氢气纯度分析仪原理是什么？

这是一个非常核心的问题。氢气纯度分析仪的原理主要基于一个关键的物理特性：氢气拥有所有气体中高的热导率。

主流、应用广的氢气纯度分析仪采用的就是热导原理。

一、核心原理：热导法

您可以将其理解为“通过测量气体的‘导热速度’来判定氢气含量”。

1. 基本概念：不同气体传导热量的能力（即热导率）差异很大。氢气的热导率大约是空气的7倍，是氮气的6.9倍。这是一个非常显著的差异。

2. 核心部件 - 热导池：

分析仪内部有一个称为“热导池”的关键部件。池体内有精细的孔道，孔道中安装了热敏元件（通常是铂丝）。

3. 参考腔与测量腔：

一个典型的热导池会有两个腔室：

◦ 参比腔：内部密封着一种已知的纯净参考气体（如干燥空气或氮气）。

◦ 测量腔：待测的氢气混合气体持续流过这个腔室。

4. 惠斯通电桥：

这两个腔室中的热敏元件被连接成一个精密的电路——惠斯通电桥。在通电状态下，铂丝被加热到一定温度。

5. 工作过程（关键的部分）：

◦ 当纯净的氢气（100%）流过测量腔时：由于氢气导热极快，它能迅速地将测量腔铂丝的热量带走，导致测量腔铂丝的温度降低，其电阻值也随之减小。

◦ 当氢气纯度下降（即杂质增多）时：杂质气体（如空气、氮气）的热导率远低于氢气，它们带走热量的能力差，因此测量腔铂丝的温度会升高，电阻值增大。

◦ 电桥失衡：测量腔和参比腔的铂丝电阻差异，会导致惠斯通电桥失去平衡，产生一个电信号。这个信号的强弱与流经测量腔的气体热导率直接相关，而热导率又直接由氢气浓度决定。

6. 信号转换与显示：

仪器内部的微处理器会检测这个电信号的大小，并与预先存储的校准曲线进行比对，从而精确地计算出当前的氢气纯度，并在屏幕上显示出来。

简单比喻：就像用手触摸金属和木头来感受温差一样。氢气就像“金属”，能快速“吸热”；而其他气体像“木头”，“吸热”很慢。分析仪就是通过感知这种“导热能力”的变化来测量纯度。

二、其他原理（用于特定场景）

虽然热导法是主流，但在一些有特殊要求的场合，也会使用其他原理：

1. 气相色谱法：

◦ 原理：利用色谱柱将混合气体中的各种成分（氢气、氧气、氮气、CO₂等）分离开，然后分别检测。

◦ 特点：精度极高，不仅能得到氢气纯度，还能精确分析每一种杂质的含量。但设备昂贵、操作复杂、分析速度较慢。

◦ 应用：主要用于实验室或对气体质量要求极高的场合（如燃料电池用氢的质量仲裁、半导体行业）。

2. 热式（质量流量）原理：

◦ 原理：基于氢气具有很高比热容的特性，测量气体流过加热元件时产生的冷却效应。

◦ 特点：响应速度快，但容易受气体流量和压力波动的影响。

总结对比

原理 优点 缺点 主要应用

热导法 结构简单、性能稳定、成本低、维护方便、测量范围宽 精度受背景气体成分影响 绝对主流，适用于发电厂、化工等绝大多数工业在线监测

气相色谱法 精度极高、可分析全组分 设备昂贵、操作复杂、分析慢 实验室、质量检验、超高纯度气体分析

热式法 响应速度快 易受流量、压力影响 对响应速度有特殊要求的场合

结论： 您在日常工业现场（如发电厂、化工厂）见到的常见的氢气纯度分析仪，超过90%的可能性是基于热导原理工作的。

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