Trong sản xuất công nghiệp, hydro được sử dụng rộng rãi như một nguồn năng lượng sạch và nguyên liệu thô công nghiệp quan trọng. Tuy nhiên, hydro có năng lượng đánh lửa cực thấp và phạm vi nổ rộng; nếu rò rỉ xảy ra và tích tụ trong một không gian hạn chế hoặc nửa kín, nó có thể dễ dàng gây ra hỏa hoạn hoặc thậm chí là nổ, gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với sự an toàn của nhân viên và thiết bị. Trong những môi trường có thể xảy ra rò rỉ hydro-chẳng hạn như trạm sản xuất hydro, phòng pin và xưởng sản xuất chất bán dẫn-việc giám sát kịp thời và chính xác là một biện pháp an toàn quan trọng.
Phát hiện rò rỉ hydro trong pin chủ yếu sử dụng hai loại máy dò: cảm biến điện hóa và cảm biến đốt xúc tác. Lựa chọn cụ thể tùy thuộc vào tình huống ứng dụng, độ chính xác phát hiện cần thiết và thông số kỹ thuật an toàn.
I. Các loại và đặc điểm cảm biến phổ biến
(1). Cảm biến điện hóa
Đây hiện là lựa chọn phổ biến cho các hệ thống giám sát cố định trong phòng chứa pin (đặc biệt đối với pin cadmium-axit chì và niken{1}}).
Nguyên tắc làm việc: Hydro trải qua một phản ứng điện hóa (oxy hóa-khử) trên bề mặt của điện cực làm việc, tạo ra dòng điện-vi mô; cường độ của dòng điện này tỷ lệ thuận với nồng độ hydro.
Độ nhạy và độ chọn lọc cao: Tính chọn lọc cao đối với hydro, tránh nhiễu hiệu quả từ các loại khí khác; được thiết kế đặc biệt để phát hiện rò rỉ hydro.
Thích hợp cho việc giám sát nồng độ-thấp: Cực kỳ nhạy cảm với dấu vết rò rỉ (mức ppm), cho phép cảnh báo sớm. Ví dụ:-cảm biến cấp độ khai thác có thể kích hoạt cảnh báo và liên kết các hành động an toàn khi nồng độ hydro đạt 0,5%.
An toàn nội tại: Thích hợp để sử dụng trong những môi trường có yêu cầu nghiêm ngặt về chống cháy nổ-.
Kịch bản ứng dụng: Được sử dụng rộng rãi ở các vị trí cố định yêu cầu giám sát-lâu dài, liên tục và chính xác nồng độ hydro thấp, chẳng hạn như phòng pin và buồng sạc ngầm trong hầm mỏ.
(2). Cảm biến đốt xúc tác
Thường được sử dụng để phát hiện tính dễ cháy của hydro và theo dõi nồng độ trong phạm vi Giới hạn nổ dưới (LEL).
Nguyên lý làm việc: Hydro đốt cháy trên bề mặt của nguyên tố xúc tác, gây ra sự thay đổi nhiệt độ và điện trở của nguyên tố đó; nồng độ được xác định bằng cách đo sự thay đổi điện trở này.
Tốc độ phản ứng nhanh: Phản ứng nhanh với những thay đổi về nồng độ khí dễ cháy.
Độ tuyến tính tín hiệu tốt: Cung cấp độ tuyến tính tín hiệu tuyệt vời trong phạm vi nồng độ LEL. Kịch bản ứng dụng: Chủ yếu được sử dụng để theo dõi xem nồng độ hydro có đạt đến mức có nguy cơ nổ hay không; thường được triển khai ở những khu vực-thông thoáng, nơi phản ứng nhanh là rất quan trọng.
2. Các kịch bản ứng dụng và công nghệ cảm biến khác
Cảm biến bán dẫn: Hoạt động theo nguyên tắc điện trở của vật liệu bán dẫn ôxit kim loại-thay đổi khi tiếp xúc với hydro. Những cảm biến này-tiết kiệm chi phí và nhạy cảm với hydro nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi các loại khí khử khác hoặc biến động môi trường. Chúng yêu cầu độ ổn định tương đối cao và thường được sử dụng trong các ứng dụng mà độ chính xác cực cao không phải là yêu cầu chính.
Cảm biến độ dẫn nhiệt: Dựa trên sự khác biệt đáng kể về độ dẫn nhiệt giữa hydro và các loại khí khác (thường là không khí). Khi nồng độ hydro thay đổi, tốc độ tản nhiệt từ phần tử cảm biến của cảm biến sẽ thay đổi, cho phép đo nồng độ. Những cảm biến này có tuổi thọ lâu dài, độ ổn định tốt và khả năng chống nhiễm độc cảm biến; tuy nhiên, chúng thường được sử dụng để đo nồng độ hydro cao (mức phần trăm) và thiếu độ nhạy đủ để phát hiện rò rỉ ở mức-thấp.
Cảm biến hấp thụ hồng ngoại: Phát hiện hydro dựa trên đặc tính hấp thụ ánh sáng hồng ngoại cụ thể của nó. Chúng mang lại những ưu điểm như hoạt động không tốn-tiêu hao, tuổi thọ dài, độ ổn định cao và khả năng chống nhiễu mạnh; tuy nhiên, công nghệ truyền thống phải đối mặt với những thách thức liên quan đến tín hiệu hấp thụ hydro yếu và chi phí cao. Công nghệ này thể hiện một hướng đi đầy hứa hẹn cho các ứng dụng giám sát ổn định lâu dài,-cao cấp-trong tương lai.
3. Đề xuất lựa chọn và tích hợp hệ thống
Để giám sát khu vực cố định, liên tục trong phòng pin-nơi mục tiêu chính là cảnh báo sớm những rò rỉ nhỏ-cảm biến điện hóa nên là lựa chọn ưu tiên. Máy giám sát khu vực hydro được thiết kế đặc biệt cho phòng pin trên thị trường chủ yếu sử dụng công nghệ này.
Nếu mục tiêu chính là an toàn cháy nổ,-cụ thể là giám sát xem nồng độ có đạt đến Giới hạn nổ dưới (LEL) của 4%-cảm biến đốt xúc tác hay không.
Tích hợp hệ thống: Hệ thống phát hiện hydro chuyên nghiệp không chỉ bao gồm máy dò mà còn bao gồm bộ điều khiển và mô-đun cảnh báo. Nó phải có khả năng giao tiếp với các thiết bị an toàn như quạt hút và van điện từ để tạo thành một hệ thống phòng thủ chủ động toàn diện. Máy dò có thể được tích hợp với các hệ thống điều khiển hiện có thông qua đầu ra analog (4–20 mA) hoặc bus kỹ thuật số (ví dụ: RS485).
Đối với các vị trí cố định cần cảnh báo sớm và theo dõi liên tục rò rỉ hydro từ pin,máy dò khí hydro cho phòng pindựa trên nguyên tắc điện hóa được khuyến khích. Đối với các ứng dụng ưu tiên phản ứng nhanh với rủi ro cháy nổ, cảm biến đốt xúc tác có thể được xem xét. Khi lựa chọn một mô hình, cần xem xét toàn diện phạm vi đo, độ nhạy, khả năng thích ứng với môi trường, tuổi thọ sử dụng và chi phí.