CN114113236A

CN114113236A - 一种氢气浓度测量传感器和测量系统

Info

Publication number: CN114113236A
Application number: CN202111324263.4A
Authority: CN
Inventors: 韩凯
Original assignee: Beijing Huilang Times Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Huilang Times Technology Co Ltd
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2022-03-01

Abstract

本发明涉及气体浓度测量技术领域，具体公开了一种氢气浓度测量传感器和测量系统。该传感器包括绝缘管、两个电极片、两个第一接线端子和两个第二接线端子；第一接线端子与第二接线端子均设于绝缘管的内侧壁上，每个第一接线端子与一个第二接线端子关于绝缘管的轴线对称，且与另一个第二接线端子的连线平行于绝缘管的轴线；两个电极片均贴设于绝缘管的内侧壁上且相互避让，一个电极片连接两个第一接线端子，另一个连接两个第二接线端子；连接两个第二接线端子的电极片上覆盖有绝缘层。本传感器设有两个仅在是否与外界接触存在区别的电极片，通过记录两个电极片的电阻值，并结合氢气浓度‑电阻值线性变化规律，能够完成对氢气浓度的测量。

Description

一种氢气浓度测量传感器和测量系统

技术领域

本发明涉及气体浓度测量技术领域，尤其涉及一种氢气浓度测量传感器和测量系统。

背景技术

氢气是一种无色无味的易燃易爆气体，人的眼睛和鼻子很难及时发现。在一些容易发生氢气泄漏的场所，若没有及时发现泄漏，当氢气在空气中达到一定浓度时，遇到火源就会发生爆炸，严重威胁着周围人群的生命财产安全。

氢气传感器对氢气有很高的敏感度和选择性，在工业生产中，常被用在环境中用于实时监测飘散到空气中的氢气浓度，能预防氢气浓度过高，做到提前预警的作用，是一种常用的重要的气体监测设备。从工作原理上来说，常见的氢气变送器有电导体型、热电型、催化燃烧式及电化学式等。

以金属钯电极传感器为例，如图1所示，传感器的结构包括电极底板620和固连于电极底板620上的多个金属钯电极610，当设备吸附氢气后，氢气作为施主释放出电子，与化学吸附层中的氧离子结合，于是载流子浓度发生变化，与传感器通信连接的处理设备根据变化值与氢气体积分数存在的函数关系，计算出氢气的实时浓度。

然而，目前的金属钯电极氢气传感器，其上的金属钯电极610均在电极底板620的同一侧与空气接触。但空气并不是一个静止的模型，为一个时刻动态扩散的模型，单独一个面接触测量的参数是不能标称单位空间内的空气中氢气的浓度，这与气体浓度单位g/m³单位相悖。同时，氢气分子团700由于其自重的因素，在不同高度的空气层中的浓度不同，包括氢气分子团700浓度高的第一空气层800和氢气分子团700浓度低的第二空气层900。当将传感器置于待测空气层底部且使金属钯电极610向上设置时，金属钯电极610只能测量与其接触的第二空气层900。而输出的单位体积内的氢气浓度显然是错误的，这会导致实际结果会高于测量结果。即使采用改变传感器设置位置的方式，也无法完成对氢气浓度的准确测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢气浓度测量传感器和测量系统，以解决测量结果存在较大偏差的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种氢气浓度测量传感器，包括绝缘管、两个电极片、两个第一接线端子和两个第二接线端子；所述第一接线端子与所述第二接线端子均设于所述绝缘管的内侧壁上，其中，每个所述第一接线端子与一个所述第二接线端子关于所述绝缘管的轴线对称，且与另一个所述第二接线端子的连线平行于所述绝缘管的轴线；两个所述电极片均贴设于所述绝缘管的内侧壁上且相互避让，一个所述电极片连接两个所述第一接线端子，另一个所述电极片连接两个所述第二接线端子；连接两个所述第二接线端子的所述电极片上覆盖有绝缘层。

优选地，两个所述电极片均沿S形延伸。

优选地，所述绝缘管的材质为陶瓷。

优选地，所述电极片采用溅射的方式形成于所述绝缘管的内侧壁上。

优选地，所述电极片的长度方向与所述绝缘管的轴线呈45°夹角。

优选地，一个所述第一接线端子和一个所述第二接线端子均位于所述绝缘管一端的边缘；另一个所述第一接线端子和另一个所述第二接线端子均位于所述绝缘管另一端的边缘。

优选地，所述电极片的材质为钯基合金。

优选地，所述氢气浓度测量传感器还包括金属滤筒，所述绝缘管封装于所述金属滤筒内。

一种氢气浓度测量系统，包括上述的氢气浓度测量传感器。

优选地，所述气浓度测量系统还包括处理设备，两个所述第一接线端子和两个所述第二接线端子均与所述处理设备通信连接，所述处理设备用于测量两个所述电极片的电阻值。

本发明的有益效果：

本氢气浓度测量传感器通过对绝缘管与电极片的结构改进，将现有技术中单面朝上的氢气传感器敏感部件放置在了绝缘管内，上述内容不仅形成固定的测量空间，还使得测量结果相对于气体模型更加符合。每个电极片均形成一定阻值的电阻，且电极片的电极两端经过接线端子与测量电路相连。上述的结构设计让电极片能够与多种测量电路轻松连接，从而能够测量到电极片电阻值的变化，根据氢气浓度-电阻值线性变化规律，能够进一步地由电极片的电阻值对标单位体积内氢气的浓度。采用同时设置两个电极片的方式，对一个电极片进行测量，而另一个电极片被绝缘封闭在对称位置，通过对两个电极片的测量电阻值作差的方式，能够很大程度上消除环境对传感器测量的干扰，使得测量更准确。外部处理设备连接两个第一接线端子和两个第二接线端子，对两个电极片的电阻值进行了测量，一个电极片裸露在空气中，另一个电极片表面喷涂绝缘层与外界隔绝。上述结构设计使得被绝缘封闭的电极片电阻值能成为电路测量操作时，裸露在空气中的电极片电阻值的参考基准。被绝缘封闭的电极片除了不与氢气接触之外，其他均与裸露在空气中的电极片处于同等的温度、压力和湿度等环境条件下。因此选用将测量电路测量的裸露在空气中的电极片电阻值与被绝缘封闭的电极片的电阻值相减的方式，可有效剔除环境因素对于电极片电阻值的影响，从而减少测量的误差。使得此传感器具有更高的测量准确性。通过上述对氢气浓度测量传感器的改进，能够使得传感器测量结果更准确，更加符合空气的动态模型，能够有效地规避环境因素对传感器测量结果的影响。

附图说明

图1是现有的氢气浓度测量传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的氢气浓度测量传感器的俯视图；

图3是图2中A-A平面的横截面图；

图4是图2中B-B平面的横截面图。

图中：

100、绝缘管；200、第一接线端子；300、第二接线端子；400、电极片；

610、金属钯电极；620、电极底板；700、氢气分子团；800、第一空气层；900、第二空气层。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明通过对核电站严重事故环境条件的充分考虑，以实用化和传感器微型化、产品化以及工艺可行性为前提，对基底材料的选择、镀膜工艺、电极引线键合工艺、封装工艺等作了系统性研究并得以实现。

如图2-图4所示，本实施例提供了一种氢气浓度测量传感器，包括绝缘管100、两个电极片400、两个第一接线端子200和两个第二接线端子300；第一接线端子200与第二接线端子300均设于绝缘管100的内侧壁上，其中，每个第一接线端子200与一个第二接线端子300关于绝缘管100的轴线对称，且与另一个第二接线端子300的连线平行于绝缘管100的轴线；两个电极片400均贴设于绝缘管100的内侧壁上且相互避让，一个电极片400连接两个第一接线端子200，另一个电极片400连接两个第二接线端子300；连接两个第二接线端子300的电极片400上覆盖有绝缘层。

本氢气浓度测量传感器通过对绝缘管100与电极片400的结构改进，将现有技术中单面朝上的氢气传感器敏感部件放置在了绝缘管100内，上述内容不仅形成固定的测量空间，还使得测量结果相对于气体模型更加符合。每个电极片400均形成一定阻值的电阻，且电极片400的电极两端经过接线端子与测量电路相连。上述的结构设计让电极片400能够与多种测量电路轻松连接，从而能够测量到电极片400电阻值的变化，根据氢气浓度-电阻值线性变化规律，能够进一步地由电极片400的电阻值对标单位体积内氢气的浓度。采用同时设置两个电极片400的方式，对一个电极片400进行测量，而另一个电极片400被绝缘封闭在对称位置，通过对两个电极片400的测量电阻值作差的方式，能够很大程度上消除环境对传感器测量的干扰，使得测量更准确。外部处理设备连接两个第一接线端子200和两个第二接线端子300，对两个电极片400的电阻值进行了测量，一个电极片400裸露在空气中，另一个电极片400表面喷涂绝缘层与外界隔绝。上述结构设计使得被绝缘封闭的电极片400电阻值能成为电路测量操作时，裸露在空气中的电极片400电阻值的参考基准。被绝缘封闭的电极片400除了不与氢气接触之外，其他均与裸露在空气中的电极片400处于同等的温度、压力和湿度等环境条件下。因此选用将测量电路测量的裸露在空气中的电极片400的电阻值与被绝缘封闭的电极片400的电阻值相减的方式，可有效剔除环境因素对于电极片400电阻值的影响，从而减少测量的误差。使得此传感器具有更高的测量准确性。通过上述对氢气浓度测量传感器的改进，能够使得传感器测量结果更准确，更加符合空气的动态模型，能够有效地规避环境因素对传感器测量结果的影响。

在本实施例中，电极片400的材质为钯基合金。选取钯基合金作为传感器的氢敏元件，不仅由于钯基合金具有良好的吸氢能力和稳定的氢气浓度-电阻值对应关系；还因为钯基合金电阻温度系数低，电阻率稳定，在1000℃温度的环境下仍具有几乎稳定不变的电阻率，电接触可靠，不易产生火花；这保证了钯基合金在发生严重事故的温度、压力和湿度条件下测量性能稳定，因此氢气浓度测量模型和数学计算公式可以在不同温度、压力和湿度条件下计算出氢气浓度值。

在本实施例中，两个电极片400均沿S形延伸。上述结构改进一方面可以增加电极片400所形成的基础电阻值，间接提高传感器测量的分辨率。另一方面可以增加电极片400与氢气的接触面积，提高电极片400与氢气接触所造成的电阻变化范围，从而能够进一步地间接提高传感器测量的分辨率。

作为优选，电极片400的长度方向与绝缘管100的轴线呈45°夹角。通过将绝缘管100内电极片400呈45°螺旋设置，可以使氢气浓度测量传感器在平均单位体积内对不同的氢气浓度层进行测量，从而有效的减小测量结果与实际结果之间的误差。在保证两个电极片400在每个氢气浓度层的布置面积均相同的前提下，上述设置能使得测量的结果更加准确。

在本实施例中，电极片400采用溅射的方式形成于绝缘管100的内侧壁上。具体地，电极片400采用溅射工艺形成于绝缘管100的内侧壁上进行镀膜，并在之后采用键合技术键合于绝缘管100上，并封装于金属滤筒内。上述的结构保证了氢气浓度测量传感器整体结构紧固、简洁，易于安装和维护。

作为优选，一个第一接线端子200和一个第二接线端子300均位于绝缘管100一端的边缘；另一个第一接线端子200和另一个第二接线端子300均位于绝缘管100另一端的边缘。上述设计简化了氢气浓度测量传感器的结构，使得该传感器占用的空间减少，生产的成本也随之降低。

在本实施例中，绝缘管100的材质为陶瓷。陶瓷具有耐热性与耐磨性好的优点，能够广泛地应用于各种工作环境中，且陶瓷的结构稳定，延长了氢气浓度测量系统的使用寿命。

作为优选，第一接线端子200与第二接线端子300在绝缘管100径向平面上的投影均为U形，第一接线端子200与第二接线端子300的长度方向平行于绝缘管100的轴线。具体地，第一接线端子200与第二接线端子300的长度均为6毫米。

本实施例还提供了一种氢气浓度测量系统，包括上述的氢气浓度测量传感器。

具体地，氢气浓度测量系统还包括处理设备，两个第一接线端子200和两个第二接线端子300均与处理设备通信连接，处理设备用于测量两个电极片400的电阻值。处理设备的能够完成对电极片400电阻值的测量与记录，使用人员通过操作该处理设备能够实现对流经绝缘管100气体的氢气浓度进行系统且全面的测量、统计及分析。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种氢气浓度测量传感器，其特征在于，包括：

绝缘管(100)；

两个第一接线端子(200)和两个第二接线端子(300)，所述第一接线端子(200)与所述第二接线端子(300)均设于所述绝缘管(100)的内侧壁上，其中，每个所述第一接线端子(200)与一个所述第二接线端子(300)关于所述绝缘管(100)的轴线对称，且与另一个所述第二接线端子(300)的连线平行于所述绝缘管(100)的轴线；

两个电极片(400)，两个所述电极片(400)均贴设于所述绝缘管(100)的内侧壁上且相互避让，一个所述电极片(400)连接两个所述第一接线端子(200)，另一个所述电极片(400)连接两个所述第二接线端子(300)；连接两个所述第二接线端子(300)的所述电极片(400)上覆盖有绝缘层。

2.根据权利要求1所述的氢气浓度测量传感器，其特征在于，两个所述电极片(400)均沿S形延伸。

3.根据权利要求1所述的氢气浓度测量传感器，其特征在于，所述绝缘管(100)的材质为陶瓷。

4.根据权利要求1所述的氢气浓度测量传感器，其特征在于，所述电极片(400)采用溅射的方式形成于所述绝缘管(100)的内侧壁上。

5.根据权利要求1所述的氢气浓度测量传感器，其特征在于，所述电极片(400)的长度方向与所述绝缘管(100)的轴线呈45°夹角。

6.根据权利要求1所述的氢气浓度测量传感器，其特征在于，一个所述第一接线端子(200)和一个所述第二接线端子(300)均位于所述绝缘管(100)一端的边缘；另一个所述第一接线端子(200)和另一个所述第二接线端子(300)均位于所述绝缘管(100)另一端的边缘。

7.根据权利要求1所述的氢气浓度测量传感器，其特征在于，所述电极片(400)的材质为钯基合金。

8.根据权利要求1-7任一项所述的氢气浓度测量传感器，其特征在于，所述氢气浓度测量传感器还包括金属滤筒，所述绝缘管(100)封装于所述金属滤筒内。

9.一种氢气浓度测量系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的氢气浓度测量传感器。

10.根据权利要求9所述的氢气浓度测量系统，其特征在于，还包括处理设备，两个所述第一接线端子(200)和两个所述第二接线端子(300)均与所述处理设备通信连接，所述处理设备用于测量两个所述电极片(400)的电阻值。