[發(fā)明專利]一種高靈敏純鈀型布喇格氫氣傳感器及其制作方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410763440.2
• 申請(qǐng)日: 2014-12-11
• 公開（公告）號(hào): CN104390916A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅穎婷;王紅斌;吳昊;李成榕;黃勇;江軍;馬國(guó)明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院;華北電力大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/17
• 分類號(hào): G01N21/17
• 代理公司: 廣州知友專利商標(biāo)代理有限公司 44104
• 代理人: 周克佑;侯莉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高靈敏純鈀型布喇格氫氣傳感器，還涉及該高靈敏純鈀型布喇格氫氣傳感器的制作方法。

背景技術(shù)

環(huán)烷烴是變壓器油的主要成分之一。環(huán)烷烴中有一種環(huán)乙烷，它在石油中的含量是0.5％～1％，在煉油過(guò)程中，由于工藝條件的限制，難免會(huì)在變壓器油的餾分中殘留下少量的輕質(zhì)餾分，其中也包括環(huán)乙烷。環(huán)乙烷在某些條件下(如催化劑、溫度等)會(huì)發(fā)生脫氫反應(yīng)生成氫氣和芳香烴，在正反應(yīng)中，1mol環(huán)乙烷可生成3mol氫，1mol氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積是22.4L，1mol環(huán)乙烷的體積為0.108L，生成物氫的體積是反應(yīng)物環(huán)乙烷的體積的2.4×3/0.108＝622倍。可見(jiàn)，變壓器的油中只要存在極少的環(huán)乙烷，就會(huì)出現(xiàn)高濃度的氫氣。

近年來(lái)，隨著金屬膨脹器(儲(chǔ)油柜)、不銹鋼合金部件在變壓器、互感器中的廣泛應(yīng)用，在變壓器、互感器中普遍出現(xiàn)了氫氣單一增高的現(xiàn)象，甚至在新設(shè)備中也屢見(jiàn)不鮮。據(jù)有關(guān)資料介紹，這種現(xiàn)象是變壓器油中環(huán)乙烷的脫氫反應(yīng)所致，這是因?yàn)榻饘倥蛎浧?儲(chǔ)油柜)的主要構(gòu)件采用不銹鋼合金(1Cr18Ni9Ti)制成，合金中的鎳是一種脫氫催化劑，設(shè)備投運(yùn)初期，油中有較多的環(huán)乙烷，而沒(méi)有或只有少量的氫，在電場(chǎng)和鎳的催化作用下，這時(shí)的脫氫反應(yīng)速度大于加氫反應(yīng)速度，經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間后，正逆反應(yīng)速度逐漸接近，最后達(dá)到平衡，此時(shí)油中氫氣濃度升至最大值。以后，隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增加，合金表面會(huì)逐漸鈍化，催化活性減弱，不利于常溫條件下正反應(yīng)的進(jìn)行，使平衡向左移動(dòng)，即加氫反應(yīng)速度大于脫氫反應(yīng)速度，形成油中氫氣濃度呈緩慢下降趨勢(shì)。主變內(nèi)部鐵芯拉板采用的是不銹鋼無(wú)磁鋼板，不銹鋼無(wú)磁鋼板在電場(chǎng)和鎳的催化作用下，會(huì)釋放出氫氣。

現(xiàn)有油中溶解氫氣的檢測(cè)方法按照不同的原理和工藝可以分為：熱導(dǎo)檢測(cè)、半導(dǎo)體傳感器、氫離子火焰檢測(cè)、鈀柵場(chǎng)效應(yīng)管檢測(cè)、燃料電池傳感器、催化燃燒型傳感器、傅里葉紅外光譜技術(shù)和光聲光譜技術(shù)等。現(xiàn)一一介紹如下：

⑴熱導(dǎo)池檢測(cè)器(TCD)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用于全組分氣體檢測(cè)，是目前應(yīng)用最廣泛的一種鑒定器。用于常量分析、含量在幾十個(gè)ppm以上的微量分析和一般的無(wú)機(jī)氣體分析，是通用性比較好的一種鑒定器。它是由熱導(dǎo)池和電阻絲構(gòu)成，通過(guò)比較電阻的不同來(lái)檢測(cè)，按一定的解法將熱絲構(gòu)成電橋電路。不同氣體具有不同熱導(dǎo)率，當(dāng)通過(guò)測(cè)量池氣體濃度發(fā)生變化時(shí)，熱導(dǎo)率將發(fā)生變化，引起熱絲的溫度發(fā)生變化，從而使得電阻發(fā)生改變，電橋失去平衡，因此會(huì)在電橋電路上產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)。通過(guò)檢測(cè)這個(gè)電壓信號(hào)就可以確定被測(cè)量氣體的含量。但是，由于需要在現(xiàn)場(chǎng)放置稀有氣體作為載氣，因此操作不便且造價(jià)高。

⑵半導(dǎo)體傳感器同樣是目前應(yīng)用的最為廣泛的一種檢測(cè)方法，它是以氧化物半導(dǎo)體作為基本材料，當(dāng)氣體吸附在半導(dǎo)體表面，會(huì)使得基體材料電導(dǎo)率發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電導(dǎo)率的變化量來(lái)反映氣體濃度的變化。該傳感器對(duì)氣體的選擇性不高，對(duì)可燃性氣體均敏感，使用較為方便、價(jià)錢較低，但是在使用一段時(shí)間后零漂較為嚴(yán)重，需要重新進(jìn)行標(biāo)定。

⑶氫離子火焰檢測(cè)(FID:flame?ionization?detector)是目前色譜分析儀上普遍應(yīng)用的一種高靈敏度傳感器。其主要的部件是離子室，在離子室內(nèi)設(shè)有一個(gè)能源和一個(gè)電場(chǎng)。氫離子火焰檢測(cè)器在檢測(cè)時(shí)需要?dú)錃狻⒀鯕狻⒌獨(dú)獾榷喾N載氣，使用麻煩、需要點(diǎn)火，很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，不太適用于在線監(jiān)測(cè)裝置。

⑷鈀柵場(chǎng)效應(yīng)管主要用于檢測(cè)氫氣，以金屬鈀作為柵極，構(gòu)成由Pd-SiO2-Si的場(chǎng)效應(yīng)管，這種場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)氫氣十分敏感，而對(duì)其它氣體則表現(xiàn)為惰性。測(cè)氫的機(jī)理是：當(dāng)氫分子吸附在催化金屬鈀上時(shí)，氫分子分解生成氫原子，透過(guò)鈀膜，迅速通過(guò)鈀柵并吸附在金屬鈀的絕緣介質(zhì)界面上，形成偶極層，金屬鈀的電子功函數(shù)減少，這種現(xiàn)象表現(xiàn)為MOSFET的閥值電壓(又稱為開啟電壓)降低，氫氣濃度與降低值有定量關(guān)系，閥值電壓經(jīng)放大和線性化處理后顯示ppm值。

⑸燃料電池傳感器是一種直接將存儲(chǔ)在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置，只可用于測(cè)量可燃性氣體，由陽(yáng)極、陰極和固體電解質(zhì)構(gòu)成。電解質(zhì)采用的是固體，從而解決了普通燃料電池電解質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中電解質(zhì)減少、輸出功率降低等問(wèn)題。盡管燃料電池型檢測(cè)儀檢測(cè)精度高，重復(fù)性好，但是燃料電池的壽命有限，測(cè)量時(shí)電解液易外泄，造價(jià)也高。