Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Грег Глатцмайер из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии определяет высокотемпературную термическую и механическую стабильность герметиков, используемых в лабораторном прототипе интегрированного модуля сепаратора датчика водорода.

Датчик водорода представляет собой детектор газа , который обнаруживает присутствие водорода . Они содержат микрочастицы точечных датчиков водорода и используются для обнаружения утечек водорода. Они считаются недорогими, компактными, прочными и простыми в обслуживании по сравнению с обычными газоанализаторами. [1]

Ключевые проблемы [ править ]

Есть пять ключевых проблем с детекторами водорода: [2]

Дополнительные требования [ править ]

  • Диапазон измерения концентрации 0,1–10,0% [3]
  • Эксплуатация при температурах от −30 ° C до 80 ° C
  • Точность в пределах 5% от полной шкалы
  • Работает в газовой среде окружающего воздуха в диапазоне относительной влажности 10–98%.
  • Устойчивость к углеводородным и другим помехам.
  • Срок службы более 10 лет

Типы микросенсоров [ править ]

Существуют различные типы микродатчиков водорода, которые используют разные механизмы для обнаружения газа. Палладий используется во многих из них, потому что он избирательно поглощает газообразный водород и образует сложный гидрид палладия . [4] Датчики на основе палладия имеют сильную температурную зависимость, что делает их время отклика слишком большим при очень низких температурах. [5] Датчики палладия должны быть защищены от оксида углерода , диоксида серы и сероводорода .

Оптоволоконные датчики водорода [ править ]

Для точечного обнаружения водорода используются оптоволоконные датчики поверхностного плазмонного резонанса (SPR) нескольких типов :

Другие типы [ править ]

  • Электрохимический датчик водорода - низкие (ppm) уровни газообразного водорода могут быть обнаружены с помощью электрохимических датчиков, которые содержат набор электродов, упакованных так, чтобы быть окруженными проводящим электролитом, и проникновение газа регулируется с помощью капилляра, ограниченного диффузией.
  • Датчик водорода MEMS - сочетание нанотехнологии и технологии микроэлектромеханических систем (MEMS) позволяет производить микросенсор водорода, который должным образом функционирует при комнатной температуре. Один из типов датчиков водорода на основе MEMS покрыт пленкой, состоящей из наноструктурированного оксида индия (In 2 O 3 ) и оксида олова (SnO 2 ). [6] Типичная конфигурация механических датчиков водорода на основе Pd - это использование отдельно стоящего кантилевера, покрытого Pd. [7] [8] В присутствии H 2, слой Pd расширяется и тем самым вызывает напряжение, вызывающее изгиб кантилевера. В литературе также описаны наномеханические резонаторы с покрытием из палладия , основанные на вызванном напряжением механическом резонансном сдвиге частоты, вызванном присутствием газа H 2 . В этом случае скорость отклика была увеличена за счет использования очень тонкого слоя Pd (20 нм). Умеренный нагрев был представлен как решение проблемы ухудшения отклика, наблюдаемой во влажных условиях. [9]
  • Тонкие пленки датчик - палладий тонкопленочный датчик основан на противоположную собственности , которая зависит от наноразмерных структур внутри тонкой пленки. В тонкой пленке наноразмерные частицы палладия набухают при образовании гидрида, и в процессе расширения некоторые из них образуют новые электрические связи со своими соседями. Сопротивление снижается из-за увеличения количества проводящих путей. [2] [10]
  • Толстопленочные сенсоры - устройства, обычно состоящие из двух основных компонентов: 1) толстый (сотни микрон) слой полупроводникового материала (SnO 2 , In 2 O 3 ), называемый «матрицей», и верхний слой каталитически активных добавок, таких как благородные металлы. (Pd, [11] Pt [12] ) и оксиды металлов (Co x O y [13]) ускоряет реакцию окисления водорода на поверхности, что значительно ускоряет реакцию сенсора. Роль «матрицы» - преобразовывать сигнал в измерительную систему. Толстопленочные сенсоры более стабильны, чем тонкопленочные сенсоры с точки зрения дрейфа сигнала, но обычно демонстрируют более медленный отклик сенсора из-за ограничений диффузии в толстый слой. Технология толстопленочных сенсоров заменяется тонкопленочными технологиями из-за растущей потребности в интеграции сенсоров в современные электронные системы. Толстопленочные сенсоры требуют повышенных температур для своей работы и поэтому, по-видимому, плохо совместимы с системами цифровой электроники.
  • Хемохромные датчики водорода - обратимые и необратимые хемохромные датчики водорода включают в себя интеллектуальную пигментную краску, которая визуально определяет утечки водорода по изменению цвета. Датчик также доступен в виде ленты. [14] Другие методы были разработаны для анализа биологического производства водорода. [15]
  • Датчик Шоттки на основе диода - Датчик газа водорода на основе диода Шоттки использует затвор из сплава палладия . Водород может избирательно поглощаться затвором, снижая энергетический барьер Шоттки . [16] Металлический полупроводниковый диод Шоттки (МС) Pd / InGaP может обнаруживать концентрацию H 2 в воздухе 15 частей на миллион (ppm) . [17] Используются полупроводники из карбида кремния или кремниевые подложки.
  • Металлический La - Mg2 - Ni, который является электропроводным , поглощает водород в условиях окружающей среды, образуя неметаллический гидрид LaMg2NiH7 в качестве изолятора . [18]

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

Улучшение [ править ]

Силоксан увеличивает чувствительность и время реакции сенсоров водорода. [4] Может быть достигнуто определение уровня водорода до 25 частей на миллион; намного ниже нижнего предела взрываемости водорода, составляющего около 40 000 частей на миллион.

См. Также [ править ]

  • Анализатор водорода
  • Испытание на утечку водорода
  • Водородная безопасность
  • Катарометр
  • Список датчиков
  • Оптоволокно
  • Датчик с наностержнями из оксида цинка

Ссылки [ править ]

  1. ^ Цюй, Си Донг (2005). "Матрица датчика конденсатора МОП для измерения газообразного водорода" (PDF) . Университет Саймона Фрейзера . Архивировано из оригинального (PDF) 06.07.2011 . Проверено 21 октября 2008 .
  2. ^ а б Питтс, Рональд; Пинг Лю; Се-Хи Ли; Эд Трейси. "Межфазная стабильность тонкопленочных датчиков водорода" (PDF) . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии . Проверено 21 октября 2008 .
  3. ^ НРЕЛ-водородный Датчик тестирование октябрь 2008 архивация 2009-05-06 в Wayback Machine
  4. ^ a b «Датчики водорода быстрее и чувствительнее» . Отчет об инновациях. 2005-05-31 . Проверено 21 октября 2008 .
  5. ^ Гуэмес, Дж. Альфредо; Пинтадо, JM; Frovel, M .; Olmo, E .; Обст, А. (май 2005 г.). «Сравнение трех типов оптоволоконных датчиков водорода в рамках проекта CryoFOS». 17-я Международная конференция по оптоволоконным датчикам . 5855 : 1000. Bibcode : 2005SPIE.5855.1000G . DOI : 10.1117 / 12.623731 . S2CID 108642357 . 
  6. ^ Альверио, Густаво. «Микросенсор водорода на основе наночастиц» . Университет Центральной Флориды. Архивировано из оригинала на 2008-12-04 . Проверено 21 октября 2008 .
  7. ^ BASELT, DR (2003). «Конструкция и характеристики датчика водорода на основе микрокантилевера». Датчики и исполнительные механизмы B: химические . 88 (2): 120–131. DOI : 10.1016 / S0925-4005 (02) 00315-5 .
  8. ^ Окуяма, Сумио. «Зондирование газообразного водорода с помощью кантилевера с покрытием из палладия» . Японский журнал прикладной физики . Проверено 26 февраля 2013 .
  9. Перейти ↑ Henriksson, Jonas (2012). «Сверхмалое обнаружение водорода на основе наномеханического лучевого резонатора с палладиевым покрытием» . Наноразмер . Наноразмерный журнал. 4 (16): 5059–64. Bibcode : 2012Nanos ... 4.5059H . DOI : 10.1039 / c2nr30639e . PMID 22767251 . Проверено 26 февраля 2013 . 
  10. ^ "Системы обнаружения водорода" . Макел Инжиниринг . Проверено 21 октября 2008 .
  11. ^ Олексенко, Людмила П .; Максимович, Нелли П .; Соковых, Евгений В .; Матушко, Игорь П .; Бувайло, Андрей И .; Доллахон, Норман (2014-06-01). «Исследование влияния добавок палладия в наноразмерный диоксид олова на чувствительность адсорбционных полупроводниковых сенсоров к водороду». Датчики и исполнительные механизмы B: химические . 196 : 298–305. DOI : 10.1016 / j.snb.2014.02.019 .
  12. ^ Хон, Хён-Ки; Квон, Чул Хан; Ким, Сын-Рёль; Юн, Дон Хён; Ли, Кючунг; Сун, Юнг Квон (25 июля 2000). «Портативная система электронного носа с матрицей газовых датчиков и искусственной нейронной сетью». Датчики и исполнительные механизмы B: химические . 66 (1–3): 49–52. DOI : 10.1016 / S0925-4005 (99) 00460-8 .
  13. ^ Олексенко, Людмила П .; Максимович, Нелли П .; Бувайло, Андрей И .; Матушко, Игорь П .; Доллахон, Норман (2012-11-01). «Адсорбционно-полупроводниковые сенсоры водорода на основе наноразмерного диоксида олова с добавками оксида кобальта». Датчики и исполнительные механизмы B: химические . 174 : 39–44. DOI : 10.1016 / j.snb.2012.07.079 .
  14. ^ "DetecTape H2 - недорогой визуальный детектор утечки водорода" . www.detectape.com . Проверено 18 апреля 2018 года .
  15. ^ Ghirardi, Мария Львовна (1 сентября 2015). «Внедрение фотобиологического производства H2: чувствительность гидрогеназ к O2». Фотосинтез Исследования . 125 (3): 383–393. DOI : 10.1007 / s11120-015-0158-1 . PMID 26022106 . S2CID 14725142 .  
  16. ^ "Энергетический барьер Шоттки" (PDF) . electrochem.org . Проверено 18 апреля 2018 года .
  17. ^ "Датчик водорода Pd / InGaP металл-полупроводник (MS) диод Шоттки h…" . iop.org . 4 августа 2012. Архивировано из оригинала 4 августа 2012 года . Проверено 18 апреля 2018 года .
  18. ^ "Изоляционное состояние, вызванное гидрированием в интерметаллиде LaMg2Ni" . biomedexperts.com . Архивировано из оригинала на 2012-02-13 . Проверено 18 апреля 2018 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Зондирование и обнаружение водорода
  • ISO TC 197 WG13
  • Микросенсор, интегрированный в наночастицы [ постоянная мертвая ссылка ]
  • Волоконные решетки для измерения водорода [ постоянная мертвая связь ]
  • Датчик водорода с широким диапазоном
  • Оптоволоконный датчик типа Брэгга
  • Таблица датчиков ЕС
  • История успеха EERE H2scan
  • 2010-NCKU-Semiconductor транзисторный датчик водорода
  • Аргоннская национальная лаборатория (тонкая пленка)
  • Дороги2HyCom