УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УТЕЧКИ ГАЗООБРАЗНОГО ВОДОРОДА В ОТСЕКАХ ГИПЕРЗВУКОВОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА (ГЛА)

Полезная модель относится к области измерения концентраций водорода и может быть использована при изготовлении газоанализаторов взрывоопасных концентраций водорода в космической технике, автомобильной промышленности, химической промышленности, криогенной технике и в других отраслях, где выполняются работы с газообразным водородом.
Известен термокаталитический датчик водорода, проспект «Датчик водорода», Российский научный центр, "Курчатовский институт, Москва, 2002г., стр. 1, чувствительным элементом которого является термосопротивление, покрытое пленкой из платины. Это сопротивление включено в плечо моста Уинстона, а в диагональ моста Уинстона включен измерительный прибор. Мост питается от источника постоянного тока. При наличии в исследуемом объеме водорода платинированное сопротивление нагревается, что вызывает разбаланс моста, пропорциональный концентрации водорода.
2
Недостатком данного технического решения являются большие размеры датчика и недостаточно высокая его чувствительность, порог чувствительности составляет 3% (об.) Н.
Известен "Быстродействующий резистивный датчик взрывоопасных концентраций водорода (варианты) и способ его изготовления", патент РФ №2221241 от 19.11.2002г., принцип действия которого основан на восстановлении металлического палладия из окисла палладия под действием водорода. В работе описан также способ изготовления водородочувствительного тонкопленочного элемента.
2
Недостатком данного технического решения является невысокая чувствительность датчика (более 1% об. Н) и сложность изготовления чувствительного элемента.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является увеличение чувствительности и уменьшение размеров устройства.
Технический результат в заявляемой полезной модели достигается устройством, которое состоит из моста Уинстона, плечами которого являются:
2
3
чувствительный элемент, компенсационный элемент, два термостабильных резистора и переменный резистор для установки баланса моста Уинстона. Отличием данной полезной модели является увеличение чувствительности (0,1% от объема) и уменьшение размеров устройства. При этом каталитически активный чувствительный элемент выполнен в виде пеллистора (шарика), состоящего из ***-АlО, покрытого тонкодисперсной платиной и палладием (платиновая и палладиевая чернь). Внутри пеллистора вмонтирован платиновый резистор, имеющий сопротивление, например, ~11ом и выполняющий функции нагревателя и термометра. Диаметр шарика составляет ~ 0,5мм. Для компенсации влияния окружающей температуры имеется компенсационный элемент, аналогичный чувствительному по своим характеристикам и конструктивному исполнению и имеющий отличие только в отсутствии платино-палладиевого покрытия, что исключает взаимодействие газообразного водорода с ним.
0,6
Чувствительный и компенсационный элементы включены в плечи моста Уинстона. При появлении в объеме газообразного водорода палладий вступает с ним в реакцию с образованием гидрида палладия PdH и выделением тепла (до 10 ккал). Впрессованный резистор нагревается до 150-200°С, его сопротивление увеличивается, что вызывает разбаланс моста.
На фиг.1 представлена схема устройства для определения утечки газообразного водорода в отсеке гиперзвукового летательного аппарата
Устройство, схематически изображенное на фиг.1, состоит из следующих частей:
1 - чувствительный элемент;
2 - компенсационный элемент;
3,5 - термостибильные резисторы в плечах моста Уинстона;
4 - резистор, с помощью которого устанавливают баланс моста Уинстона в отсутствие газообразного водорода (нуль прибора);
6 - реакционная камера;
7 - источник питания;
12 - измерительный прибор.
Напряжение питания U=1в, измерительный ток I=29,5ма.
Сопротивление чувствительного элемента 1 и компенсационного элемента 2 составляет при комнатной температуре ~ 11 ом.
Сопротивление термостабильных резисторов 3 и 5 подбирают тщательно, чтобы обеспечить незначительный разбаланс моста Уинстона в отсутствие газообразного водорода.
На фиг.2 представлена схема реакционной камеры.
Реакционная камера 6 содержит следующие элементы:
2
3
8 - пеллистор, выполненный из γ-АlО, покрытый палладиевой и платиновой чернью;
9 - платиновый резистор, расположенный внутри пеллистора 8;
10 - газообменный фильтр;
11 - платиновый резистор.
На фиг.3 представлены кривые зависимости разбаланса моста Уинстона от времени при различных значениях концентрации газообразного водорода в замкнутом объеме.
По оси абсцисс показано время, прошедшее после введения газообразного водорода в объем, t мин, по оси ординат - разбаланс моста Уинстона (umb). Возле каждой кривой указана концентрация газообразного водорода (Н), запущенного в реакционную камеру 6.
Время появления максимума на кривой определяется количеством газообразного водорода в объеме. Появление разбаланса моста Уинстона является сигналом для принятия необходимых мер по технике безопасности.
Заявляемое устройство для определения утечки газообразного водорода в отсеках гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА) работает следующим образом.
Чувствительный 1 и компенсационный 2 элементы помещают в реакционную камеру 6, которая через газообменный фильтр 10, например керамический, сообщается с анализируемой средой. Поступление анализируемой газовой смеси в реакционную камеру 6 и удаление продуктов реакции осуществляют благодаря диффузии через поры в газообменном фильтре 10. Продиффундировавший через поры газообменного фильтра 10 газообразный водород поступает на каталитически активный чувствительный элемент 1 и вступает в реакцию с палладием, что вызывает разогрев чувствительного элемента 1 и изменение сопротивления резистора 4 в плече моста. Разбаланс моста Уинстона фиксирует измерительный прибор 12, помещенный в его диагональ. Если шкалу измерительного прибора 12 проградуировать в объемных процентах, то по величине разбаланса можно судить о содержаниии газообразного водорода в объеме.
2
3
Особенностью данной полезной модели является применение чувствительного элемента по новому назначению: пеллистор, из γ-АlО, выполненный, например, в виде шарика, покрытый пленкой палладиевой и платиновой черни с впрессованным в него платиновым резистором, используется
в горнорудной промышленности для определения наличия метана в рудничном газе.
Малые размеры заявляемого устройства позволяют разместить их во всех опасных, с точки зрения утечек водорода, местах и иметь на схеме расположения датчиков сведения о состоянии трубопроводов.
Для бортовой системы слежения в ГЛА за утечками газообразного водорода достаточно появления первого максимума на кривой независимо от его концентрации, который уже будет свидетельствовать о том, что необходимо проведение мероприятий, предусмотренных правилами техники безопасности, и поиск мест негерметичности.
Таким образом, применение устройства для определения утечки газообразного водорода на ГЛА в местах возможных утечек газообразного водорода и подключение их к бортовому измерительному комплексу или наземной контрольно-измерительной аппаратуре позволяет оперативно контролировать повышение концентрации газообразного водорода на всех стадиях предполетной подготовки, в полете и послеполетной эвакуации.