ДАТЧИК ВОДОРОДА
HYDROGEN DETECTOR

Изобретение относится к анализу материалов, в частности, для определения содержания водорода и может быть использовано при изготовлении газоанализаторов водорода в космической технике, автомобильной промышленности, химической промышленности и т.д.
Известен водородный датчик (RU 2371708, G01N 27/00, 2008.05.05) взрывоопасных концентраций водорода, на основе сенсорного элемента в виде гибкой оболочки, в которую помещено водородочувствительное вещество с экзотермическим откликом. В качестве водородочувствительного вещества с экзотермическим откликом используется диоксид марганца палладированный. Корпус датчика обеспечивает дозированное поступление водорода к сенсорному веществу, а тепловая энергия экзотермической реакции водорода с диоксидом марганца палладированным преобразуется в электрический сигнал с помощью термопары. В зависимости от количества выделенного тепла меняется напряжение на выходе, что является показателем концентрации водорода в контролируемой емкости.
Недостатками водородного датчика является сложность в целом, обусловленная необходимостью применения специального материала корпуса, наличие термопары и промежуточный процесс преобразования выделяющегося тепла в электрический сигнал.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является быстродействующий резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода (RU 2221241, G01N 27/12, 2002.11.19), в котором водородочувствительный элемент выполнен с использованием тонкопленочной технологии из материала, содержащего, по крайней мере, палладий, из которого нагреванием, не доводящим до полного окисления палладия, получен окисел палладия, переходящий в металлический палладий под действием водорода взрывоопасных концентраций. При этом отсутствует возможность регистрации изменяющейся концентрации водорода в анализируемой среде.
Задача изобретения - создание компактной конструкции датчика водорода, позволяющего не только регистрировать наличие водорода на качественном уровне, но и определять его количественно, сохраняя при этом высокую чувствительность (менее 1 об.%).
Для решения поставленной задачи предлагается резистивный датчик концентрации водорода, содержащий водородочувствительный элемент, выполненный в виде толстопленочного резистора, содержащего в материале, по крайней мере, оксид палладия, и нагревательный элемент, подогревающий водородочувствительный элемент.
Водородочувствительный элемент датчика водорода может быть изготовлен из серебропалладиевой резистивной пасты, обеспечивающей содержание в материале элемента оксида палладия.
Сущность изобретения.
Свойства серебропалладивых толстопленочных резисторов определяются содержанием в них оксида палладия, который является полупроводником p-типа. При температуре более 50°C Ag-Pd толстопленочные резисторы изменяют электрофизические свойства в присутствии водорода в окружающей их среде. Это объясняется тем, что при реакции с водородом оксид палладия восстанавливается до металла. При этом проводимость материала резисторов увеличивается, а сопротивление резисторов в целом снижается. В связи с этим, оснащенный нагревательным элементом толстопленочный резистор, содержащий в материале оксид палладия, может служить в качестве резистивного датчика водорода.
Пример
2
,
Толстопленочные резисторы, содержащие в материале оксид палладия, были изготовлены на керамической подложке ВК-94 из резистивных паст ПР-100 и ПР-500, порошковая составляющая которых содержит AgOPd и стекло С-660а. Контакты резисторов формировались из серебряной проводниковой пасты ПП-3. В процессе термообработки в функциональном составе материала резисторов образуются сплав Ag-Pd и оксид палладия PdO. Полученные резисторы имели сопротивления ~60 Ом и ~300 Ом при размере резистивной пленки, соответственно, 6×6×0,02 мм и 2×2×0,02 мм. Для определения чувствительности к водороду резисторы подвергались нагреванию в газообразном водороде и гидрированию в электролите, в процессе которых измерялось их сопротивление. В среде газообразного водорода снижение сопротивления серебропалладиевых толстопленочных резисторов происходит при их нагревании выше температуры 50°C, а в присутствии атомарного водорода уменьшение сопротивления происходит при комнатной температуре. Характерная кривая изменения сопротивления серебропалладиевого резистора при взаимодействии с водородом приведена на фиг.1. Рентгенографическими исследованиями установлено, что увеличение проводимости материала серебропалладивых толстопленочных резисторов и снижение их сопротивления обусловлено восстановлением Pd водородом из PdO. Причем изменение сопротивления датчика происходит пропорционально количеству водорода в окружающей среде.
Техническим результатом является создание миниатюрного датчика водорода, как атомарного, так и молекулярного, позволяющего проводить качественные и количественные измерения. Датчик может быть изготовлен по простой, дешевой и широко применяемой в промышленности технологии.