CN112415059A - 一种混合气体中氢气浓度传感装置、检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合气体中氢气浓度传感装置、检测装置及检测方法，涉及气体微量检测技术领域。混合气体中氢气浓度传感装置，包括：热敏电阻、正极板、负极板、电极、催化剂和反应室，其中，所述热敏电阻两端通过电路分别与所述正极板和负极板连接；所述催化剂设置于所述电极上，用于催化气体电化反应；所述电极通过电路分别与所述正极板和负极板连接；所述热敏电阻、正极板、负极板、电极和催化剂设置于所述反应室中，所述反应室包括进气口和出气口。本发明提供的传感装置，可以降低检测投入成本，减少仪器数据分析难度，同时整体结构简单，操作使用方便，防护水平高，故障概率低，拆卸维修方便。
Description
技术领域
本发明涉及气体微量检测技术领域，尤其涉及一种混合气体中氢气浓度传感装置、检测装置及检测方法。
背景技术
氢气作为一种高效环保的能源逐渐进入我们的眼球，符合国家对于可持续发展的战略需求，同时也是解决目前能源危机的新兴能源之一。燃料电池作为使用氢能的新兴发电技术，受到国内外的广泛关注。燃料电池具有节能、环保、寿命长等很多优点，但同时也存在很多隐患。氢气是一种易燃易爆的物品，在拥有首屈一指的热值的同时，带来的安全风险不可忽视；同时它重量轻，扩散快的特点给储存和运输带来了极大的不便。空气中氢气的含量到达4％以上时，极易发生爆炸。因此，对氢气的管理和检测具有十分重要的意义。
目前市场中针对氢气的检测仪器不多，大多采用泛用性可燃气体检测装置，将氢气视为可燃气用电化学方法检测。在对混合气体中氢气浓度检测中，常使用大量投入传感器或使用高精尖仪器设备的方法，用于分析混合气体成分，投入成本高，分析难度大，故障修复率低，实用性较差。
一种混合气体浓度检测装置(中国专利CN209690162U)，如图4所示，在气室中加入了氮气检测器、红外光源驱动、温度检测器、红外线检测装置，通过检测气室内氮气传感器检测实时氮气气体浓度，通过温度传感器采集温度数据，通过红外线检测装置将经过气体吸收过的红外光信号转换为电信号，并对信号进行调理以供数据分析。此方法优点是检测气体类型全面，检测精度较高；缺点是将气体浓度转化为电信号极易受气体纯度影响，由于进出气口同向布置会导致气室内混合气体循环流动影响判断，同时使用大量传感器投入成本高，需处理变量多，分析难度大。
检测混合气体中目标气体浓度的装置(中国专利CN210198953U)，如图5所示，使用了光源(1)、探测器(2)和滤光机构(3)，能检测混合气体中与目标气体在光谱吸收区有重合吸收波段的干扰气体，通过转动切换滤光机构的滤光片(303-305)，从多角度分析气体成分和浓度。此方法优点是灵敏度高、检测精度高；缺点是工艺复杂，使用难度大，光学仪器精密度过高，耐水、尘、振动能力差，故障率高，故障维修处理困难，实际运用环境具有局限性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种混合气体中氢气浓度传感装置、检测装置及检测方法，以降低投入成本，减少仪器数据分析难度，同时整体结构简单，操作使用方便，防护水平高，故障概率低，拆卸维修方便。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种混合气体中氢气浓度传感装置，包括：
热敏电阻、正极板、负极板、电极、催化剂和反应室，其中，
所述热敏电阻两端通过电路分别与所述正极板和负极板连接；
所述催化剂设置于所述电极上，用于催化气体电化反应；
所述电极通过电路分别与所述正极板和负极板连接；
所述热敏电阻、正极板、负极板、电极和催化剂设置于所述反应室中，所述反应室包括进气口和出气口。
进一步地，所述进气口和出气口沿所述反应室对角设置。
本发明还提供了一种混合气体中氢气浓度检测装置，包括所述混合气体中氢气浓度传感装置，以及与所述正极板和负极板连接的电流检测系统。
进一步地，所述电流检测系统包括电流检测装置、放大电路和定值电阻。
本发明还提供了一种混合气体中氢气浓度检测方法，应用所述混合气体中氢气浓度检测装置，包括以下步骤：
标准状态输出测定，抽取氢气进所述反应室，氢气在所述催化剂作用下发生电化反应，所述电流检测系统进行标准状态输出测定；
混合气体状态输出测定，抽取混合气体进所述反应室，混合气体在所述催化剂作用下发生电化反应，所述电流检测系统进行混合气体状态输出测定；
测定比较，所述电流检测系统根据混合气体状态输出测定结果和标准状态输出测定结果进行比较，检测混合气体中氢气浓度。
本发明还提供了一种包括混合气体中氢气浓度传感装置的装置，包括所述混合气体中氢气浓度传感装置。
本发明还提供了一种包括混合气体中氢气浓度检测装置的装置，包括所述混合气体中氢气浓度检测装置。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提供的传感装置，利用气体电化反应释放的电流作为传感信号，使用内置热敏电阻自动修正杂质气体导致的检测参数误差，整体结构简单，操作使用方便，防护水平高，故障概率低，拆卸维修方便；
2、传感装置不需要使用大量传感器作为判断分析手段，内部程序切换的流程，减少了投入成本和数据分析处理难度。
附图说明
图1为本发明实施例一种混合气体中氢气浓度传感装置及检测装置结构示意图；
图2为本发明实施例未设置热敏电阻电气工作原理图；
图3为本发明实施例设置热敏电阻电气工作原理图；
图4为背景技术中一种混合气体浓度检测装置附图；
图5为背景技术中检测混合气体中目标气体浓度的装置附图；
图6为本发明实施例中混合气体热敏电阻阻值和氢气占比关系图。
图7为本发明实施例中混合气体热敏电阻和内部温升的关系图。
图中，1-热敏电阻，2-正极板，3-负极板，4-电极，5-催化剂，6-反应室，7-电流检测装置，8-放大电路，9-定值电阻，10-真空泵，11-进气口，12-出气口，13-待测气体。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施例并配合附图予以说明。
如图1为一种混合气体中氢气浓度传感装置及相应的检测装置，其中：
传感装置包括：
热敏电阻1、正极板2、负极板3、电极4、催化剂5和反应室6，其中，
所述热敏电阻1，两端通过电路分别与所述正极板2和负极板3连接；
所述催化剂5设置于所述电极4上，与吸附材料活性炭混合后涂抹在电极4上，用于催化待测气体发生电化反应；
所述电极4通过电路分别与所述正极板2和负极板3连接；
所述热敏电阻1、正极板2、负极板3、电极4和催化剂5设置于所述反应室6中，所述反应室6包括进气口11和出气口12。
除传感装置外，检测装置还包括与所述正极板2和负极板3连接的电流检测系统，所述电流检测系统和热敏电阻1并联，所述电流检测系统根据检测到的电流信号输出相应的氢气浓度信息。
所为优选方案，所述电流检测系统包括电流检测装置7、放大电路8和定值电阻9，所述定值电阻9用来保护所述电流检测装置7不与信号电源直连；因为所述传感装置中，电气反应产生的电流一般很小，所述放大电路8将所述传感装置输出的电流放大，方便所述电流检测装置7检测电流变化；所述电流检测装置7将检测的电流信息转换成氢气浓度信息。
作为优选方案，所述混合气体中氢气浓度传感装置中，所述进气口11和出气口12沿所述反应室6对角设置，可以使待测气体稳定流过电极4和催化剂5，减少检测误差。
混合气体中氢气浓度传感装置及相应的检测装置工作原理如下：
所述反应室6的出气口12连通真空泵10，所述真空泵10工作，可将待测气体13从所述进气口11输入到反应室6。
待测气体13在反应室6，在催化剂5作用下发生电化反应，反应中失去的电子会经过电路到达正极板2，最终形成电流信号输出到与所述正极板2和负极板3连接的电流检测系统，电流检测系统将检查到的电流信息转换输出成浓度信息。电化产生的电子电流可视为信号电源，经过电流检测系统的信号即为检测信号，如图2所示。
与此同时，气体在反应室6发生电化学反应时，还有热量产生。在空间和体积均恒定，且其他影响可忽略不计的反应室6内，该放热量只与混合气体的组成比例有关，放出的热量造成反应室6内温度发生变化，热敏电阻1对该温度变化做出反应，调节自身阻值，混合气体中相当于除氢气外其他气体发生电化反应时产生的杂质电子将被热敏电阻1分流，使得流过电流检测系统的电流正好反应混合气体中氢气的浓度信息，从而达到修正检测结果的作用，如图3所示。
下面以氢气和甲烷的混合气体为例，具体说明传感装置产生检测信号原理和检测装置检测混合气体中氢气浓度原理。
可燃气体发生燃烧反应会放出电子，该电子经过极板后在电路中流动，形成电流，该电流即为检测信号。单位体积的混合气体中，可燃气的含量不同会使得放出的电子数量不同，因此导致检测信号的大小变化，由此可以表示处所测气体的浓度。
首先，当反应室6输入待测气体13仅为氢气时(1mol)，在催化剂5作用下发生如下化学反应，
H2+O2＝＝H2O，
同时发生失电子反应H2-2e-＝＝2H+，反应中失去的电子会经过电路到达正极板2，形成电流信号，假设电化反应产生主电路电流为I1，定值电阻为R1，热敏电阻值为R2，通过电流检测系统的电流为I。1mol氢气完全反应放出的热量为285.5kJ，放出电子数2mol。该状态为标准状态。
当反应室6气体为氢气和甲烷时，在催化剂5作用下发生如下化学反应
H2+O2＝＝H2O(主反应)
CH4+2O2＝＝CO2+2H2O(副反应)。
同时，主反应中，发生失电子反应H2-2e-＝＝2H+，副反应中发生失电子反应CH4-8e-+2O2＝＝C4++4H+。反应中失去的电子都会经过电路到达正极板2，形成电流信号，假设电化反应产生主电路电流为I2，定值电阻为R1(为定值电阻，同标准状态，为定值)，热敏电阻1阻值为R。
n(甲烷)+n(氢气)＝1(假设甲烷和氢气物质的量共1mol)
IR1＝(I1-I)R2(并联电路电压相等，标准状态)
电流大小与放出电子数成比例关系：
I2：I1＝(2·n(氢气)+8·n(甲烷))：2，
I2＝(n(氢气)+4·n(甲烷))I1
n(氢气)·IR1＝{I2-n(氢气)·I}R(混合气体通入后，并联电路电压相等)
R是混合气体状态下热敏电阻1电阻值。左边的n(氢气)·I表示通过定值电阻R1的电流，与标准状态电流I的比值等于n(氢气)，n(氢气)既是氢气在混合气体中的占比，也等于混合气体状态时通过定值电阻R1电流和标准状态时通过定值电阻R1电流的比值。所以通过检测定值电阻R1电流在混合气体状态和标准状态下电流的比值，就可以知道混合气体中氢气的占比。
由上可算得到
R＝R2/[1+4n(甲烷)I1/n(氢气)(I1-I)]
其中，n(甲烷)和n(氢气)分别表示单位体积混合气体中两种气体的占比，为本公式的自变量，n(甲烷)＝1-n(氢气)。
R1为定值电阻，阻值不变，为已知定值。
R2为标准状态下热敏电阻阻值，其值由测量得到，为已知定值。
R为混合气体通入时热敏电阻阻值，为本公式因变量。
整个等式即为热敏电阻理论map。
综上可知，I1和R2是标准状态下的可以测量定值，R值和在混合气体中氢气占比n(氢气)有确定的关系，如图6所述。在实际使用中，因为反应室6中温度升量和氢气占比n(氢气)正相关，反应室6中温度随氢气占比的升高而升高，可以进一步将R-氢气占比曲线转换成R-温度曲线，转换原理如下：
假设反应室容积为1m3，介质为空气，已知空气每升高1℃，需要吸收1290J热量，氢气完全燃烧放热285.5kJ/mol，甲烷完全燃烧放热133.02kJ/mol则有如下方程：x＝n(氢气)；y＝n(甲烷)
混合气体反应放出的总热量：W＝(285.5x+133.02y)/1.29
其他条件与实施例相同：x+y＝1
可得：W＝221.8x+103.12
再结合图6中氢气占比与热敏电阻值的关系可得图7
该计算为了方便将数值扩大多倍，实际使用中，反应室容积和气体通入量会变得很小，但这不影响图6、图7曲线的计算。计算理论依旧成立。
如图7所述，只要反应室6中的热敏电阻R满足R值-温度曲线关系，就可以通过测量定值电阻R1在混合气体状态下的电流与标准状态下I的电流比值来获知氢气在混合气体中的占比。
电化反应产生的电子电流视为信号电源，电流随着反应气体的成分和占比而变换。在检测过程中，主副反应失去的电子总数仅与待测气体成分和占比有关。
该公式是以氢气和甲烷的混合气体为例计算得到，在实际运用过程中，混合气体杂质成分不仅限于甲烷，但其反应放热量与失去电子的数学关系与甲烷相似，误差部分来自于分子结构的内应力(不做更深说明)，误差范围在要求精度以下，可忽略不计。
综上可知，信号电源和热敏电阻1均只与所述反应室6吸入气体成分和占比有关，利用本传感装置，在反应室6中，随着混合气体中气体成份及占比不同，在电化反应产生的热量作用下，热敏电阻1会相应调整其电阻值，分流杂质电子，使得所述传感装置输出的电流信号正好反应混合气体中氢气浓度信息。
本发明提供的传感装置，利用气体电化反应释放的电流作为传感信号，使用内置热敏电阻自动修正杂质气体导致的检测参数误差，整体结构简单，操作使用方便，防护水平高，故障概率低，拆卸维修方便。
传感装置不需要使用大量传感器作为判断分析手段，内部程序切换的流程，减少了投入成本和数据分析处理难度。
传感装置是一个相对独立的装置，能根据混合气体的成分和占比自动产生并修正传感电流信号，实际使用中，只需在进气源头对混合气体进行成分识别，再根据混合气体成分，选用对应的热敏电阻传感装置，无需对电流检测系统内部程序进行改动。传感装置也可其他装置连接，为其他装置提供传感信号，使用范围广泛。
基于上述的混合气体中氢气浓度检测装置，本发明还提供了一种混合气体中氢气浓度检测方法，包括以下步骤：
标准状态输出测定，抽取氢气进所述反应室6，氢气在所述催化剂5作用下发生电化反应，所述电流检测系统进行输出测定；
混合气体状态输出测定，抽取混合气体进所述反应室6，混合气体在所述催化剂5作用下发生电化反应，所述电流检测系统进行输出测定；
测定比较，所述电流检测系统根据混合气体状态输出测定结果和标准状态输出测定结果进行比较，检测混合气体中氢气浓度。
本实施例提供了一种混合气体中氢气浓度传感装置及相应的检测装置，在其他实施例中，也可以将传感装置或检测装置与其它装置配合使用。
虽然文中已经用具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种混合气体中氢气浓度传感装置，其特征在于，包括：
热敏电阻(1)、正极板(2)、负极板(3)、电极(4)、催化剂(5)和反应室(6)，其中，
所述热敏电阻(1)两端通过电路分别与所述正极板(2)和负极板(3)连接；
所述催化剂(5)设置于所述电极(4)上，用于催化气体电化反应；
所述电极(4)通过电路分别与所述正极板(2)和负极板(3)连接；
所述热敏电阻(1)、正极板(2)、负极板(3)、电极(4)和催化剂(5)设置于所述反应室(6)中，所述反应室(6)包括进气口(11)和出气口(12)。
2.根据权利要求1所述的混合气体中氢气浓度传感装置，其特征在于，所述进气口(11)和出气口(12)沿所述反应室(6)对角设置。
3.一种混合气体中氢气浓度检测装置，其特征在于，包括权利要求1至2任一项所述的混合气体中氢气浓度传感装置，以及与所述正极板(2)和负极板(3)连接的电流检测系统。
4.根据权利要求3所述的混合气体中氢气浓度检测装置，其特征在于，所述电流检测系统包括电流检测装置(7)、放大电路(8)和定值电阻(9)。
5.一种混合气体中氢气浓度检测方法，其特征在于，应用权利要求3至4中任一项所述的混合气体中氢气浓度检测装置，包括以下步骤：
标准状态输出测定，抽取氢气进所述反应室(6)，氢气在所述催化剂(5)作用下发生电化反应，所述电流检测系统进行输出测定；
混合气体状态输出测定，抽取混合气体进所述反应室(6)，混合气体在所述催化剂(5)作用下发生电化反应，所述电流检测系统进行输出测定；
测定比较，所述电流检测系统根据混合气体状态输出测定结果和标准状态输出测定结果进行比较，检测混合气体中氢气浓度。
6.一种包括混合气体中氢气浓度传感装置的装置，其特征在于，包括权利要求1至2任一项所述的混合气体中氢气浓度传感装置。
7.一种包括混合气体中氢气浓度检测装置的装置，其特征在于，包括权利要求3至4任一项所述的混合气体中氢气浓度检测装置。
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|---|---|---|---|---|
| CN116626113A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-08-22 | 浙江朗德电子科技有限公司 | 一种双通道氢气传感器、制备方法及检测方法 |
| WO2024066458A1 (zh) * | 2022-09-30 | 2024-04-04 | 上海飞奥燃气设备有限公司 | 燃气管道天然气掺氢浓度的测量方法以及设备 |
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