Датчик водорода

Датчик водорода — это детектор газа , который обнаруживает присутствие водорода . Они содержат микроизготовленные точечные датчики водорода и используются для обнаружения утечек водорода. Они считаются недорогими, компактными, долговечными и простыми в обслуживании по сравнению с обычными приборами для обнаружения газа. ^[1]

Ключевые вопросы

Существует пять ключевых проблем, связанных с детекторами водорода: ^[2]

Надежность : Функциональность должна быть легко проверяемой.
Производительность : Обнаружение 0,5% водорода в воздухе или выше.
Время отклика < 1 секунды.
Срок службы : По крайней мере, время между плановым техническим обслуживанием.
Стоимость : цель — 5 долларов за датчик и 30 долларов за контроллер.

Дополнительные требования

Охват диапазона измерения концентрации 0,1–10,0 % ^[3]
Эксплуатация при температуре от −30 °C до 80 °C.
Точность в пределах 5% от полной шкалы
Функционирование в среде окружающего воздуха и газа в диапазоне относительной влажности 10–98 %.
Устойчивость к углеводородам и другим воздействиям.
Срок службы более 10 лет

Типы микросенсоров

Существуют различные типы микросенсоров водорода, которые используют разные механизмы для обнаружения газа. ^[4] палладий Во многих из них используется , поскольку он избирательно поглощает газообразный водород и образует соединение гидрид палладия . ^[5] Датчики на основе палладия имеют сильную температурную зависимость, что делает время их отклика слишком большим при очень низких температурах. ^[6] Палладиевые датчики должны быть защищены от угарного газа , диоксида серы и сероводорода .

Оптоволоконные датчики водорода

несколько типов волоконно-оптических датчиков поверхностного плазмонного резонанса Для точечного обнаружения водорода используются (SPR):

Волокнистая брэгговская решетка , покрытая слоем палладия. Обнаруживает водород по металлическим помехам.
Микрозеркало – с тонким слоем палладия на сколотом конце, определяющим изменения в обратном отраженном свете.
покрытое палладием – Водород изменяет показатель преломления палладия Коническое волокно , и, следовательно, величину потерь в затухающей волне .

Другие типы

Электрохимический датчик водорода – низкие уровни газообразного водорода (ppm) можно определить с помощью электрохимических датчиков, которые содержат массив электродов, упакованных так, чтобы быть окруженными проводящим электролитом, а проникновение газа контролируется с помощью капилляра с ограничением диффузии.
Датчик водорода МЭМС. Сочетание нанотехнологий и технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС) позволяет создать микросенсор водорода, который правильно работает при комнатной температуре. Один тип датчика водорода на основе МЭМС покрыт пленкой, состоящей из наноструктурированного оксида индия ( В ₂ O ₃ ) и оксид олова ( SnO2 ₎ . ^[7] Типичной конфигурацией механических датчиков водорода на основе палладия является использование отдельно стоящего кантилевера, покрытого палладием. ^[8]^[9] В присутствии H ₂ слой Pd расширяется и тем самым вызывает напряжение, вызывающее изгиб кантилевера. с Pd-покрытием В литературе также сообщалось о наномеханических резонаторах , основанных на сдвиге частоты механического резонанса, вызванном напряжением, вызванном присутствием Н ₂ газ. В данном случае скорость отклика была увеличена за счет использования очень тонкого слоя Pd (20 нм). Умеренный нагрев был представлен как решение проблемы ухудшения реакции, наблюдаемого во влажных условиях. ^[10]
Тонкопленочный датчик. Тонкопленочный датчик палладия основан на противоположном свойстве, которое зависит от наноразмерных структур внутри тонкой пленки. В тонкой пленке наноразмерные частицы палладия при образовании гидрида разбухают, и в процессе расширения некоторые из них образуют новые электрические связи со своими соседями. Сопротивление снижается из-за увеличения количества проводящих путей. ^[2]^[11]
Толстопленочные датчики – устройства, обычно имеющие два основных компонента: 1) толстый (сотни микрон) слой какого-либо полупроводникового материала ( SnO ₂ , В ₂ O ₃ ), называемая «матрицей» и верхним слоем из каталитически активных добавок типа благородных металлов (Pd, ^[12] Пт ^[13]) и оксиды металлов ( Co
_х О
_и^[14]), ускоряя реакцию окисления водорода на поверхности, что значительно ускоряет реакцию датчика. Роль «матрицы» заключается в передаче сигнала в измерительную систему. Толстопленочные датчики более стабильны, чем тонкопленочные, с точки зрения дрейфа сигнала, но обычно демонстрируют более медленный отклик датчика из-за ограничений диффузии в толстый слой. Технология толстопленочных датчиков заменяется тонкопленочными технологиями из-за растущей потребности в интеграции датчиков в современные электронные системы. Толстопленочные датчики для работы требуют повышенных температур и поэтому плохо совместимы с цифровыми электронными системами.
Хемохромные датчики водорода. Реверсивные и необратимые химиохромные датчики водорода содержат интеллектуальную пигментную краску, которая визуально идентифицирует утечку водорода по изменению цвета. Датчик также доступен в виде ленты. ^[15] Другие методы были разработаны для анализа биологического производства водорода . ^[16]
Датчик Шоттки на основе диода. диода Шоттки В датчике водорода на основе используется затвор из палладиевого сплава . Водород может избирательно поглощаться затвором, снижая энергетический барьер Шоттки . ^[17] Металл-полупроводниковый (MS) диод Шоттки Pd/ InGaP может обнаруживать концентрацию 15 частей на миллион (ppm). H ₂ в воздухе. ^[18] подложки из карбида кремния . полупроводниковые или кремниевые Используются
Металлический La - Mg2 - Ni , обладающий электропроводностью , поглощает водород вблизи условий окружающей среды, образуя неметаллический гидрид LaMg2NiH7, являющийся изолятором . ^[19]

Датчики обычно калибруются на заводе-изготовителе и действительны в течение всего срока службы устройства.

Улучшение

Силоксан повышает чувствительность и время реакции датчиков водорода. ^[5] Может быть достигнуто обнаружение уровней водорода до 25 частей на миллион; водорода намного ниже нижнего предела взрываемости , составляющего около 40 000 частей на миллион.

См. также

Ссылки

^ Цюй, Си Донг (2005). «Матрица МОП-конденсаторных датчиков для измерения газообразного водорода» (PDF) . Университет Саймона Фрейзера . Архивировано из оригинала (PDF) 6 июля 2011 г. Проверено 21 октября 2008 г.
^ Jump up to: ^а ^б Питтс, Рональд; Пин Лю; Се-Хи Ли; Эд Трейси. «Межфазная стабильность тонкопленочных датчиков водорода» (PDF) . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии . Проверено 21 октября 2008 г.
^ NREL-Испытание датчика водорода, октябрь 2008 г. Архивировано 6 мая 2009 г. в Wayback Machine.
^ Свагер, Тимоти М.; Пиох, Томас Н.; Фэн, Хаошэн; Бергман, Харрисон М.; Луо, Шао-Сюн Леннон; Валенца, Джон Дж. (24 мая 2024 г.). «Критические методы зондирования водорода: технические потребности и состояние области для поддержки меняющегося энергетического ландшафта» . Датчики СКУД . 9 (5): 2205–2227. doi : 10.1021/acsensors.4c00251 . ISSN 2379-3694 .
^ Jump up to: ^а ^б «Датчики водорода быстрее и чувствительнее» . Отчет об инновациях. 31 мая 2005 г. Проверено 21 октября 2008 г.
^ Гуэмес, Дж. Альфредо; Пинтадо, Дж. М.; Фровель, М.; Олмо, Э.; Обст, А. (май 2005 г.). Сравнение трех типов оптоволоконных датчиков водорода в рамках проекта КриоФОС . 17-я Международная конференция по волоконно-оптическим датчикам. Том. 5855. с. 1000. Бибкод : 2005SPIE.5855.1000G . дои : 10.1117/12.623731 . S2CID 108642357 .
^ Альверио, Густаво. «Микросенсор водорода на основе наночастиц» . Университет Центральной Флориды. Архивировано из оригинала 4 декабря 2008 г. Проверено 21 октября 2008 г.
^ Базельт, ДР (2003). «Проектирование и характеристики датчика водорода на основе микрокантилевера». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 88 (2): 120–131. дои : 10.1016/S0925-4005(02)00315-5 .
^ Окуяма, SOS; Митобе, YMY; Окуяма, КОК; Мацусита, КМК (2000). «Измерение газообразного водорода с помощью кантилевера с палладийным покрытием» . Японский журнал прикладной физики . 39 (6р): 3584. }
^ Хенрикссон, Йонас (2012). «Сверхмаломощное зондирование водорода на основе наномеханического лучевого резонатора с палладиевым покрытием» . Наномасштаб . 4 (16). Наномасштабный журнал: 5059–64. Бибкод : 2012Nanos...4.5059H . дои : 10.1039/c2nr30639e . ПМИД 22767251 . Проверено 26 февраля 2013 г.
^ «Системы обнаружения водорода» . Макел Инжиниринг . Проверено 21 октября 2008 г.
^ Олексенко Людмила П.; Максимович Нелли П.; Соковых Евгений Владимирович; Матушко Игорь П.; Бувайло Андрей Игоревич; Доллахон, Норман (1 июня 2014 г.). «Исследование влияния добавок палладия в наноразмерный диоксид олова на чувствительность адсорбционных полупроводниковых сенсоров к водороду». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 196 : 298–305. дои : 10.1016/j.snb.2014.02.019 .
^ Хонг, Хён Ки; Квон, Чул Хан; Ким, Сын Рёль; Юн, Дон Хён; Ли, Кючунг; Сун, Юнг Квон (25 июля 2000 г.). «Портативная электронная носовая система с матрицей газовых датчиков и искусственной нейронной сетью». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 66 (1–3): 49–52. дои : 10.1016/S0925-4005(99)00460-8 .
^ Олексенко Людмила П.; Максимович Нелли П.; Бувайло Андрей Игоревич; Матушко Игорь П.; Доллахон, Норман (1 ноября 2012 г.). «Адсорбционно-полупроводниковые датчики водорода на основе наноразмерного диоксида олова с добавками оксида кобальта». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 174 : 39–44. дои : 10.1016/j.snb.2012.07.079 .
^ «DetecTape H2 — недорогой визуальный детектор утечек водорода» . www.detectape.com . Проверено 18 апреля 2018 г.
^ Жирарди, Мария Л. (1 сентября 2015 г.). «Осуществление фотобиологического производства H2: чувствительность гидрогеназ к O2». Исследования фотосинтеза . 125 (3): 383–393. дои : 10.1007/s11120-015-0158-1 . ПМИД 26022106 . S2CID 14725142 .
^ «Энергетический барьер Шоттки» (PDF) . электрохим.орг . Проверено 18 апреля 2018 г.
^ «Диод Шоттки металл-полупроводник (МС) Pd/InGaP, чувствительный к водороду h…» . iop.org . 4 августа 2012 года. Архивировано из оригинала 4 августа 2012 года . Проверено 18 апреля 2018 г.
^ «Изолирующее состояние, вызванное гидрированием, в интерметаллическом соединении LaMg2Ni» . biomedexperts.com . Архивировано из оригинала 13 февраля 2012 г. Проверено 18 апреля 2018 г.

Дальнейшее чтение

Саундарраджан, Прабху; Швайхардт, Франк (2009). «15. Измерение и обнаружение водорода» (PDF) . В Гупте, РБ (ред.). Водородное топливо: производство, транспорт и хранение . ЦРК Пресс. стр. 495–534. дои : 10.1201/9781420045772 . ISBN 978-1-4200-4577-2 . OCLC 246585264 .
«ISO 26142:2010 Аппаратура для обнаружения водорода: Стационарное применение» . Международная организация по стандартизации.
Труйе, А.; Марин, Э.; Вейлас, К. (2006). «Волоконные решетки для обнаружения водорода» (PDF) . Измерительная наука и технология . 17 (5): 1124. дои : 10.1088/0957-0233/17/5/S31 .
Чжан, П.; Дешпанде, С.; Сил, С.; Чо, HJ; Меделиус, П.Дж. (2006). «Быстрое обнаружение водорода при комнатной температуре с использованием микросенсора со встроенными наночастицами». СЕНСОРЫ, 2006 . IEEE. стр. 712–5. дои : 10.1109/ICSENS.2007.355560 . ISBN 1-4244-0375-8 .
Бретт, Л. (октябрь 2003 г.). «Датчики безопасности водорода и их применение при хранении, распределении и использовании водорода» (PDF) . Объединенный исследовательский центр Европейской комиссии.

Внешние ссылки

[1] Цюй, Си Донг (2005). «Матрица МОП-конденсаторных датчиков для измерения газообразного водорода» (PDF) . Университет Саймона Фрейзера . Архивировано из оригинала (PDF) 6 июля 2011 г. Проверено 21 октября 2008 г.

[Pitts-2] Jump up to: ^а ^б Питтс, Рональд; Пин Лю; Се-Хи Ли; Эд Трейси. «Межфазная стабильность тонкопленочных датчиков водорода» (PDF) . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии . Проверено 21 октября 2008 г.

[3] NREL-Испытание датчика водорода, октябрь 2008 г. Архивировано 6 мая 2009 г. в Wayback Machine.

[4] Свагер, Тимоти М.; Пиох, Томас Н.; Фэн, Хаошэн; Бергман, Харрисон М.; Луо, Шао-Сюн Леннон; Валенца, Джон Дж. (24 мая 2024 г.). «Критические методы зондирования водорода: технические потребности и состояние области для поддержки меняющегося энергетического ландшафта» . Датчики СКУД . 9 (5): 2205–2227. doi : 10.1021/acsensors.4c00251 . ISSN 2379-3694 .

[innovations-5] Jump up to: ^а ^б «Датчики водорода быстрее и чувствительнее» . Отчет об инновациях. 31 мая 2005 г. Проверено 21 октября 2008 г.

[6] Гуэмес, Дж. Альфредо; Пинтадо, Дж. М.; Фровель, М.; Олмо, Э.; Обст, А. (май 2005 г.). Сравнение трех типов оптоволоконных датчиков водорода в рамках проекта КриоФОС . 17-я Международная конференция по волоконно-оптическим датчикам. Том. 5855. с. 1000. Бибкод : 2005SPIE.5855.1000G . дои : 10.1117/12.623731 . S2CID 108642357 .

[7] Альверио, Густаво. «Микросенсор водорода на основе наночастиц» . Университет Центральной Флориды. Архивировано из оригинала 4 декабря 2008 г. Проверено 21 октября 2008 г.

[8] Базельт, ДР (2003). «Проектирование и характеристики датчика водорода на основе микрокантилевера». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 88 (2): 120–131. дои : 10.1016/S0925-4005(02)00315-5 .

[9] Окуяма, SOS; Митобе, YMY; Окуяма, КОК; Мацусита, КМК (2000). «Измерение газообразного водорода с помощью кантилевера с палладийным покрытием» . Японский журнал прикладной физики . 39 (6р): 3584. }

[10] Хенрикссон, Йонас (2012). «Сверхмаломощное зондирование водорода на основе наномеханического лучевого резонатора с палладиевым покрытием» . Наномасштаб . 4 (16). Наномасштабный журнал: 5059–64. Бибкод : 2012Nanos...4.5059H . дои : 10.1039/c2nr30639e . ПМИД 22767251 . Проверено 26 февраля 2013 г.

[11] «Системы обнаружения водорода» . Макел Инжиниринг . Проверено 21 октября 2008 г.

[12] Олексенко Людмила П.; Максимович Нелли П.; Соковых Евгений Владимирович; Матушко Игорь П.; Бувайло Андрей Игоревич; Доллахон, Норман (1 июня 2014 г.). «Исследование влияния добавок палладия в наноразмерный диоксид олова на чувствительность адсорбционных полупроводниковых сенсоров к водороду». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 196 : 298–305. дои : 10.1016/j.snb.2014.02.019 .

[13] Хонг, Хён Ки; Квон, Чул Хан; Ким, Сын Рёль; Юн, Дон Хён; Ли, Кючунг; Сун, Юнг Квон (25 июля 2000 г.). «Портативная электронная носовая система с матрицей газовых датчиков и искусственной нейронной сетью». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 66 (1–3): 49–52. дои : 10.1016/S0925-4005(99)00460-8 .

[14] Олексенко Людмила П.; Максимович Нелли П.; Бувайло Андрей Игоревич; Матушко Игорь П.; Доллахон, Норман (1 ноября 2012 г.). «Адсорбционно-полупроводниковые датчики водорода на основе наноразмерного диоксида олова с добавками оксида кобальта». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 174 : 39–44. дои : 10.1016/j.snb.2012.07.079 .

[15] «DetecTape H2 — недорогой визуальный детектор утечек водорода» . www.detectape.com . Проверено 18 апреля 2018 г.

[16] Жирарди, Мария Л. (1 сентября 2015 г.). «Осуществление фотобиологического производства H2: чувствительность гидрогеназ к O2». Исследования фотосинтеза . 125 (3): 383–393. дои : 10.1007/s11120-015-0158-1 . ПМИД 26022106 . S2CID 14725142 .

[17] «Энергетический барьер Шоттки» (PDF) . электрохим.орг . Проверено 18 апреля 2018 г.

[18] «Диод Шоттки металл-полупроводник (МС) Pd/InGaP, чувствительный к водороду h…» . iop.org . 4 августа 2012 года. Архивировано из оригинала 4 августа 2012 года . Проверено 18 апреля 2018 г.

[19] «Изолирующее состояние, вызванное гидрированием, в интерметаллическом соединении LaMg2Ni» . biomedexperts.com . Архивировано из оригинала 13 февраля 2012 г. Проверено 18 апреля 2018 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]