در تولید صنعتی، هیدروژن به طور گسترده ای به عنوان یک منبع انرژی پاک و یک ماده خام صنعتی حیاتی استفاده می شود. با این حال، هیدروژن دارای انرژی اشتعال بسیار کم و طیف گسترده ای از انفجار است. اگر نشتی رخ دهد و در یک فضای محدود یا نیمه محدود جمع شود، به راحتی میتواند باعث آتشسوزی یا حتی انفجار شود و تهدیدی جدی برای ایمنی و تجهیزات پرسنل باشد. در محیطهایی که ممکن است نشت هیدروژن رخ دهد-مانند ایستگاههای تولید هیدروژن، اتاقهای باتری و کارگاههای تولید نیمهرساناها{4}}نظارت به موقع و دقیق یک اقدام ایمنی بسیار مهم است.
تشخیص نشت هیدروژن باتری در درجه اول از دو نوع آشکارساز استفاده می کند: سنسورهای الکتروشیمیایی و سنسورهای احتراق کاتالیزوری. انتخاب خاص به سناریوی برنامه، دقت تشخیص مورد نیاز و مشخصات ایمنی بستگی دارد.
I. انواع و ویژگی های سنسور اصلی
(1). سنسورهای الکتروشیمیایی
در حال حاضر این گزینه اصلی برای سیستم های نظارت ثابت در اتاق های باتری (به ویژه برای باتری های سرب-اسید و نیکل{1}}کادمیم است).
اصل کار: هیدروژن در سطح الکترود کار تحت یک واکنش الکتروشیمیایی (اکسیداسیون-کاهش) قرار میگیرد و یک جریان میکرو- تولید میکند. مقدار این جریان با غلظت هیدروژن نسبت مستقیم دارد.
حساسیت و گزینش پذیری بالا: برای هیدروژن بسیار انتخابی است، به طور موثر از تداخل گازهای دیگر جلوگیری می کند. به طور خاص برای تشخیص نشت هیدروژن طراحی شده است.
مناسب برای نظارت بر غلظت پایین-: بسیار حساس به نشت ردیابی (سطح ppm) است که هشدار اولیه را ممکن میسازد. برای مثال، زمانی که غلظت هیدروژن به 0.5% میرسد، حسگرهای درجه استخراج{2}}میتوانند آلارمها و اقدامات ایمنی مرتبط ایجاد کنند.
ذاتاً ایمن: مناسب برای استفاده در محیطهایی با الزامات شدید ضد انفجار-.
سناریوهای کاربردی: به طور گسترده در مکانهای ثابتی که نیازمند نظارت طولانی مدت، مستمر و دقیق بر غلظتهای پایین هیدروژن هستند، مانند اتاقهای باتری و محفظههای شارژ زیرزمینی در معادن، استفاده میشود.
(2). سنسورهای احتراق کاتالیستی
معمولاً برای تشخیص اشتعال پذیری هیدروژن و نظارت بر غلظت در محدوده حد انفجار پایین (LEL) استفاده می شود.
اصل کار: هیدروژن روی سطح یک عنصر کاتالیزوری می سوزد و باعث تغییر در دما و مقاومت الکتریکی عنصر می شود. غلظت با اندازه گیری این تغییر در مقاومت تعیین می شود.
سرعت واکنش سریع: به سرعت به تغییرات غلظت گاز قابل احتراق واکنش نشان می دهد.
خطی سیگنال خوب: خطی بودن سیگنال عالی را در محدوده غلظت LEL ارائه می دهد. سناریوی کاربردی: در درجه اول برای نظارت بر اینکه آیا غلظت هیدروژن به سطوحی رسیده است که خطر انفجار را ایجاد می کند استفاده می شود. معمولاً در مناطق{1}}با تهویه مناسب که در آن واکنش سریع حیاتی است مستقر می شود.
2. سایر فناوری های حسگر و سناریوهای کاربردی
حسگرهای نیمه هادی: بر اساس این اصل کار می کنند که مقاومت الکتریکی مواد نیمه هادی{0} اکسید فلزی در تماس با هیدروژن تغییر می کند. این حسگرها مقرون به صرفه هستند و نسبت به هیدروژن حساس هستند، اما مستعد تداخل سایر گازهای کاهنده یا نوسانات محیطی هستند. آنها به پایداری نسبتاً بالایی نیاز دارند و معمولاً در برنامههایی استفاده میشوند که دقت فوقالعاده نیاز اولیه نیست.
سنسورهای هدایت حرارتی: بر اساس تفاوت قابل توجه هدایت حرارتی بین هیدروژن و سایر گازها (معمولاً هوا). با تغییر غلظت هیدروژن، سرعت اتلاف گرما از عنصر حسگر حسگر متفاوت است و امکان اندازه گیری غلظت را فراهم می کند. این سنسورها عمر طولانی، پایداری خوب و مقاومت در برابر مسمومیت سنسور را ارائه می دهند. با این حال، آنها به طور کلی برای اندازه گیری غلظت هیدروژن بالا (سطوح درصد) استفاده می شوند و حساسیت کافی برای تشخیص نشت{2} در سطح پایین ندارند.
سنسورهای جذب مادون قرمز: هیدروژن را بر اساس ویژگی های جذب نور مادون قرمز خاص آن تشخیص می دهد. آنها مزایایی مانند عملکرد غیر مصرفی، طول عمر طولانی، پایداری بالا، و مقاومت در برابر تداخل قوی را ارائه می دهند. با این حال، فن آوری سنتی با چالش هایی در مورد سیگنال های جذب هیدروژن ضعیف و هزینه های بالا مواجه است. این فناوری یک جهت امیدوارکننده برای برنامههای نظارتی پایدار و بلندمدت-آینده-را نشان میدهد.
3. توصیه های انتخاب و یکپارچه سازی سیستم
برای نظارت مستمر و ثابت در اتاقهای باتری، سنسورهای الکتروشیمیایی باید انتخاب ارجح باشند-که هدف اصلی آن هشدار زودهنگام نشتهای دقیقه است. مانیتورهای ناحیه هیدروژنی که به طور خاص برای اتاق باتری های موجود در بازار طراحی شده اند، عمدتاً از این فناوری استفاده می کنند.
اگر هدف اولیه ایمنی انفجار باشد، سنسورهای احتراق کاتالیزوری میتوانند-بهخصوص نظارت بر نزدیک شدن غلظتها به حد پایینترین حد انفجار (LEL) 4٪- انتخاب شوند.
یکپارچه سازی سیستم: یک سیستم تشخیص هیدروژن حرفه ای نه تنها آشکارسازها، بلکه کنترلرها و ماژول های هشدار را نیز شامل می شود. باید بتواند با تجهیزات ایمنی مانند فن های اگزوز و سوپاپ های برقی ارتباط برقرار کند تا یک سیستم دفاع فعال جامع را تشکیل دهد. آشکارسازها را می توان با سیستم های کنترل موجود از طریق خروجی های آنالوگ (4-20 میلی آمپر) یا اتوبوس های دیجیتال (مانند RS485) ادغام کرد.
برای مکانهای ثابتی که نیاز به هشدار اولیه و نظارت مستمر نشت هیدروژن از باتریها دارند،آشکارساز گاز هیدروژن برای اتاق باتریبر اساس اصول الکتروشیمیایی توصیه می شود. برای کاربردهایی که پاسخ سریع به خطرات انفجار را در اولویت قرار می دهند، سنسورهای احتراق کاتالیزوری ممکن است در نظر گرفته شوند. هنگام انتخاب یک مدل، لازم است که محدوده اندازه گیری، حساسیت، سازگاری محیطی، عمر سرویس و هزینه را به طور جامع در نظر بگیرید.