Способ измерения содержания водорода в окружающей среде

 

Изобретение относится к исследованиям физико-химических свойств веществ, а именно к измерению содержания водорода в естественных средах и технических объектах, и может быть использовано для контроля утечек водорода из систем охлаждения мощных электрогенераторов, систем питания двигателей внутреннего сгорания, работающих на водородном топливе, для локализации участков вероятного растрескивания магистральных газопроводов или обнаружения мест выделения водорода. Сущность: способ измерения содержания водорода в окружающей среде заключается в том, что в контролируемую среду помещают датчик с чувствительным элементом, выполненным из материала, способного захватывать и накапливать водород, а при захвате образовывать гидриды металлов, и по мере необходимости измеряют его электрическое сопротивление. Технический результат: предлагаемый способ обладает высокой надежностью, точностью и воспроизводимостью и позволяет осуществлять контроль интегральной концентрации водорода в течение определенного промежутка времени и измерять ее по мере необходимости.

Предлагаемое изобретение относится к исследованиям физико-химических свойств веществ, а именно к измерению содержания водорода в естественных средах и технических объектах, и может быть использовано для контроля утечек водорода из систем охлаждения мощных электрогенераторов, систем питания двигателей внутреннего сгорания, работающих на водородном топливе, для локализации участков вероятного водородного растрескивания магистральных газопроводов или обнаружения мест выделения водорода.

Известен способ измерения содержания водорода в гидридах методом вакуумной экстракции, согласно которому емкость с точно измеренным объемом, в котором находится исследуемый образец, соединяют с калиброванной емкостью, в которой предварительно создан вакуум. После достижения равновесия по показаниям манометра и вакуумметра определяют количество выделившегося из гидрида водорода, затем соединение между емкостями перекрывают, в калиброванной емкости создают вакуум и процесс повторяют [1]. Недостатком указанного способа является сложность, длительность и невозможность текущего контроля содержания водорода в гидриде.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения концентрации водорода, в котором датчик водорода, представляющий собой пленочную структуру, помещают в анализируемую среду. Датчик содержит чувствительный элемент в виде пленки, вызывающей диссоциацию воды или раствора с выделением водорода. Выделяющийся водород поглощается пленкой и изменяет ее оптические характеристики. По изменению коэффициента поглощения пленки определяют концентрацию водорода в анализируемой среде [2].

Недостатками предложенного способа являются невысокая точность измерения и отсутствие долговременной стабильности, обусловленные активным взаимодействием пленки чувствительного элемента с анализируемой средой, создающие дополнительные условия для выделения водорода. Кроме того, способ пригоден только для измерения мгновенного значения концентрации и не позволяет наблюдать ее изменение во времени.

В основу изобретения положена задача разработки способа определения содержания водорода в окружающей среде, обладающего высокой воспроизводимостью, малой трудоемкостью и позволяющего осуществлять контроль интегральной концентрации водорода в течение определенного промежутка времени и измерять ее по мере необходимости.

Решение поставленной задачи достигается тем, что для измерения концентрации водорода в анализируемую среду помещают датчик с чувствительным элементом, способным поглощать и накапливать водород, изменяя при этом свои физические свойства, а именно свое электрическое сопротивление. Измерение сопротивления, в зависимости от преследуемой цели, может производиться как периодически, так и непрерывно.

Физико-химической основой данного способа является способность некоторых материалов, например, водородпоглощающих сплавов типа лантанида никеля, захватывать из окружающей среды водород и накапливать его до достижения равновесного состояния, причем захваченный водород образует гидриды металлов и увеличивает проводимость сплава пропорционально количеству накопленного им водорода, что и фиксируют путем измерения электрического сопротивления.

Предлагаемый способ может быть проиллюстрирован на следующих примерах.

Пример. Макет датчика с чувствительным элементом, выполненным в виде тонкопленочной структуры (пленка лантанида никеля, нанесенная на диэлектрическую подложку), подключали к электроизмерительной аппаратуре, помещали в автоклав, вакуумировали до остаточного давления 10^-3 мм рт. ст. и подавали водород. Одновременно определяли сопротивление пленки, которое изменялось от 850 Ом до 700 Ом при концентрации водорода в пленке 4 ат.%.

Аналогичным указанному в примере способом определяют утечки (изменение концентрации) водорода на магистральных газопроводах. Для этого в грунт вблизи места возможного выделения водорода помещают датчик с чувствительным элементом и измеряют его сопротивление по кабелю, выведенному па поверхность земли.

Использование предлагаемого способа по сравнению с прототипом обеспечивает высокую воспроизводимость и точность. Благодаря способности чувствительного элемента накапливать водород и возможности производить замеры сопротивления к любое время, значительно расширяются области применения данного способа. Способ прост, не трудоемок, не требует высокой квалификации и постоянного присутствия персонала, допускает использование в различных средах и в не обслуживаемых системах.

Источники информации 1. Методы определения и исследования состояния газов в металле. М., Наука, 1968 г.

2. Япония пат. 2-23826, МКИ 5 G 01 N 21/77, заявка 60-44647 от 08.03.85 г.

Формула изобретения

Способ измерения содержания водорода в окружающей среде путем размещения в ней датчика с чувствительным элементом и измерения его характеристик при изменении содержания в нем водорода, отличающийся тем, что в качестве измеряемой характеристики используют электрическое сопротивление чувствительного элемента датчика, выполненного из материала, способного захватывать и накапливать водород и образующего при захвате гидриды металлов.