ДАТЧИК ВЗРЫВООПАСНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВОДОРОДА
EXPLOSIVE HYDROGEN CONCENTRATION SENSOR

Изобретение относится к измерению содержания водорода в естественных средах и технических объектах и может быть использовано для контроля утечек водорода из систем охлаждения мощных электрогенераторов, систем питания двигателей внутреннего сгорания, работающих на водородном топливе, для локализации участков вероятного водородного растрескивания магистральных газопроводов или обнаружения мест выделения водорода.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является газоанализатор водорода типа WS85 фирмы SIEMENS. Газоанализатор WS85 содержит чувствительный элемент в виде керамической основы, на которую нанесен слой активированной платины. Чувствительный элемент помещен в рабочую камеру с пористой стенкой, проницаемой для газа, и измерителем температуры в камере. Принцип действия рассматриваемого газоанализатора заключается в каталитическом сжигании водорода в воздухе и измерении теплового эффекта реакции, который зависит от концентрации водорода.
Недостатком каталитического газоанализатора является необходимость присутствия в анализируемой атмосфере достаточного количества кислорода для полного сжигания водорода, что не всегда выполнимо. В частности, при аварийных ситуациях на АЭС воздух может замещаться другими газами и водяным паром. В этих условиях рассматриваемый газоанализатор оказывается неработоспособным. В то же время основным назначением газоанализаторов водорода для АЭС как раз и является контроль водорода при проектных и запроектных авариях, когда возможно накопление водорода до взрывоопасной концентрации.
Известен способ измерения концентрации водорода (Япония, патент 2-23826, МКИ 5 G01N 21/77, заявка 60-44647 от 08.03.85 г.), в котором датчик водорода, представляющий собой пленочную структуру, помещают в анализируемую среду. Датчик содержит чувствительный элемент в виде пленки, вызывающей диссоциацию воды или раствора с выделением водорода. Выделяющийся водород поглощается пленкой и изменяет ее оптические характеристики. По изменению коэффициента поглощения пленки определяют концентрацию водорода в анализируемой среде.
Недостатками предложенного способа являются невысокая точность измерения и отсутствие долговременной стабильности, обусловленные активным взаимодействием пленки чувствительного элемента с анализируемой средой, создающие дополнительные условия для выделения водорода. Кроме того, способ пригоден только для измерения мгновенного значения концентрации и не позволяет наблюдать ее изменение во времени.
В качестве прототипа выбран сенсорный датчик (патент РФ №54173, G01D 5/00, опубл. 10.06.2006) с расположенным в его корпусе считывающим измеряемые величины или параметры состояния и преобразующим их в электрические сигналы сенсорным устройством, с закрепленным на корпусе датчика имеющим форму штепселя или штепсельного гнезда соединительным элементом, который может сопрягаться с приемным присоединительным элементом на устройстве, через который сенсорное устройство нагружено измеряемой величиной или параметром состояния, и с включающим в себя проводящие жилы и шланговую оболочку гибким шланговым кабелем, посредством проводящих жил которого сенсорное устройство может электрически соединяться с устройством для обработки данных. Корпус датчика имеет часть корпуса с отверстием для ввода кабеля, к которой шланговый кабель прикреплен с обеспечением прочности на разрыв, причем проводящие жилы через отверстие для ввода кабеля прочно соединены с сенсорным устройством.
Недостатком данного решения является технологическая сложность изготовления.
Задачей изобретения является создание датчика, применяющегося при повышенных концентрациях водорода, при этом имеющего простую конструкцию и более высокую надежность работы за счет снижения концентрационной экспозиции на сенсорный элемент, что увеличивает срок службы газочувствительного датчика.
Задача решается тем, что в датчике взрывоопасных концентраций водорода, содержащем корпус, внутри которого размещен сенсорный элемент, проводящий элемент, посредством которого сенсорное устройство может электрически сопрягаться с устройством для обработки данных, корпус выполнен из тонкостенного кварцевого стекла, сенсорный элемент - в виде гибкой оболочки, в которую помещено водородочувствительное вещество с экзотермическим откликом, проводящий элемент снабжен термопарой или термочувствительным резистивным элементом, которые размещены в сенсорном элементе. В качестве водородочувствительного вещества с экзотермическим откликом используется диоксид марганца палладированный. Корпус выполнен, по крайней мере, из одной сферы, в центре которой размещен сенсорный элемент, например из трех сфер, соединенных капилляром, внутри них размещен на несущей сенсорный элемент, каждый из которых снабжен проводящим элементом с термопарой или термочувствительным резистивным элементом. Кварцевое стекло в своем составе содержит добавки диспергированного металла-катализатора. В качестве добавки диспергированного металла-катализатора использован, по крайней мере, один металл 8 группы таблицы Менделеева или их сплавы.
Поскольку задачей изобретения является создание датчика, функционирующего на протяжении длительного времени и обеспечивающего надежный контроль утечки, предлагается выполнять корпус из материала, существенно снижающего величину потока водорода, поступающего к сенсорному веществу. Таким материалом является кварц. Кварцевая сфера (сферическая форма выбрана для равномерного поступления водорода к сенсорному элементу и повышения прочного проницаемого корпуса) позволяет предотвратить пассивацию палладиевых нанокластеров на гранулах оксида металла.
Добавки диспергированного металла-катализатора использованы для повышения скорости проникновения водорода.
На фиг.1 представлена схема датчика, на фиг.2 - сенсорный элемент.
Датчик содержит корпус 1, выполненный из тонкостенного кварцевого стекла и представляющий собой три последовательно установленные сферы, соединенные капилляром. Внутри каждой сферы размещен на несущей 2 сенсорный элемент 3, выполненный в виде гибкой оболочки, в которую помещено гранулированное водородочувствительное вещество с экзотермическим откликом (в нашем случае диоксид марганца палладированный). В каждом сенсорном элементе 3 размещена термопара 4 или термочувствительный резистивный элемент, которые посредством проводящего элемента 5 связаны с устройством для обработки данных 6 через электрический гермоввод 7 с разъемом 8. Гермоввод 7 размещен в крепежном элементе 9.
Датчик работает следующим образом.
Датчик помещают в контролируемую емкость (не показано), соединив его посредством электрического гермоввода 6, например, с индикаторным устройством, имеющим на своем табло метки, соответствующие разным концентрациям водорода. При возникновении утечки водорода последний, проникая через кварцевый корпус 1, при помощи которого происходит дозированное поступление водорода к сенсорному веществу 3, вступает в экзотермическую реакцию с диоксидом марганца палладированным. Тепловая энергия преобразуется в электрическую посредством термопары 4 или термочувствительного резистивного элемента, что фиксируется устройством обработки данных. В зависимости от количества выделенного тепла меняется напряжение на выходе, что является показателем концентрации водорода в контролируемой емкости.