热传导式气体传感器

定义与用途

热传导式气体传感器是一种依据气体热传导率差异来检测气体成分或浓度的传感器。其核心敏感元件是发热的铂电阻丝，通过测量铂丝因散热条件变化而引起的温度（电阻）变化，间接获得气体热导率信息。

工作原理

传感器将铂丝通电加热至高于环境温度。铂丝产生的热量主要通过周围气体的热传导散失。当气体成分改变时，混合气体的热导率发生变化，铂丝的散热速率随之改变，导致其平衡温度变化。铂丝的电阻值随温度变化，因此通过测量铂丝电阻即可推知气体热导率的变化，进而检测气体成分或浓度。

关键关系与符号

设铂丝电阻为 $R$，温度为 $T$，则对于铂电阻有近似线性关系：
$R=R_0[1+\alpha (T-T_0)]$
其中 $R_0$ 为参考温度 $T_0$ 下的电阻，$\alpha$ 为电阻温度系数（单位 ${\text{K}}^{-1}$）。

铂丝的热平衡方程为：
$P=\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t}=K(T-T_{\text{a}})$
其中 $P$ 为加热功率（单位 $\text{W}$），$K$ 为总热导（又称总热耗散系数，单位 $\text{W/K}$），$T_{\text{a}}$ 为环境温度。$K$ 包括气体热传导、引线热传导、辐射等，其中气体热传导项与气体热导率 $\lambda$（单位 $\text{W/(m⋅K)}$）成正比。当气体成分改变使 $\lambda$ 变化时，$K$ 变化，在恒定加热功率下 $T$ 改变，从而 $R$ 改变。

检测对象与适用范围

该传感器适用于热导率与空气显著不同的气体，如氢气（热导率远高于空气）、二氧化碳（热导率低于空气）等。其特点是构造简单，但灵敏度较低，选择性差，输出与气体浓度通常不成严格比例。测量结果受环境温度影响较大，需恒温或补偿措施。

典型应用

1. 真空度检测：当介质真空度升高时，气体分子数减少，碰撞传热能力降低（热导率变小），铂丝散热变差，平衡温度及电阻值增大。该方法可测至 $133.322\times {10}^{-5}\text{ Pa}$，但需恒温或补偿。
2. 介质成分与流速检测：管内气体成分比例变化引起气体热导率改变，进而使铂丝电阻值变化，从而检测成分；流速变化主要改变对流换热系数，使铂丝散热条件改变，同样引起铂丝电阻值变化，从而检测流速。