CN220913035U - 一种防喷淋式氢气浓度测量传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种防喷淋式氢气浓度测量传感器，属于易燃易爆气体浓度测量技术领域，该防喷淋式氢气浓度测量传感器的防护外筒两端敞口；防护外筒上盖设置有出气孔，且防护外筒上盖同轴安装于防护外筒的上端部；防护外筒下盖设置有进气孔，且防护外筒下盖同轴安装于防护外筒的下端部；催化反应器设置于防护外筒内部，且催化反应器填装有催化剂，能够使氧气和氢气反应放热；防淋引导件设置于防护外筒内部，且罩设于催化反应器的上端；第一测温元件从防护外筒上盖穿过防淋引导件后插入催化反应器内，用于测量催化反应器内的温度；第二测温元件设置于防护外筒的侧壁，用于测量防护外筒外部的环境温度。
Description
技术领域
本实用新型属于易燃易爆气体浓度测量技术领域，具体涉及一种防喷淋式氢气浓度测量传感器。
背景技术
核电厂事故工况下会产生大量氢气，该氢气主要来源于：1)事故早期，锆-水反应高速率地产生氢气；2)事故中后期，水的辐照分解、堆芯融溶物和混凝土的反应产生大量氢气。大量氢气的聚集会使安全壳内氢气浓度有超过爆炸限4％的可能，存在爆炸的危险。为避免氢爆燃事故发生，破坏安全壳完整性，并能够在事故发生后实施有效地干预，需要构建对安全壳不同位置的氢气聚集状态进行监测的氢气测量系统。
在事故工况下﹐反应堆放出大量的热量，安全壳内温度的升高伴随着压力的升高。如二代和二代加核电厂事故后温度可达150℃，压力可达6bar。安全壳内的气体组成是以空气与水蒸气为主，含有氢气及其他气体的高温高压混合性气体。由于事故工况下安全壳内气体呈现高温、高压、高放射性的特点,因此对于氢气浓度的测量增加了很大的难度。
对于安全壳内氢气浓度，常见的测量方式是将少量的安全壳内气体作为样品气抽出经传输管道送到安全壳外，在安全壳外经过气体预处理后由氢气传感器测量气体中的氢气浓度，测量过程包括的气体预处理、气体浓度分析都在安全壳外完成。这种方式国内外都有应用先例，但这种方式由于通过管路传输放射性气体,存在响应滞后、以及潜在的放射性泄露风险的缺点；同时由于测量管路的限制，一般布置为单点测量，气体在传输过程状态发生变化，测量结果的准确性受到影响；同时，由于气体预处理和气体传输管路的存在，氢气测量系统较复杂，耗能设备多、功耗大。
由于抽出式测量系统的上述缺点，特别是日本福岛核事故发生后，研制直接布置在安全壳内测量的氢气传感器受到广泛关注。直接测量系统组成简单，这种方式是传感器在安全壳内直接测量，输出一次测量电信号，通过传输电缆将传感器一次测量信号输出到安全壳外,在安全壳外对测量信号进行变送、处理和显示，能够快速反应氢气浓度变化，避免滞后，而且该系统只存在电信号的传输，没有气体抽送到安全壳外,便于在安全壳内不同位置安装多个氢气传感器组成多点连续监测系统。
目前已应用于核电厂的安全壳壳内监测系统的是德国Siemens公司采用热催化原理的WS-85氢气探测系统。WS-85采用的氢气敏感探头由涂有催化剂的铂电极和参比电极组成，通过对探头内铂电极持续通电，保证在接触到氢气和氧气的混合物时,在铂电极表面发生高效的催化化合反应，反应热导致铂电极电阻变化,电阻变化值是氢气存在的特征信号，这一信号被送到惠斯通电桥上完成氢气浓度的分析。该系统的缺点是：涂有催化剂的氢气敏感探头与氢气的接触面积小，导致催化复合效率较低，为保持较高的催化复合效率，对催化电极需要持续采用外部供电进行加热，能耗大；且氢气浓度较高时供电或加热过程会形成爆炸性气体的点火或爆炸源，使用具有不稳定和不安全性。
另外，公开号CN102967627A，发明名称为催化式氢气传感器的中国发明专利公开了一种能够使氢气和氧气发生催化化合反应，无需外部供电的氢气传感器，其降低了能耗，且使用过程稳定和安全，但是目前该催化式氢气传感器的防护外筒的外径达到160～200mm，高度达到300～500mm，而且，其防淋罩设置在外筒外部，进一步增大了传感器的体积，使传感器的体积已无法满足更小空间工况或有更小尺寸要求的氢气浓度测量。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种防喷淋式氢气浓度测量传感器，其在催化反应器内填装催化剂，与气体接触面积较大，能够使氢气和氧气发生催化化合反应放热，并且将防淋引导件设置在防护外筒内部，降低了传感器的体积。
本发明采用以下技术方案：
一种防喷淋式氢气浓度测量传感器，包括防护外筒、防护外筒上盖、防护外筒下盖、催化反应器、防淋引导件、第一测温元件和第二测温元件；
所述防护外筒两端敞口；
所述防护外筒上盖设置有出气孔，且所述防护外筒上盖同轴安装于所述防护外筒的上端部；
所述防护外筒下盖设置有进气孔，且所述防护外筒下盖同轴安装于所述防护外筒的下端部；
所述催化反应器设置于所述防护外筒内部，且所述催化反应器填装有催化剂，能够使氧气和氢气反应放热；
所述防淋引导件设置于所述防护外筒内部，且罩设于所述催化反应器的上端；
所述第一测温元件从所述防护外筒上盖穿过所述防淋引导件后插入所述催化反应器内，用于测量所述催化反应器内的温度；
所述第二测温元件设置于所述防护外筒的侧壁，用于测量所述防护外筒外部的环境温度。
进一步地，还包括防爆器；
所述防爆器为侧壁面上设置有进气孔的筒状结构，且同轴套设于所述催化反应器外部。
进一步地，所述催化反应器包括催化剂容器和催化剂；
所述催化剂容器为侧壁面上设置有进气孔的筒状结构；
所述催化剂容置于所述催化剂容器内。
进一步地，还包括过滤器；
所述过滤器为侧壁面上设置有进气孔的筒状结构，且同轴套设于所述防爆器外部。
进一步地，所述过滤器的下端面上设置有分气头，用于通入标气进行校准。
进一步地，所述防护外筒的外壁上设置有安装支架，用于与小型核反应堆或高放废液贮存罐内部结构连接。
进一步地，除所述第一测温元件和所述第二测温元件外，防喷淋式氢气浓度测量传感器其余结构件的材料均为不锈钢。
进一步地，所述第二测温元件设置于所述安装支架上。
进一步地，所述第一测温元件和所述第二测温元件为热电偶或铂电阻测温元件；
所述第二测温元件竖直设置。
进一步地，所述催化反应器的外径为10～50mm，高度为40～90mm；
所述防爆器的外径为15～60mm，高度为50～100mm；
所述过滤器的外径为60～80mm，高度为80～120mm；
所述防护外筒的外径为80～160mm，高度为190～300mm；
所述防护外筒上盖板的直径为80～160mm；
所述防护外筒下盖板的直径为76～156mm。
有益效果：
1、防护外筒两端敞口；防护外筒上盖设置有出气孔，且防护外筒上盖同轴安装于防护外筒的上端部；防护外筒下盖设置有进气孔，且防护外筒下盖同轴安装于防护外筒的下端部；催化反应器设置于防护外筒内部，且催化反应器填装有催化剂，能够使氧气和氢气反应放热；防淋引导件设置于防护外筒内部，且罩设于催化反应器的上端；第一测温元件从防护外筒上盖穿过防淋引导件后插入催化反应器内，用于测量催化反应器内的温度；第二测温元件设置于防护外筒的侧壁，用于测量防护外筒外部的环境温度。
如此，含有氢气的爆炸性混合气体可以通过防护外筒下盖板进入防护外筒内部与催化反应器中的催化剂接触，氢气和氧气发生化合反应放出热量，使得催化反应器温度升高，这时第一测温元件会测量出催化反应器的温度，而第二测温元件测量出氢气传感器外部周围的环境温度，通过这两个温度之间的差值得到催化反应的温升值，进而可以计算出氢气的体积浓度，在这个过程中，由于在催化反应器内填装催化剂，与气体接触面积较大，能够使氢气和氧气发生催化化合反应，能够保持较高的催化复合效率，不需要持续采用外部供电进行加热，能耗低，安全性高；防护外筒上盖板设有出气孔，防护外筒下盖板设有进气孔，这使得防护外筒与防护外筒下盖板、防护外筒上盖板组合在一起形成自然扩散环境，保护催化反应器不受气体流场变化的影响；而且将防淋引导件设置在防护外筒内部，降低了传感器的体积，使该传感器能够满足小空间工况或有小尺寸要求的氢气浓度测量需求。
2、过滤器为侧壁面上设置有进气孔的筒状结构，且同轴套设于防爆器外部。如此，可以降低催化反应器的反应热，能够保证使用过程中不会对周围高浓度氢气点火引发爆炸，安全性高；而且，过滤器对气溶胶之类的污染物有防护作用，对气体扩散状态有保护作用，使气体流场变化对催化反应器不产生影响；另外，防爆器位于过滤器的内部，可以降低催化反应器的反应热，使整个传感器本身温度不会升高太多，可防止人员误触碰后造成烫伤，同时还可以降低潮湿气体的进入，保证催化剂的测量性能。
3、过滤器的下端面上设置有分气头，如此，后期如遇到特殊工况或不方便直接标定的情况可以在分气头的一头连上管子通入标气，对传感器进行校准。
4、第二测温元件设置于安装支架上，充分利用传感器已有结构，减小传感器的体积。
5、除第一测温元件和第二测温元件外，防喷淋式氢气浓度测量传感器其余结构件的材料均为不锈钢，能够满足高低温的应用环境。
6、防护外筒的外径大于80mm，小于160mm，高度大于190mm，小于300mm，与现有的能够用于核反应堆的氢气传感器相比，体积更小。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的防喷淋式氢气浓度测量传感器的剖视图；
图2为本实用新型实施例提供的防喷淋式氢气浓度测量传感器的外部结构示意图；
其中，1－第一卡套接头，2－防护外筒上盖，3－防护外筒上安装件，4－引导件，5－催化反应器，6－防爆器，7－过滤器，8－分气头，9－过滤器下盖，10－防护外筒支撑件，11－防淋引导件，12－定位块，13－第二安装支架，14－防护外筒，15－防护外筒下盖，16－弹性挡圈，17－第一测温元件，18－第二卡套接头，19－第二测温元件，20－过滤器上盖，21－第一安装支架。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。
参照图1-图2，一种防喷淋式氢气浓度测量传感器，其组成包括防护外筒14、防护外筒上盖2、防护外筒下盖15、催化反应器5、防淋引导件11、第一测温元件17和第二测温元件19，其中：
防护外筒14两端敞口；防护外筒上盖2设置有均匀分布的出气孔，且防护外筒上盖2同轴安装于防护外筒14的上端部；防护外筒下盖15设置有均匀分布的进气孔，且防护外筒下盖15同轴安装于防护外筒14的下端部；催化反应器5设置于防护外筒14内部，且催化反应器5填装有催化剂，能够使氧气和氢气均能反应放热；防淋引导件11设置于防护外筒14内部，且罩设于催化反应器5的上端；第一测温元件17从防护外筒上盖2穿过防淋引导件11后插入催化反应器5内，用于测量催化反应器5内的温度；第二测温元件19设置于防护外筒14的侧壁，用于测量防护外筒14外部的环境温度。
如此，含有氢气的爆炸性混合气体可以通过防护外筒下盖15进入防护外筒14内部与催化反应器5中的催化剂接触，氢气和氧气发生化合反应放出热量，使得催化反应器5温度升高，这时第一测温元件17会测量出催化反应器5的温度，而第二测温元件19测量出氢气传感器外部周围的环境温度，通过这两个温度之间的差值得到催化反应的温升值，进而可以计算出氢气的体积浓度，在这个过程中，由于在催化反应器5内填装催化剂，与气体接触面积较大，能够使氢气和氧气能发生催化化合反应，能够保持较高的催化复合效率，不需要持续采用外部供电进行加热，能耗低，安全性高；防护外筒上盖2设有出气孔，防护外筒下盖15设有进气孔，这使得防护外筒14与防护外筒下盖15、防护外筒上盖2组合在一起形成自然扩散环境，保护催化反应器5不受气体流场变化的影响；而且将防淋引导件11设置在防护外筒14内部，降低了传感器的体积，使该传感器能够满足小空间工况或有小尺寸要求的氢气浓度测量需求。
参照图1，该防喷淋式氢气浓度测量传感器还包括防爆器6，防爆器6为侧壁面上设置有进气孔的筒状结构，且同轴套设于催化反应器5外部。而且，该防喷淋式氢气浓度测量传感器还包括过滤器7，过滤器7为侧壁面上设置有进气孔的筒状结构，且同轴套设于防爆器6外部。具体来说，过滤器7包括两端开口的过滤器圆筒、过滤器上盖20和过滤器下盖9，其中，过滤器圆筒为由内层和外层构成的中间有空隙的双层圆筒结构，内层的内径大于防爆器6的外径，内层和外层之间装有填料也可不装填料，具体根据实际使用工况而定，例如，周围湿度比较大，发生氢气爆炸概率比较小，则可以不用装填料，填料可以为球状Al2O3、球状SiO2、或球状Al2O3和球状SiO2的混合物；过滤器上盖20盖设于过滤器圆筒的上端，过滤器下盖9盖设于过滤器圆筒的下端。如此，可以降低催化反应器5的反应热，能够保证使用过程中不会对周围高浓度氢气点火引发爆炸，安全性高；而且，过滤器7对气溶胶之类的污染物有防护作用，对气体扩散状态有保护作用，使气体流场变化对催化反应器5不产生影响；另外，防爆器6位于过滤器7的内部，可以降低催化反应器5的反应热，使整个传感器本身温度不会升高太多，可防止人员误触碰后造成烫伤，同时还可以降低潮湿气体的进入，保证催化剂的测量性能。
参照图1，防爆器6上端敞口；催化反应器5包括催化剂容器和催化剂，催化剂容器为侧壁面上设置有进气孔的一端敞口的筒状结构，且催化剂容器的敞口和防爆器6的敞口均向上，催化剂置于催化剂容器内。在本实施例中，催化剂为球状催化剂，分别为第一种催化剂或第二种催化剂，其中，第一种催化剂以Al2O3作为载体，Co、Au、Pt为活性成分；第二种催化剂以Al2O3作为载体，Pt、Pd、Rh为活性成分。该传感器使用的环境温度一般是大于等于5℃，小于等于300℃，催化剂反应后放热后，催化反应器5最高温度能够达到600℃左右。
参照图1，过滤器下盖9中部设置有螺纹孔，该螺纹孔与分气头8上的外螺纹进行螺纹连接，如此，后期如遇到特殊工况或不方便直接对氢气传感器进行系统标定时，例如传感器安装位置比较高，人无法直接触及不方便直接调试，可以通过伸缩杆将标定用的管路与分气头8的一头连上并通入标气(标定气体)，标定气体通过分气头8进行分流，模拟自然扩散的环境，保护催化反应器5不受气体流场变化的影响。具体地，分气头8上焊接有三根安装杆，三根安装杆用于支撑连接防爆器6。在本实施例中，催化反应器5、防爆器6、过滤器7和分气头8构成氢气敏感组件，氢气敏感组件通过三根安装杆固定于防护外筒支撑件10设置的三个径向凸台上。
参照图1，防护外筒上盖2安装有第一卡套接头1，防淋引导件11为中部带有通口的伞状结构，防淋引导件11同轴设置在防护外筒上盖2和过滤器上盖20之间，防淋引导件11的顶端与第一卡套接头1固接，该防淋引导件11能够使催化反应器5免于被喷淋，且整体尺寸减小，能够确保传感器的正常测量使用。
参照图1，两端敞口的防护外筒14的上端部同轴设置有环状防护外筒上安装件3，下端部同轴安装有环状防护外筒支撑件10，防护外筒上盖2的直径与防护外筒14的外径相同，且防护外筒上盖2设置有外螺纹，防护外筒上安装件3设置有内螺纹，防护外筒上盖2与防护外筒上安装件3螺纹连接；防护外筒下盖15通过弹性挡圈16同轴安装于防护外筒支撑件10，能够在维修更换氢气敏感组件时，快速拆下防护外筒下盖15，更换氢气敏感组件，具有能够快速维修的效果。
参照图1，该传感器还包括引导件4，引导件4包括中空定位管，以及设置在中空定位管下端带通孔的盖板，该盖板与催化反应器5上端开口螺纹连接，能够避免催化剂从催化反应器5容腔内外泄，中空定位管上端与防淋引导件11连接，且中空定位管还与过滤器上盖20中部预留的内螺纹孔进行螺纹连接。第一测温元件17竖直设置，并穿过防护外筒上盖2、防淋引导件11和引导件4后插入催化反应器5内，中空定位管内管对第一测温元件17起到定位的作用。
参照图1和图2，防护外筒14的外壁上设置有第一安装支架21和第二安装支架13，第一安装支架21和第二安装支架13在防护外筒14的外壁轴向间隔设定距离，第一安装支架21和第二安装支架13可以与小型核反应堆或高放废液贮存罐内部结构连接，另外，在防护外筒14外壁上设置有定位块12，第一安装支架21的上部与定位块12的下部接触，定位块12能够对第一安装支架21在防护外筒14的轴向进行定位。
参照图2，第二测温元件19通过第二卡套接头18设置于第二安装支架13上，充分利用传感器已有结构，减小传感器的体积，而且，第二测温元件19安装在外部安装支架上，可以有效降低传感器内部温度对第二测温传感器的干扰。在本实施例中，第一测温元件17和第二测温元件19为热电偶或铂电阻测温元件。在本实施例中，该传感器除第一测温元件17和第二测温元件19外，其余结构件的材料均为不锈钢，能够满足高低温的应用环境。
更具体地，催化反应器5的外径为10～50mm，高度为40～90mm，厚度为0.5～2mm；防爆器6的外径为15～60mm，高度为50～100mm，厚度为0.5～2mm；过滤器7的外径为60～80mm，高度为80～120mm，过滤器7的内层和外层之间的空隙为3～8mm，过滤器7的总厚度为5～20mm；防护外筒14的外径为80～160mm，高度为190～300mm，厚度为2～5mm；防护外筒上盖2的直径为80～160mm，厚度为70～90mm，其中出气孔的直径为4～8mm；防护外筒下盖15的直径为76～156mm，厚度为2～5mm，其中进气孔的直径为4～8mm；第一测温元件17和第二测温元件19的直径为2～6mm，第一测温元件17伸入防护外筒14中的深度为100～200mm。本实施例提供的传感器各个组件的尺寸均可调节，使得传感器的量程可调，因而可以适应不同氢气浓度的测量，与现有的能够用于小型核反应堆的氢气传感器相比，体积更小，可以应用在海洋核动力运输船、破冰船或其他小型核动力设备上，同时还可以用于测量具有高辐射计量的高放废液贮存罐内的氢气浓度，在测量小型核反应堆所处空间或高放废液贮存罐内氢气浓度时，面对严苛的样品气环境(辐照剂量高、样品气体含有放射性杂质、潮湿等)，可以很好地实现实时在线检测的功能，且传感器性能稳定可靠，寿命较久，量程范围最大可到0-20％H2，目前已完成的辐照实验剂量为4×106Gy，完全可以满足使用要求。
综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种防喷淋式氢气浓度测量传感器，其特征在于，包括防护外筒、防护外筒上盖、防护外筒下盖、催化反应器、防淋引导件、第一测温元件和第二测温元件；
所述防护外筒两端敞口；
所述防护外筒上盖设置有出气孔，且所述防护外筒上盖同轴安装于所述防护外筒的上端部；
所述防护外筒下盖设置有进气孔，且所述防护外筒下盖同轴安装于所述防护外筒的下端部；
所述催化反应器设置于所述防护外筒内部，且所述催化反应器填装有催化剂，能够使氧气和氢气反应放热；
所述防淋引导件设置于所述防护外筒内部，且罩设于所述催化反应器的上端；
所述第一测温元件从所述防护外筒上盖穿过所述防淋引导件后插入所述催化反应器内，用于测量所述催化反应器内的温度；
所述第二测温元件设置于所述防护外筒的侧壁，用于测量所述防护外筒外部的环境温度。
2.根据权利要求1所述的一种防喷淋式氢气浓度测量传感器，其特征在于，还包括防爆器；
所述防爆器为侧壁面上设置有进气孔的筒状结构，且同轴套设于所述催化反应器外部。
3.根据权利要求2所述的一种防喷淋式氢气浓度测量传感器，其特征在于，所述催化反应器包括催化剂容器和催化剂；
所述催化剂容器为侧壁面上设置有进气孔的筒状结构；
所述催化剂容置于所述催化剂容器内。
4.根据权利要求3所述的一种防喷淋式氢气浓度测量传感器，其特征在于，还包括过滤器；
所述过滤器为侧壁面上设置有进气孔的筒状结构，且同轴套设于所述防爆器外部。
5.根据权利要求4所述的一种防喷淋式氢气浓度测量传感器，其特征在于，所述过滤器的下端面上设置有分气头，用于通入标气进行校准。
6.根据权利要求1~5任意一项所述的一种防喷淋式氢气浓度测量传感器，其特征在于，所述防护外筒的外壁上设置有安装支架，用于与小型核反应堆或高放废液贮存罐内部结构连接。
7.根据权利要求1~5任意一项所述的一种防喷淋式氢气浓度测量传感器，其特征在于，除所述第一测温元件和所述第二测温元件外，防喷淋式氢气浓度测量传感器其余结构件的材料均为不锈钢。
8.根据权利要求7所述的一种防喷淋式氢气浓度测量传感器，其特征在于，所述第二测温元件设置于安装支架上。
9.根据权利要求8所述的一种防喷淋式氢气浓度测量传感器，其特征在于，所述第一测温元件和所述第二测温元件为热电偶或铂电阻测温元件；
所述第二测温元件竖直设置。
10.根据权利要求4或5任意一项所述的一种防喷淋式氢气浓度测量传感器，其特征在于：
所述催化反应器的外径为10 ~50mm，高度为40～90mm；
所述防爆器的外径为15~60mm，高度为50~100mm；
所述过滤器的外径为60~80mm，高度为80 ~120mm；
所述防护外筒的外径为80 ~160mm，高度为190~300mm；
所述防护外筒上盖的直径为80 ~160mm；
所述防护外筒下盖的直径为76~156mm。
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- 2023-09-20 CN CN202322552256.0U patent/CN220913035U/zh active Active
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