CN220602838U - 一种智能氢气泄漏检测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于氢气检测技术领域，特别涉及一种智能氢气泄漏检测系统，包括氢气检测变色胶带与颜色识别系统。其中，氢气检测变色胶带具有便携性强，变色速度快，适用温度范围广，可恢复性(氢气泄漏消除后可短时间内恢复颜色)，优良的稳定性以及较低的检测阈值的特点，在多种条件下的变色都可以被智能识别系统快速识别；颜色智能识别系统具有识别速度快，可监控范围广，可远距离识别，识别与报警自动化、智能化等特点，可以有效减少氢气泄漏的危险。
Description
技术领域
本实用新型属于氢气检测技术领域，特别涉及一种智能氢气泄漏检测系统。
背景技术
氢气作为一种重要的化工原料的同时，也是一种被全球公认的最清洁的燃料。然而，氢气具有较低的爆炸极限下限，当空气中的氢气体积含量在4～75.6％时，遇明火即发生爆炸；氢气在金属中具有很强的渗透力，在生产、使用、储存和运输中极易泄漏；氢气无色无味，使其在泄漏时难以察觉，以上这些问题，限制了氢气的使用。
为了提高氢气在生产、存储和运输过程中的安全性，在氢气容易泄漏的场合安装氢气检测装置十分重要，这样可以保证在氢气泄漏初期及时发现并处置氢气泄漏。目前工业上常用的氢气检测器采用的氢敏元件主要有电化学型、热导型、热电效应型、电阻型和光学型。这些氢气检测器采用的氢敏元件材料主要为金属与非金属，金属材料主要包括Pd、Y、La和Mg等，这些金属在与氢气反应时不需要催化剂；第二类是氧化物，包括WO3,MoO3和V2O5等。这些氧化物在室温下对氢气不敏感，除非使用催化剂。
尽管上述传感器类型可以实现检测H2在空气当中的浓度，但这些传感器需要配套的测量设备，与小型传感器设备相比，这些设备体积庞大，导致传感器测量系统的流动性较差，实际应用的灵活性低。而且传感器受周围风速、温度等环境影响较大，尤其接缝处的微量泄漏难以察觉。因此，需要一种灵活性高、体积小、受外界环境影响小的H2检测设备。
在文献《Colorimetric Sensors for Toxic and Hazardous Gas Detection:AReview》提到最近的研究提出了利用颜色变化的气体传感器，用于检测目标气体分子。在没有任何电极或外部电输入、外部输入或设备的情况下，传感器材料独特的颜色变化可以通过人的肉眼感知提供目标气体检测的高度直观体验，克服了目前气体传感器技术中高功率消耗的限制。对于H2检测，钯氢化物(PdHx)的形成反应已被广泛采用，以实现高的H2选择性。由此产生的解离氢离子(H+)在融入金属氧化物的晶体基质时，可诱发金属氧化物的颜色变化。
因此，可以利用颜色变化设计一种氢气泄漏系统。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种智能氢气泄漏检测系统，其核心在于氢气检测变色胶带与配套的颜色智能识别系统。本实用新型包含的氢气检测变色胶带具有便携性强，变色速度快，适用温度范围广，可恢复性(氢气泄漏消除后可短时间内恢复颜色)，优良的稳定性以及较低的检测阈值的特点，在多种条件下的变色都可以被智能识别系统快速识别。本实用新型包含的颜色智能识别系统具有识别速度快，可监控范围广，可远距离识别，识别与报警自动化、智能化等特点，可以有效减少氢气泄漏的危险。
本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种智能氢气泄漏检测系统，包括氢气检测变色胶带与颜色识别系统。
所述氢气检测变色胶带包括基底胶带和固定在基底胶带表面上的活性组分层；所述活性组分层包括两层，分别是金属单质层和金属氧化物层；所述基底胶带，其有粘性部分朝下，无粘性部分朝上，将胶带划分为两半区域，其中一半区域上固定有活性组分层，另一半区域为对照区，金属氧化物层位于基底胶带无粘性部分上表面，金属单质层位于金属氧化物层上表面，金属单质层和金属氧化物层重叠。
所述颜色识别系统包括摄像头和报警系统；所述的摄像头具有大视角与调焦能力，用于拍摄氢气检测变色胶带；所述的报警系统与摄像头连接，判断摄像头拍摄的氢气检测变色胶带是否变色，如变色，说明氢气泄漏，则发出报警信号。
所述金属单质的材料为Pd、Pt、Ag中的一种或两种以上混合，所述金属氧化物的材料为WO3、MoO3中的一种或两种混合。
所述基底胶带的材料为PET、BOPP、PVC、PE中的一种或两种以上混合；为有一定强度的单面透明胶带；其颜色变化作为对照区足够透明，能将其与反应后的变色材料区分开。
所述氢气检测变色胶带厚度为40.01μm～80.6μm。
所述基底胶带的宽度为5～100mm，厚度为40μm～80μm。
所述金属氧化物的厚度为5nm～300nm。
所述金属单质层的厚度为5nm～300nm。
本实用新型的有益效果为：
1、本装置的胶带利用氢气与材料结合可以实现变色的原理，检测氢气效果直观，可以贴在各种场合，不仅可以实现摄像头检测，简单的目测也可以检测泄漏结果，提醒工作人员。
2、本装置携带简便，使用灵活，可以应用在各种传统检测器接触不到的特殊位置，在检测氢气泄漏的同时，还可以在接缝处实现密封。
3、本系统的兼容性与扩展性强，可以利用工作区原有摄像头工作，不需要增加摄像头，在摄像头范围内增加新的检测点时，只需粘贴新的变色胶带。
4、本装置的胶带吸收氢气变色迅速，在氢气环境下可以立即发生变色，在5s达到最大值，且设有对比区域，变色明显，可以被肉眼分辨。并且检测灵敏度高，可以检测低于20ppm的氢气泄漏，也可以检测0.1ml/min的流动氢气，配合高精度的摄像头与颜色识别系统检测精度高。
5、系统元件在抗环境能力强，可以适应多种极端环境，不受风速、温度等环境影响检测结果，可以在不同环境下检测氢气泄漏，可以在-20℃～80℃的环境，高湿度的环境，强照射的环境长时间工作，尤其善于检测接缝处难以发觉的微量泄漏。
6、本系统的胶带利用所选材料具有可恢复性的特性，当氢气泄漏解除后，可以恢复颜色，检测系统能够自动停止报警。
附图说明
图1是本实用新型中的氢气检测变色胶带的结构图；图中：1基底胶带；2金属氧化物层；3金属单质层；
图2是本实用新型中的氢气检测变色胶带的变色前后的颜色对比；
图3是不同温度下变色胶带的变色速度；
图4是不同氢气浓度下变色胶带的变色速度；
图5是不同流速下变色胶带的变色速度；
图6是本实用新型的工作流程的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本实用新型的具体实施方式。
本实用新型的一种智能氢气泄漏检测系统，包括氢气检测变色胶带与颜色识别系统。其中，氢气检测变色胶带如图1所示，包括基底胶带1和固定在基底胶带表面上的活性组分层；所述活性组分层包括两层，分别是金属单质层3和金属氧化物层1；基底胶带的有粘性部分朝下，无粘性部分朝上，将胶带划分为两半区域，其中一半区域上固定有活性组分层，另一半区域为对照区，金属氧化物层位于基底胶带无粘性部分上表面，金属单质层位于金属氧化物层上表面，金属单质层和金属氧化物层重叠。氢气检测变色胶带的变色原理如图2所示，活性组分层接触氢气后，会发生颜色变化，待氢气消除后，通过与空气接触，活性组分层逐渐恢复原本的颜色。颜色识别系统包括摄像头和报警系统；所述的摄像头具有大视角与调焦能力，可以在监控大面积区域的同时，对远距离的变色胶带识别也有较强能力，用于拍摄氢气检测变色胶带；报警系统与摄像头连接，判断摄像头拍摄的氢气检测变色胶带是否变色，如变色，说明氢气泄漏，则发出报警信号。
其中，氢气检测变色胶带的制备步骤如下：
步骤1：使用清洁剂将基底胶带无粘性一面的表面清洗干净，并进行烘干，得到干净的基底胶带表面。
步骤2：将基底胶带1通过等离子体表面处理，以便增加其表面吸附能力。
步骤3：制备掩模板，将基底胶带1其中一半被暴露处理，另一半被遮挡保护，分别作为反应区与对照区。
步骤4：在基底胶带无粘性表面制备金属氧化物层2。
步骤5：在金属氧化物层2上使用磁控溅射的方式镀上金属单质层1。
制备完成后，对氢气检测变色胶带进行检测，检测方法如下：检测合格的要求为，在未通氢气时，反应区和对照区无明显色差，不会被误识别。在通纯氢气时，在20s内反应区产生可以不依靠其它设备被人识别的颜色变化，通1ml/min的流动氢气时30s内产生可以识别的颜色变化，具体体现为反应区和对照区的巨大色差。再回到无氢气环境中，1分钟之内恢复到不能被识别状态，即为合格。
依据上述制备方法，制备了多个参数不同的样本，具体如下：
样本(1)金属单质的材料为Pd，厚度为5nm。
金属氧化物的材料为WO3，厚度为5nm。
基底胶带的材料为PE胶带，厚度为40μm。
总厚度为40.01μm。
样本(2)金属单质的材料为Pd，厚度为300nm。
金属氧化物的材料为MoO3，厚度为300nm。
基底胶带的材料为BOPP胶带，厚度为80μm。
总厚度为80.6μm。
样本(3)金属单质的材料为Ag，厚度为20nm。
金属氧化物的材料为WO3，厚度为20nm。
基底胶带的材料为PET胶带，厚度为50μm。
总厚度为50.04μm。
样本(4)金属单质的材料为Pd，厚度为20nm。
金属氧化物的材料为WO3，厚度为20nm。
基底胶带的材料为PET胶带，厚度为50μm。
总厚度为50.04μm。
将上述4组材料在密闭空间中通氢气测量其变色速度，测得样本(1)未通氢气状态下反应区与对照区无明显色差，在纯氢气测试中，5s时产生明显颜色变化，在1ml/min的流动氢气时30s产生明显的颜色变化，在转移回无氢气环境中后，二者均在20s内恢复至无明显色差。
样本(2)未通氢气状态下反应区与对照区无明显色差，在纯氢气测试中，30s时产生明显颜色变化，在1ml/min的流动氢气时50s产生明显的颜色变化，在转移回无氢气环境中后，二者均在30s内恢复至无明显色差。
样本(3)未通氢气状态下反应区与对照区无明显色差，在纯氢气测试中，60s时产生明显颜色变化，在1ml/min的流动氢气时120s产生明显的颜色变化，在转移回无氢气环境中后，二者均在40s内恢复至无明显色差。
样本(4)未通氢气状态下反应区与对照区无明显色差，在纯氢气测试中，5s时产生明显颜色变化，在1ml/min的流动氢气时20s产生明显的颜色变化，在转移回无氢气环境中后，二者均在20s内恢复至无明显色差。
对比4组的实验效果，样本(4)与样本(1)具有较快的变色速度，且样本(4)速度更快，最终颜色更深，因此样本(4)的参数为更优选的。同时还对样本(4)的参数进行了更多数据采集：
测量样本(4)在-80℃～60℃条件下通纯氢气达到明显变色的时间，在-80℃时需要20min，在60℃需要20s，在0℃～40℃的常见区间，在0℃时需要2min，在40℃需要60s，更多参数如图3所示。
测量样本(4)在不同氢气浓度下的变色曲线，当氢气浓度达到100％时，达到最大变色需要50s，当氢气浓度达到4％时，达到最大变色需要20s，当氢气浓度达到3％时，达到最大变色需要32s，当氢气浓度达到2％时，达到最大变色需要60s，当氢气浓度达到0.5％时，达到最大变色需要90s，具体在不同浓度下的变色程度随时间变化见图4。
测量样本(4)在不同氢气流速下的变色曲线，方法为向单出口单入口的密闭空间中的胶带表面按一定速率通入氢气，测得通5ml/min的流动氢气时20s达到最大变色，通1ml/min的流动氢气时30s达到最大变色，通0.5ml/min的流动氢气时55s达到最大变色，通0.3ml/min的流动氢气时70s达到最大变色，通0.1ml/min的流动氢气时87s达到最大变色，具体在不同流速下的变色程度随时间变化见图5。
本实用新型的一种智能氢气泄漏检测系统，使用时，根据合适的距离选择摄像头的种类与氢气检测变色胶带的尺寸，确保在摄像头的拍摄下可以分辨出氢气检测变色胶带的变色区域，作为参考，50m远的距离一般选用长焦摄像头配合100mm宽度的氢气检测变色胶带，10m距离普通摄像头或广角摄像头配合20mm宽胶带。安装时，将氢气检测变色胶带剪为合适的长度，粘贴在易泄漏管道的连接处或易泄漏场所的高处，并安装相应摄像头在视野良好区域拍摄。氢气泄漏时，游离的氢气会被氢气检测变色胶带表面的活性组分层吸收，产生变色反应，使胶带由透明的颜色变为黑色，此时人眼也能看到变色，可以作为预警。变色的画面会被摄像头捕捉到，并传输到报警系统上。此时，报警系统根据摄像头拍摄的照片判断氢气检测变色胶带是否发生变色，如变色，则发出警报。
Claims (7)
1.一种智能氢气泄漏检测系统，其特征在于，所述的智能氢气泄漏检测系统包括氢气检测变色胶带与颜色识别系统；
所述氢气检测变色胶带包括基底胶带和固定在基底胶带表面上的活性组分层；所述活性组分层包括两层，分别是金属单质层和金属氧化物层；所述基底胶带，其有粘性部分朝下，无粘性部分朝上，将胶带划分为两半区域，其中一半区域上固定有活性组分层，另一半区域为对照区，金属氧化物层位于基底胶带无粘性部分上表面，金属单质层位于金属氧化物层上表面，金属单质层和金属氧化物层重叠；
所述颜色识别系统包括摄像头和报警系统；所述的摄像头用于拍摄氢气检测变色胶带；所述的报警系统与摄像头连接，判断摄像头拍摄的氢气检测变色胶带是否变色，如变色，说明氢气泄漏，则发出报警信号。
2.根据权利要求1所述的一种智能氢气泄漏检测系统，其特征在于，所述金属单质的材料为Pd、Pt、Ag中的一种，所述金属氧化物的材料为WO3、MoO3中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种智能氢气泄漏检测系统，其特征在于，所述基底胶带的材料为PET、BOPP、PVC、PE中的一种；且为单面透明胶带。
4.根据权利要求1所述的一种智能氢气泄漏检测系统，其特征在于，所述氢气检测变色胶带厚度为40.01μm～80.6μm。
5.根据权利要求1所述的一种智能氢气泄漏检测系统，其特征在于，所述基底胶带的宽度为5～100mm，厚度为40μm～80μm。
6.根据权利要求1所述的一种智能氢气泄漏检测系统，其特征在于，所述金属氧化物的厚度为5nm～300nm。
7.根据权利要求1所述的一种智能氢气泄漏检测系统，其特征在于，所述金属单质层的厚度为5nm～300nm。
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