ДАТЧИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДОРОДА В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ
SENSOR FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF HYDROGEN IN A GASEOUS ENVIRONMENT

Изобретение относится к датчикам анализаторов концентрации водорода на основе вакуумной диффузии водорода через мембрану и преобразования химической энергии в электрическую. Датчик может быть использован для анализа взрывоопасных и прочих концентраций водорода в газовой среде трубопроводов и скважин.
Известно устройство для автоматического определения водорода, работающее по   методу ASTM (Стандартные методики химических, масс-спектрометрических и спектральных анализов порошков и таблеток двуокиси урана ядерного сорта. ANSI/ASTM C 696-80, ЦНИИАТОМИНФОРМ, Москва, 1982, перевод N 129, п. 144.2-147, стр. 182-185).
Существенным недостатком является использование высокотемпературных процессов (выше 1800°C) и необходимость сложной хроматографической очистки водорода.
Известен водородный датчик (ЕР 0768528, опубл. 16.09.1996 г.), содержащий электрически изолирующую подложку с нанесенной на нее тонкой аморфной титан-циркониевой пленкой, поверх которой нанесена пленка палладия, который используется для измерения концентраций взрывоопасных концентраций водорода. Водород диссоциирует на пленке палладия и диффундирует в никель-циркониевую пленку, изменяя ее электросопротивление пропорционально концентрации водорода.
Недостатком такого датчика является отсутствие возможности деталированной регистрации концентраций водорода от 5% до 100%, т.к. такой датчик срабатывает при всех концентрациях выше 5% без указания самой концентрации.
Известен также анализатор водорода в топливных таблетках из двуокиси урана (RU 2151434, опубл. 20.06.2000 г.), который состоит из газового блока, дожигателя водорода, обводной трубы, установленной параллельно дожигателю водорода, кулонометрического датчика, интегратора тока и блока питания. Нагрев таблеток проводят до температуры 1800°C+50°C, а в атмосфере гелия выделяют водород и воду. Анализатор может быть использован лишь в лабораторных условиях, а нагрев до 1800°C требует мощного источника энергии.
Однако известное устройство не предназначено для определения концентрации водорода в трубопроводах и скважинах из-за его сложности и необходимости проведения высокотемпературного процесса, что усложняет и повышает риски взрывоопасности и исключает применимость данного анализатора на реальных объектах в полевых условиях на открытой местности.
В процессе поиска ближайших аналогов обнаружено не было.
Техническая задача, которая стояла перед разработчиком, заключалась в создании простого по конструкции, датчика определения концентрации водорода от 5 до 90% в газовой среде трубопроводов и скважин, способного работать во всепогодных полевых условиях, в том числе при отрицательных температурах.
Технический результат – способность определять концентрацию водорода в газовой среде трубопроводов, скважин и в полевых условиях при низком энергопотреблении.
Технический результат достигается за счет того, что датчик определения концентрации водорода в газовой среде содержит пробную трубу в форме полого цилиндра, дно и крышка которого выполнены в виде сдвижных дисковых элементов, водородную мембрану, размещенную в стенке пробной трубы, а также корпус низкотемпературного топливного элемента, расположенный вблизи корпуса водородной мембраны, при этом между водородной мембраной и топливным элементом установлен вакуумный насос.
При этом водородная мембрана выполнена из материалов на основе платины Pt, палладия Pd или терморасширенного графита, а топливный элемент содержит протонопроводящую полимерную мембрану, разделяющую анод и катод.
Данное устройство способно принять к диффузии через водородную мембрану максимальный объем водорода из газовой среды пробной трубы с минимальным количеством примесей и обеспечить передачу водорода в топливный элемент.
Выполнение пробной трубы в форме полого цилиндра позволяет минимизировать завихрения горизонтальных потоков ветра направленных перпендикулярно оси пробной трубы в полевых условиях, т.к.  трубу располагают вертикально по отношению к грунту.
Для анализа среды в трубопроводах и скважинах, пробную трубу закрывают герметично и располагают в байпасной системе по ходу движения газовой среды. Для этого дно пробной трубы, куда поступает газ, и крышка, откуда выходит газ, выполнены в виде сдвижных дисковых элементов для фиксации композиции газов, прошедшей через пробную трубу, и герметичного их запирания.
Водородную мембрану необходимо размещать в стенке пробной трубы, чтобы водород из пробной трубы после запирания диффундировал через мембрану за счет разницы давления, создаваемого вакуумным насосом.
Корпус низкотемпературного топливного элемента расположен в непосредственной близости к корпусу водородной мембраны. Топливные элементы работают как источники избыточного тепла, который передается водородной мембране и обеспечивает ее первичный нагрев и оптимальную работу. Обогрев мембраны позволяет производить замеры при отрицательных температурах. Низкотемпературный топливный элемент с рабочей температурой до 200°С служит для преобразования химической энергии водорода в электрическую энергию прямым методом, что обеспечивает высокий КПД до 60%. Полученное электричество может быть направлено на подзарядку аккумуляторной батареи блока питания.
Поскольку датчик изготавливают в мобильном исполнении с аккумулятором, то это позволит применять его автономно на промышленных объектах и в полевых условиях, а использование низкотемпературного топливного элемента с температурой до 200°C обеспечит низкое энергопотребление.
Размещение вакуумного насоса между водородной мембраной и топливным элементом создает разницу давления, обеспечивая быстрое прохождение водорода сквозь мембрану.
Согласно п.2 формулы водородная мембрана может быть изготовлена из материалов на основе Pt, Pd или терморасширенного графита, т.к. указанные материалы обеспечивают высокую проницаемость для водорода. Оптимальным вариантом с низкой стоимостью может стать мембрана на основе терморасширенного графита.
Согласно п.3 формулы топливный элемент содержит протонопроводящую полимерную мембрану, разделяющую анод и катод, которая преобразует химическую энергию водорода в электрический прямой метод, а регистрация вольтметром и блоком регистрации изменения напряжения позволяет определить наличие и концентрацию водорода в газовой среде.
На чертеже представлена схема датчика заявляемой конструкции. Стрелками показано направление движения газа и водорода.
1 - пробная труба;
2, 3 - сдвижные дисковые элементы;
4 - вакуумный насос;
5 - водородная мембрана;
6 - коллектор;
7 - низкотемпературный топливный элемент;
8 - вольтметр;
9 - блок регистрации данных.
Описание работы датчика.
Через открытую пробную трубу 1 проходит естественный поток газовой среды. При закрывании дна и крышки трубы 1 сдвижными дисковыми элементами 2, 3 происходит фиксация среды в заданном объеме пробы. Разница давления, созданная вакуумным насосом 4, позволяет водороду перемещаться через мембрану 5 из пробной трубы 1 в коллектор 6. По коллектору 6 водород попадает в топливный элемент 7, где происходит прямой переход химической энергии в электрическую, что регистрирует вольтметр 8. Изменения показаний вольтметра записываются блоком регистрации данных 9. Блок регистрации данных снабжен аккумуляторной батареей (не показана), что обеспечивает бесперебойную работу устройства. Электрическая энергия, полученная от работы низкотемпературного топливного элемента 7, направляется на подзарядку аккумулятора, а тепловая энергия - на подогрев мембраны 5. Регистрация вольтметром 8 и блоком регистрации 9 изменения напряжения позволит определять наличие и концентрацию водорода в газовой среде.
Изобретение позволяет ежесуточно проводить первичные многочисленные анализы в газовых средах с достоверной концентрацией водорода от 5% до 90%.