[发明专利]一种高灵敏纯钯型布喇格氢气传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高灵敏纯钯型布喇格氢气传感器，还涉及该高灵敏纯钯型布喇格氢气传感器的制作方法。

背景技术

环烷烃是变压器油的主要成分之一。环烷烃中有一种环乙烷，它在石油中的含量是0.5％～1％，在炼油过程中，由于工艺条件的限制，难免会在变压器油的馏分中残留下少量的轻质馏分，其中也包括环乙烷。环乙烷在某些条件下(如催化剂、温度等)会发生脱氢反应生成氢气和芳香烃，在正反应中，1mol环乙烷可生成3mol氢，1mol氢气在标准状态下的体积是22.4L，1mol环乙烷的体积为0.108L，生成物氢的体积是反应物环乙烷的体积的2.4×3/0.108＝622倍。可见，变压器的油中只要存在极少的环乙烷，就会出现高浓度的氢气。

近年来，随着金属膨胀器(储油柜)、不锈钢合金部件在变压器、互感器中的广泛应用，在变压器、互感器中普遍出现了氢气单一增高的现象，甚至在新设备中也屡见不鲜。据有关资料介绍，这种现象是变压器油中环乙烷的脱氢反应所致，这是因为金属膨胀器(储油柜)的主要构件采用不锈钢合金(1Cr18Ni9Ti)制成，合金中的镍是一种脱氢催化剂，设备投运初期，油中有较多的环乙烷，而没有或只有少量的氢，在电场和镍的催化作用下，这时的脱氢反应速度大于加氢反应速度，经过很长的运行时间后，正逆反应速度逐渐接近，最后达到平衡，此时油中氢气浓度升至最大值。以后，随着设备运行时间的增加，合金表面会逐渐钝化，催化活性减弱，不利于常温条件下正反应的进行，使平衡向左移动，即加氢反应速度大于脱氢反应速度，形成油中氢气浓度呈缓慢下降趋势。主变内部铁芯拉板采用的是不锈钢无磁钢板，不锈钢无磁钢板在电场和镍的催化作用下，会释放出氢气。

现有油中溶解氢气的检测方法按照不同的原理和工艺可以分为：热导检测、半导体传感器、氢离子火焰检测、钯栅场效应管检测、燃料电池传感器、催化燃烧型传感器、傅里叶红外光谱技术和光声光谱技术等。现一一介绍如下：

⑴热导池检测器(TCD)结构简单，用于全组分气体检测，是目前应用最广泛的一种鉴定器。用于常量分析、含量在几十个ppm以上的微量分析和一般的无机气体分析，是通用性比较好的一种鉴定器。它是由热导池和电阻丝构成，通过比较电阻的不同来检测，按一定的解法将热丝构成电桥电路。不同气体具有不同热导率，当通过测量池气体浓度发生变化时，热导率将发生变化，引起热丝的温度发生变化，从而使得电阻发生改变，电桥失去平衡，因此会在电桥电路上产生一个电压信号。通过检测这个电压信号就可以确定被测量气体的含量。但是，由于需要在现场放置稀有气体作为载气，因此操作不便且造价高。

⑵半导体传感器同样是目前应用的最为广泛的一种检测方法，它是以氧化物半导体作为基本材料，当气体吸附在半导体表面，会使得基体材料电导率发生变化，通过测量电导率的变化量来反映气体浓度的变化。该传感器对气体的选择性不高，对可燃性气体均敏感，使用较为方便、价钱较低，但是在使用一段时间后零漂较为严重，需要重新进行标定。

⑶氢离子火焰检测(FID:flame ionization detector)是目前色谱分析仪上普遍应用的一种高灵敏度传感器。其主要的部件是离子室，在离子室内设有一个能源和一个电场。氢离子火焰检测器在检测时需要氢气、氧气、氮气等多种载气，使用麻烦、需要点火，很难实现自动检测，不太适用于在线监测装置。

⑷钯栅场效应管主要用于检测氢气，以金属钯作为栅极，构成由Pd-SiO2-Si的场效应管，这种场效应管对氢气十分敏感，而对其它气体则表现为惰性。测氢的机理是：当氢分子吸附在催化金属钯上时，氢分子分解生成氢原子，透过钯膜，迅速通过钯栅并吸附在金属钯的绝缘介质界面上，形成偶极层，金属钯的电子功函数减少，这种现象表现为MOSFET的阀值电压(又称为开启电压)降低，氢气浓度与降低值有定量关系，阀值电压经放大和线性化处理后显示ppm值。

⑸燃料电池传感器是一种直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化成电能的发电装置，只可用于测量可燃性气体，由阳极、阴极和固体电解质构成。电解质采用的是固体，从而解决了普通燃料电池电解质腐蚀性强、运转过程中电解质减少、输出功率降低等问题。尽管燃料电池型检测仪检测精度高，重复性好，但是燃料电池的寿命有限，测量时电解液易外泄，造价也高。