將造成測(cè)量臂熱敏電阻阻值的變化，使得電橋失衡從而輸出與濃度變化同步的電位差。當(dāng)測(cè)量池處于常溫下時(shí)，由于標(biāo)氣溫度與環(huán)境溫度相同，即使通入不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣，熱敏電阻的變化也很小，造成分析儀無(wú)法分辨。而且由于電橋電位基本平衡，因此分析儀氫氣純度指示一直超程。
c、測(cè)量加熱絲電阻為1.01kΩ，池溫電阻11.60kΩ，經(jīng)過(guò)與其他同型號(hào)運(yùn)行正常的熱導(dǎo)氫分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量比對(duì)，基本相同。
d、檢查溫控電路板，發(fā)現(xiàn)電路板焊接面呈不正常不規(guī)則的焦黑色，分析應(yīng)是有元件長(zhǎng)期使用后的老化短路造成的高溫造成的。更換溫控電路板，通電試驗(yàn)，加熱正常。
e、通入標(biāo)準(zhǔn)氣校驗(yàn)，分析儀仍然無(wú)變化，試驗(yàn)給測(cè)量臂通入空氣，分析儀指示仍然不變。進(jìn)一步對(duì)測(cè)量池解體檢查，測(cè)量參考臂和測(cè)量臂電阻均為28Ω，符合惠斯頓電橋平衡要求?？紤]到該分析儀使用接近9年，樣品中攜帶的雜質(zhì)可能粘附在熱導(dǎo)絲上，造成測(cè)量能力下降，因此更換新熱導(dǎo)池。組裝熱導(dǎo)池并按照原線色將電橋接入電路板通電試驗(yàn)，分析儀指示零下。通入96%H2和99.999%H2標(biāo)準(zhǔn)氣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)分析儀變化趨勢(shì)與通入的標(biāo)氣濃度相反，繼續(xù)檢查原因，發(fā)現(xiàn)電橋輸出信號(hào)與原接法不同，重新測(cè)量并確定電橋工作電壓和輸出信號(hào)正負(fù)后接入電路板，分析儀指示趨勢(shì)與通入的標(biāo)氣濃度變化相同，反復(fù)調(diào)整零點(diǎn)、量程電位器后分析儀工作正常，故障解決。
②實(shí)例2
硫磺回收尾氣加氫裝置熱導(dǎo)式氫分析儀指示變化遲緩且偏低的分析及解決過(guò)程為：
a、變化遲緩并不一定是分析儀故障，因此在分析問(wèn)題時(shí)需要同所在裝置的加氫總量曲線相比較以便確認(rèn)。指示偏低的可能性有很多，最簡(jiǎn)單的方法是先使用合格標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行校驗(yàn)檢查。
b、使用標(biāo)準(zhǔn)氣對(duì)分析儀進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果基本滿足儀器技術(shù)指標(biāo)。
c、了解工藝加氫情況，排除工藝原因后基本確定故障發(fā)生在預(yù)處理系統(tǒng)，此時(shí)根據(jù)分析儀預(yù)處理系統(tǒng)具體采樣情況進(jìn)行分析。尾氣加氫采樣點(diǎn)選擇在急冷塔抽出管線上，壓力在0.02MPa左右，樣品中有少量液體水、微量銨鹽結(jié)晶體和硫化氫，因此在預(yù)處理設(shè)計(jì)上除了采用常規(guī)的過(guò)濾、排凝之外為求得足夠穩(wěn)定的樣品流量及響應(yīng)時(shí)間還在熱導(dǎo)池測(cè)量出口設(shè)置了負(fù)壓抽吸裝置。
d．通常分析儀校驗(yàn)正常而在線指示變化遲緩的原因主要有樣品管或排放管堵塞造成樣品置換速度慢，在采用足夠安全措施的情況下拆卸樣品管和排放管檢查，發(fā)現(xiàn)有輕度堵塞，疏通后正常試投用，指示變化遲緩情況緩解但仍與工藝調(diào)氫量變化不對(duì)應(yīng)。
e、反復(fù)變化調(diào)整樣品流量及旁通流量，浮子變化跟隨較快，證明樣品流路通暢。
f、根據(jù)儀器工作原理分析，造成指示誤差較大的原因還有樣氣中干擾組分含量過(guò)大或有液滴存在，因此對(duì)整個(gè)樣品回路從取樣點(diǎn)至返回點(diǎn)逐一檢查，發(fā)現(xiàn)不僅樣品管路內(nèi)壁上有微量水，在低點(diǎn)排凝及過(guò)濾器芯上都發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水存在。重新設(shè)計(jì)了一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)集液排凝設(shè)備安裝在設(shè)備采樣口并定時(shí)排凝，并用高純氮?dú)鈱⒐苈贰⒐芗皟x器內(nèi)接觸樣品部分進(jìn)行了吹掃干燥，排除了液滴對(duì)測(cè)量的影響，重新試投用后測(cè)量結(jié)果有所好轉(zhuǎn)但仍不滿足趨勢(shì)對(duì)應(yīng)要求。
g、采取多種措施實(shí)施后效果仍不理想，懷疑樣品中含有強(qiáng)干擾組分，但通過(guò)化驗(yàn)分析，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)工藝樣品有異常。
h、再次對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行流程分析，樣品被負(fù)壓抽吸自取樣點(diǎn)經(jīng)過(guò)一次過(guò)濾排凝、二次過(guò)濾排凝、穩(wěn)流進(jìn)入熱導(dǎo)池，分析后的樣品進(jìn)入負(fù)壓抽吸裝置與動(dòng)力源共同返回工藝管線。也就是說(shuō)自取樣點(diǎn)至負(fù)壓抽吸裝置之間任何一個(gè)點(diǎn)發(fā)生密封不嚴(yán)的情況，樣品氣中就混合了環(huán)境氣體從而被稀釋，就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值偏低情況。
i、逐步排查卡套連接點(diǎn)及閥門(mén)，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理中一個(gè)手動(dòng)排凝旋塞閥內(nèi)漏，更換試投用后分析儀指示與調(diào)氫量正常對(duì)應(yīng)。
熱導(dǎo)池是熱導(dǎo)式分析儀的“心臟”部件，作為橋臂的熱絲尤其是裸絲更是精細(xì)脆弱極易受損，而且熱絲的安裝稍有偏差便會(huì)給測(cè)量精度造成影響，因此拆卸前應(yīng)反復(fù)論證確定必要性;熱導(dǎo)池回裝后要做嚴(yán)格的氣密性試驗(yàn)，檢查方法是，給熱導(dǎo)池封入10.0kPa壓力，15min后壓力降應(yīng)不大于0.4kPa;發(fā)生故障時(shí)首先應(yīng)從儀器工作原理入手，結(jié)合發(fā)生的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，不宜盲目拆卸，因?yàn)闊釋?dǎo)分析儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般都非常精密，拆卸后安裝不當(dāng)極易造成較大的測(cè)量誤差甚至損失。
作者：吳華鋒
