PL223703B1 - Optyczny czujnik wodoru - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest optyczny czujnik obecności wodoru.

Bezpieczna i niezawodna kontrola obecności wodoru w połączeniu z monitoringiem szybkości przepływu gazu, jego rodzaju i ciśnienia jest istotna w wielu procesach technologicznych, jak przemysł chemiczny i petrochemiczny. Wodór jest substancją bardzo aktywną chemicznie. Wystarczy jego pięcioprocentowa obecność w powietrzu i niewielka iskra, aby spowodować zapłon. Wczesne wykrycie obecności wodoru w otoczeniu jest istotą bezpiecznego obchodzenia się z tym gazem.

Istniejące optyczne czujniki gazów budowane są zazwyczaj na bazie wykorzystania zjawiska absorpcji światła przez gazy. Zasada ich działania opiera się na wykorzystaniu zjawiska absorpcji światła, o długości fali charakterystycznej dla danego gazu. W przypadku węglowodorów zawierających wiązanie C-H jest to długość fali 3,4 mikrometra. Jednakże tego typu czujniki nie są odpowiednie do wykrywania wodoru, z uwagi na brak pasm charakterystycznych w widmie IR molekuł H₂.

Optyczne czujniki wodoru bazują na zmianie parametrów optycznych wskutek oddziaływania wodoru na warstwę aktywną zawierającą m.in. pallad, w postaci cienkiej warstwy lub nanokrystalitów. W pracy Y. Imai et al., A. Zojomo, Vol. 2, March 2006 wykazano, że współczynnik transmitancji optycznej w obszarze 300-2500 nm cienkiej warstwy itrowo-palladowej wzrasta kilkukrotnie w obecności wodoru. W pracy P. Fedtke et ak, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 100 (1-2), June 2004, 151-157 przedstawiono ogólny schemat oraz przykład realizacji optycznego czujnika wodoru, wykorzystującego cienką warstwę palladu o grubości kilkudziesięciu nm osadzaną metodą napylania plazmowego.

Z publikacji zgłoszenia WO 1995030889 A1 znany jest model czujnika opartego o detekcję światła przechodzącego przez lub odbitego od cienkiej warstwy aktywnej, poddanej oddziaływaniu wodoru. Warstwę aktywną w tym przypadku stanowi cienka warstwa metalicznego palladu o grubości nie większej niż 100 nm, przy czym preferowana grubość wynosi 10-50 nm. Dodatkowo, warstwa aktywna została pokryta bardzo cienką, optycznie przezroczystą, warstwą złota, a także w części swej powierzchni pokryta ceramiczną powłoką ochronną z SiO2 lub AI2O3. Czujnik może pracować zarówno w trybie transmisyjnym jak i odbiciowym. Detekcja wodoru oparta jest na porównaniu intensywności sygnałów optycznych pochodzących odpowiednio z obszarów pokrytych lub niepokrytych warstwą ceramiczną. Czujnik umożliwia detekcję koncentracji wodoru w zakresie 1-10% w zależności od grubości warstwy palladu.

Z amerykańskiego opisu patentowego US 5783152 A znany jest optyczny czujnik wodoru wykorzystujący zmiany wartości współczynników pochłaniania i odbicia elementu aktywnego w obecności wodoru, stanowiący jednocześnie czujnik temperatury. Element aktywny czujnika złożony jest z trzech warstw: ochronnej warstwy gazoprzepuszczalnej wykonanej ze szkła porowatego lub teflonu, warstwy gazoaktywnej zawierającej stopy palladu oraz warstwy termoaktywnej (np. selenek cynku) o zmiennych termicznie właściwościach transmisyjnych. Sygnał optyczny doprowadzany i odprowadzany jest za pomocą światłowodów i soczewek kwarcowych.

Z opisu WO 2007121935 A1 znany jest czujnik reflektancyjno-transmisyjny, w którym warstwa aktywna, zawiera nanoklastery palladu o wymiarach 1 -30 nm w osnowach polimerowych oraz osadzona jest na powierzchni odbijającej. Dodatkowo, pomiędzy odbijającą warstwą podłożową, a warstwą aktywną znajduje się warstwa buforująca, korzystnie złożona z fluorku wapnia.

Z polskiego opisu patentowego PL 204016 B1 znany jest optyczny czujnik wodoru, wykorzystujący konstrukcję warstwowego interferometru Fabry-Perot. Działanie czujnika wykorzystuje zmianę interferogramu w zależności od obecności wodoru, co przekłada się na zmianę intensywności wyjściowego sygnału optycznego.

Powyższe opisy nie precyzują zakresu widmowego wykorzystywanego promieniowania optycznego. Z przedstawionych opisów wynika jednak, że konstruowane czujniki wykorzystują zmiany właściwości elektronowych palladu znajdującego się w obecności wodom, wpływające na intensywność światła odpowiadającego zakresowi światła widzialnego i bliskiej podczerwieni.

Optyczny czujnik wodom, zawierający warstwę aktywną naniesioną na odbijające podłoże umieszczone w obudowie, w którym światło jest doprowadzane i odprowadzane światłowodami, według wynalazku charakteryzuje się tym, że warstwę aktywną stanowi nanokompozytowa warstwa węglowo-palladowa, zbudowana z nanoziaren palladu osadzonych w matrycy, stanowiącej jedną z alotropowych odmian węgla.

PL 223 703 B1

Korzystnie, aktywna warstwa naniesiona jest na taśmę metalową lub na podłoże, wykonane z materiału nieprzezroczystego dla promieniowania podczerwieni.

Optyczny czujnik wodoru według wynalazku wykorzystuje zmiany wartości współczynników pochłaniania i odbicia aktywnej warstwy nanokompozytu węglowo-palladowego w zakresie średniej podczerwieni od około 1300 cm^- do około 700 cm^- (około 8 μm-14 μm).

Stopień grafityzacji warstwy aktywnej zależy od parametrów technologicznych procesu ich w ytwarzania. Obecność wodom w otoczeniu warstwy aktywnej skutkuje jego zaabsorbowaniem w matrycy węglowej i w konsekwencji uwodornieniem nanoziaren palladu obecnych w warstwie. Uwodorniona warstwa charakteryzuje się wzrostem aktywności modów wibracyjnych charakterystycznych dla układu wodór-pallad, przypadających na wyżej wymieniony zakres widmowy promieniowania podczerwonego. Jest to spowodowane zmianą struktury warstwy, co w konsekwencji prowadzi do zmiany współczynników pochłaniania i odbicia.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat budowy czujnika, a fig. 2 - obraz widma zarejestrowanego w atmosferze bez obecności wodom (a) oraz w atmosferze zawierającej 3% roztworu wodoru w azocie (b).

W skład struktury optycznego czujnika wodom wchodzą: źródło promieniowania podczerwieni 1, dwa odcinki światłowodów 3, 7, warstwa aktywna 4 naniesiona na podłoże 5 umieszczone w obudowie 6 oraz analizator widma podczerwieni 8.

Źródło światła 1 emituje wiązkę promieniowania elektromagnetycznego 2 z zakresu podczerwieni. Wiązka świtała 2 za pomocą światłowodu 3 doprowadzana jest do warstwy aktywnej 4. Oświetlanie warstwy 4 dokonuje się pod jak największym kątem w stosunku do normalnej poprowadzonej do powierzchni warstwy 4. Dzięki temu wydłużona jest droga optyczna promienia biegnącego wewnątrz warstwy 4, co znacznie poprawia czułość czujnika. Aktywna warstwa 4 zbudowana jest z nanoziaren palladu o średnicy od 1 nm do kilkudziesięciu nm, osadzonych w matrycy węglowej. Warstwa 4 naniesiona jest na podłoże 5 z taśmy metalowej o wysokim współczynniku odbicia światła. Warstwa 4 wraz z podłożem 5 umieszczona jest w ażurowej obudowie 6 zapewniającej bezpośredni kontakt warstwy 4 ze środowiskiem pomiarowym. Ponadto, obudowa 6 zapewnia możliwości precyzyjnego doprowadzania wiązki podczerwieni 2 do warstwy aktywnej 4 oraz precyzyjnego wyprowadzenia wiązki odbitej. Wiązka światła po odbiciu od podłoża 5 doprowadzana jest światłowodem 7 do analizatora widma podczerwieni 8.

Wodór zaabsorbowany przez warstwę 4 powoduje zmianę jej parametrów optycznych, co związane jest ze zmianą wartości współczynników pochłaniania oraz odbicia w zakresie widmowym od około 1300 cm^-1 do około 700 cm^-1 (Fig. 2).

Struktura aktywnej warstwy 4 zapewnia odwracalne i powtarzalne działanie czujnika, a sama warstwa jest łatwa do wykonania i osadzenia na dowolnym podłożu. Czujnik charakteryzuje się dużą dynamiką i krótkim czasem odpowiedzi, a użycie czujnika nie powoduje zmian w otoczeniu. Rozwiązanie według wynalazku charakteryzuje się prostotą konstrukcji oraz nie zawiera elementów elektrycznych, które mogą stanowić zagrożenie wybuchowe.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Optyczny czujnik wodoru, zawierający warstwę aktywną naniesioną na odbijające podłoże umieszczone w obudowie, w którym światło jest doprowadzane i odprowadzane światłowodami, znamienny tym, że warstwę aktywną (4) stanowi nanokompozytowa warstwa węglowo-palladowa zbudowana z nanoziaren palladu osadzonych w matrycy, stanowiącej jedną z alotropowych odmian węgla.

2. Optyczny czujnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że aktywna warstwa (4) naniesiona jest na taśmę metalową.

3. Optyczny czujnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że aktywna warstwa (4) materiału naniesiona jest na podłoże (5) wykonane z materiału nieprzezroczystego dla promieniowania podczerwieni.