Die Analyse von Gasgemischen, mit Hilfe von Wärmeleitfähigkeitszellen, ist schon seit über 100 Jahren bekannt und gilt somit als die älteste, physikalische Methode auf dem Gebiet der Gasmesstechnik. Der Grund dafür liegt vor allem durch den relativ einfachen Aufbau, der ohne zusätzlichen elektronischen Aufwand (z.B. Verstärker), eine direkte Konzentrations­anzeige ermögli­cht. Dazu wird ein temperaturabhängiges Messelement (Heizdraht, Thermistor, Dünnschichtwiderstand)  in einer Messkammer integriert, in der das zu analysierende Gasgemisch geleitet wird. Das Messelement wird mit dem Messstrom aufgeheizt, so dass sich im Gleichgewichtszustand eine konstante Temperatur einstellt. Gelangt nun ein Gasgemisch, mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit in die Messzelle, so kühlt das Messelement sich ab und der Widerstand verändert sich. Über diese Widerstandsänderung lässt sich die Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches bestimmen und somit dann auch auf deren Zusammensetzung schließen.

Die ersten technischen Anwendungen von Wärmeleitfähigkeits-Messgeräten lagen in der Reinheitskontrolle und Leckageüberwachung von Füllgasen (Wasserstoff/­Helium) in der Luftschifffahrt (Zeppe­lin). In den ersten U-Booten wurde diese Messmethode auch für die Regelung Luftqualität unter Wasser eingesetzt, die sich auf den CO₂-Gehalt als Regelgröße bezog.

Heute wird die Gasanalyse nach dem Wärmeleitfähigkeitsverfahren vor allem in der chemi­schen Verfahrenstechnik (z.B. Chlorgasanalyse, Reinheitskontrolle bei der Luftzerlegung usw.) und der Gaschromato­graphie eingesetzt. Bei den meistens technischen Anwendungen der Wärmeleitfähigkeitssensoren (WLS) liegen  ausschließlich zwei (binär) oder drei (ternär) Gaskomponenten vor. Durch neue technologische Ansatzpunkte (Silizium-Mikrome­cha­nik) werden seit 1985 im zunehmenden Maße miniaturisier­te Messzel­len eingesetzt, die zu einer  Renaissance dieser Messtech­nik führten.

Grundlagen

Die ersten exakten Messungen zur absoluten Wärmeleitfähigkeit λ von Gasen wurden schon 1888 von Schleiermacher durchgeführt. In der Folgezeit entstanden umfangreiche  theoretischen Abhandlungen zur Wärmeleitfähigkeit der Gase, die uns heute ein umfassendes Bild dieser Stoffgröße liefern.

Die Wärmeleitfähigkeit  eines Gases bzw. Gasgemisches wird durch die Energieübertragung pro Zeiteinheit (→Wärmestrom = dQ/dt), bezogen auf ein Flächenelement dA  über den Temperatur­gradienten dT/ds, definiert. In dem Bild unten ist der prinzipielle Aufbau einer Wärmeleitfähigkeitsmesszelle dargestellt. Die Wärmequelle befindet sich auf der linken Seite bei s=0 und überträgt die Wärme auf die Gasmoleküle. Die Gasmoleküle übertragen die Wärme ihrerseits durch Stöße auf andere Gasmoleküle und letztendlich dann auch auf die rechte Seite der Messzelle bei s=x. Die geometrischen Verhältnisse sind so ausgelegt, das der Übertragungsweg x nur wenige mm beträgt.

Wärmeübertragung durch Wärmeleitung (Stöße der Gasmoleküle untereinander) mit überlagerter Wärmestrahlung für eine planare Geometrie.

Die Berechnung der Wärmeübertragung erfolgt dabei über das empirische Gesetz von Fourier. Die physikalische Einheit der Wärmeleitfähigkeit  λ ist Wm^-1K^-1. In den unterschiedlichen Literaturstellen und Tabellenwerken findet man auch Angaben wie [µWcm^-1K^-1], oder [mWm^-1K^-1]. Eine weitere Möglichkeit der Darstellung ist auch die relative Wärmeleitfähigkeit zu Luft, die als „1“ normiert wird.

Aktuelles Forschungsprojekt an der FH-Dortmund zur Miniaturisierung eins WLD: