钯合金原理氢气传感器主要应用

钯合金原理氢气传感器主要应用

关键词：氢气传感器，钯，镍，钯合金，固态传感器，薄膜
我们将在本文描述了在需要氢专用传感器的各种应用中使用钯镍合金氢传感器的好处。还探索了充液变压器、安 全监测器、燃料电池、电解槽和天然气管道中氢气的典型应用。尽管存在许多测量氢气的技术，但用户需要很好的技术来适应他们的应用。氢气传感器的设计和制造必须能够在其他气体或化合物可能影响氢气测量的各种环境中工作。除了测量环境之外，还需要考虑以下因素：所需的精度、测量范围、传感器随时间漂移的可能性以及如何获得数据。此外，用户还必须评估使用一种技术与另一种技术的终身成本。典型的钯镍氢气传感器芯片连接到柔性电路，如下所示。钯镍合金薄膜沉积在基板上以形成电阻器。传感器芯片上包括钯镍合金氢气敏感元件、加热元件和温度传感元件。钯合金的材料特性以及专有涂层使传感器能够提供氢气特定的测量，而不会对其他气体敏感。黛尔特（北京）科技有限公司提供钯合金原理氢气传感器，请联系我们。

钯合金氢气传感器采用基于固态技术构建的复杂机制工作。其传感方法的核心是双组分系统：该传感器包含两个主要元件：一个金属绝缘体半导体 (MIS) 器件，用于检测材料界面处的氢原子电荷；以及一个薄膜电阻器，当氢原子扭曲钯晶格结构时，其电阻会增加。钯合金氢传感器的优势在于其独特的保护涂层，即使在恶劣、污染严重的环境中也能持续运行，而传统传感器在这些环境中可能失效或需要频繁维护。该传感器无需校准气体或昂贵的现场服务即可进行自校准。这确保了传感器始终如一的可靠性和精度，同时显著节省了维护所需的人力和时间，并有助于避免停机。

用于变压器中溶解气体分析的大多数传感器都需要从液体中提取气体，以测量氢气含量。钯镍合金氢气传感器可以直接准确地测量绝缘液体中的氢含量，这确保了很佳的精度，因为在气体提取过程中没有引入误差。

C.交叉敏感性
交叉敏感性是用户必须考虑的关键问题。像热导率氢气传感器探测器（TCD）这样的通用传感器对许多气体敏感，通常只应用于气体环境。使用TCD测量氢气的设备必须使用提取技术将氢气与样品中的其他气体分离。虽然这通常可以提供准确的氢气测量，但提取和/或分离氢气所需的设备成本很高。从获得样本到获得结果之间也有15到60分钟的典型时间延迟。钯镍合金氢气传感器通常可以安装在主环境中，并且设计为氢气专用，不需要将氢气与主环境分离。这些氢气传感器也可以在一氧化碳和硫化氢等恶劣的背景环境中生存。专有涂层和调节技术的使用使钯镍传感器能够在传感器寿命的恶劣环境中生存。
D.压力

由于大多数测量设备需要从主要环境中获取样本进行测试，因此测量设备可以提供一个受控的测试环境，通常是在正常大气压下。在为应用确定合适的氢气传感器时，用户必须了解哪种技术适合应用场景，以及低成本/短寿命传感器是否合适，或者应用是否需要更昂贵、长寿命的解决方案。
当氢气传感器安装在主要环境中时，气体压力可能会影响氢气测量。钯镍合金传感器是分压装置。这些氢气传感器通常在1个大气压下进行校准，因此在该压力下非常准确。如果压力发生变化，氢气测量值与压力的增加或减少直接相关。例如，如果压力从一个大气压增加到两个大气压，氢气传感器将读取一个大气下的两倍测量值。因此，在高压环境中操作钯镍合金氢气传感器需要测量压力，以将氢气测量值补偿到归一化值。

2.氢气传感器其他注意事项

A.传感器寿命
对于大多数应用，用户希望氢气传感器或监测仪器能够尽可能长时间使用，而不需要校准或更换。大多数氢气传感器的典型传感器寿命为一到五年，因为传感器元件要么被消耗，要么达到寿命终点。当传感器暴露在氢气中时，由于传感器的化学变化或暴露在破坏性气体、热量或水分等其他环境因素，传感器可能会“磨损”。钯镍氢气传感器在氢气存在的情况下不会被消耗。专有的保护涂层使氢气能够进入钯镍晶格，氢气的存在会改变传感器的电阻。电阻的变化以纳米欧姆（10-9欧姆）为单位进行测量。氢气在钯镍晶格中自由进出，不会被消耗或改变传感器的化学成分。因此，钯镍元件不是传感器寿命的限制因素。限制因素由测量传感器电阻、控制传感器温度（如果需要）以及管理传感器管理、数据处理、通信和电源的电子设计决定。坚固的设计使钯镍氢气传感器可持续使用10至15年或更长时间。

B.终身成本
氢气传感器可用于各种应用，这些应用提供不同的精度、测量范围，并可在各种环境中生存。在为应用程序确定合适的传感器时，用户必须了解哪种技术很适合应用，以及低成本/短寿命传感器是否合适，或者应用是否需要更昂贵、长寿命的解决方案。例如，在有合格的“分析仪人员”的有人值守的设施中，可以选择需要定期校准和/或可以定期更换的低成本氢气传感器。如果用户正在设计一个系统来监测远程无人氢气加气站的氢气泄漏，设计者很可能会选择一个寿命长、不需要定期校准的更昂贵的传感器。钯镍氢气传感器技术的新进展允许在传感器寿命期间无需校准即可进行连续测量。

C.数据访问
测量氢气后，需要将数据提供给另一个系统或用户。虽然有些应用只需要报警继电器触点，但其他应用可能需要模拟输出（通常为4-20mA）或Modbus RTU等通信协议。重要的是要认识到数据要求，以确保氢气传感器通信对于应用是正确的。

3.常见的氢传感器应用
氢气传感器的历史应用包括产生氢气的工艺和设备、氢气储存设施和使用氢气的设施。有趣的是，迄今为止，氢气传感器很重要的应用可能是测量变压器绝缘液体中产生的氢气。在铅酸电池在充电循环中产生氢气的电池室中也对氢气进行监测。新近的应用包括氢气发电设施、电燃料电池、电解槽和天然气管道掺氢，这些设施现在正在利用氢气与天然气的混合物。

A.充液变压器
氢气监测仪器已经使用了40多年，用于检测由于变压器绝缘液体（通常是矿物油）分解而产生的氢气。全球安装了数万台氢气和多种气体监测仪，因为氢气的产生表明变压器内部存在问题。用于变压器中溶解气体分析（DGA）的大多数传感器都需要从液体中提取气体，以测量氢气含量。钯镍氢气传感器可以直接准确测量绝缘液中的氢气含量。这确保了很佳的精度，因为在气体提取过程中没有引入误差。
迄今为止，氢气传感器很大的应用是测量变压器绝缘液体中产生的氢气。氢气也在电池室中进行监测，而新近的应用包括氢气发电设施、电燃料电池、电解槽和天然气管道，这些设施现在正在利用氢气与天然气的混合物。
今天常见的绝缘液体包括矿物油、天然酯（植物油）、合成酯和硅油。并非所有传感器都适用于这些液体，因此用户需要确保使用的传感器适用于变压器中的液体。由于氢气在每种液体中的溶解速率不同，因此称为奥斯特瓦尔德系数的因子定义了每种液体的溶解速率。通过了解每种液体的性质并考虑奥斯特瓦尔德系数的使用，钯镍氢气传感器可以准确地测量每种液体中的氢。通过使用所需液体的适当奥斯特瓦尔德系数调整计算算法来保持测量精度。
许多充液变压器在液体上方有一个惰性气体空间。在这些变压器中，氢气可以在液体或气体空间中测量。液体中产生的氢气也充满了气体空间。在平衡状态下，气体空间中的氢气浓度约为溶解在液体中的量的20倍。因此，用户为每种环境选择具有适当测量范围的传感器非常重要。典型的钯镍氢气传感器在绝缘液体中的测量值高达5000 PPM，在气体空间中的测量结果高达100000 PPM（10%氢气）。在极少数情况下，运行中的变压器在液体中可达到30000至40000 PPM的氢气，在气体空间中可达到60-80%的氢气。钯镍合金传感器的新进展现在允许使用不需要定期校准的传感器测量这些变压器中非常高的水平（高达100%）。充液变压器的典型氢气传感器安装位置见图2。

许多系统包括声音警报和闪光灯，以确保在该区域工作的员工意识到可能的危险。用于此应用的大多氢气传感器需要每一到五年进行一次定期校准和更换。钯镍传感器可用于此应用，使用寿命为10至15年，传感器寿命内无需现场校准。典型的电池室安 全解决方案见图3。

D.电解水制氢电解槽
电解槽将氢气和氧气从水中分离出来。由于新近对绿色燃料的兴趣，电解槽系统的安装正在迅速增加。由于电解槽设计用于生产纯氢气，因此对电解槽的氢气输出进行监测，以确保其他气体或化合物不会污染所需的纯氢气输出。氧气侧还安装了氢气传感器，以确保氢气不会与氧气混合。电解槽中的氢气传感器位置见图5。