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The principle classification and function of hydrogen sensor

来源:Drksir 时间:2023-03-23 12:06:18
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At present, the most common hydrogen sensors include catalytic type, electrochemical type, electrical type (metal oxide semiconductor, Schottky diode, etc.) and thermal conductivity type sensors, etc. In addition, because of the advantages of no spark, anti-electromagnetic interference ability, optical sensors are increasingly favored. Next, the author will introduce the basic working principle and main advantages and disadvantages of the above five types of hydrogen sensors one by one.


(1) Catalytic hydrogen sensor


Catalytic hydrogen sensors use the oxidation of gas on the surface of the electric heating catalytic element to detect combustible gas. This oxidation requires the use of oxygen in the air and releases heat causing the temperature of the sensing element to rise, depending on the concentration of the gas. The most common type of catalytic sensor is the "rheostatic type," which consists of two ceramic beads embedded with platinum wires. One of the ceramic beads is coated with a catalytic material that oxidizes when it encounters hydrogen, causing the temperature on the bead to rise, which changes the resistance of the platinum wire. At the same time, the platinum wire also acts as a heater, requiring the ceramic beads to be heated to a specified temperature beforehand. A Wheatstone bridge is needed to accurately measure resistance changes caused by temperature changes.

Element scheme of "rheostat type" catalytic sensor

Element scheme of "rheostat type" catalytic sensor


Another common type of catalytic sensor is the thermoelectric sensor, which also takes advantage of the principle that hydrogen gas is oxidized to release heat, but uses the thermoelectric effect in the step of converting the heat signal to an electrical signal, rather than using the Wyeth bridge to measure the change in resistance caused by temperature rise. The catalytic hydrogen sensor has the advantages of mature technology, compact structure, small volume and very wide test range, but it also has obvious disadvantages. First, the catalytic hydrogen sensor is sensitive to any other combustible gas and cannot distinguish hydrogen from other combustible gas. Second, the oxidation reaction requires oxygen in the air, the explosion-proof performance of the sensor itself is poor; Third, catalysts can be poisoned by trace gases, such as silicone (i.e., polysiloxane) and hydrogen sulfide, and require regular calibration and replacement.

Measurement principle of "rheostat type" catalytic sensor
Measurement principle of "rheostat type" catalytic sensor


(2) electrochemical hydrogen sensor


Electrochemical hydrogen sensors can be divided into two categories: current type and potential type. The current type sensor detects hydrogen concentration by measuring the current generated by an electrochemical reaction, which occurs on the surface of the sensor electrode coated with a catalyst (such as platinum). In general, electrochemical hydrogen sensors have the metal anode and cathode immersed in an electrolyte (e.g., H2 SO4) to allow ions to transfer charge between the two electrodes. Because the current is proportional to the hydrogen concentration, the hydrogen concentration can be determined by measuring the current. Advanced electrochemical hydrogen sensors use a solid polymer electrolyte, which eliminates the risk of leakage when using liquid electrolytes.

Measurement Principle of electrochemical Hydrogen Sensor (current type)

Measurement Principle of electrochemical Hydrogen Sensor (current type)


The difference between potential type sensor and current type sensor is that: current type sensor is working under constant voltage, sensor signal is current; The potential sensor works under zero current (open circuit), and the sensor signal is the potential difference between the test electrode and the reference electrode. Electrochemical hydrogen sensor has high sensitivity and accuracy, compact structure, and very small power consumption in the operation process, so it has preliminarily met the conditions for commercialization. At present, the main problem to be solved is the longevity problem -- electrode catalysts are easily poisoned by other gases in engineering applications, resulting in the accuracy of electrochemical hydrogen sensors will decrease over time. In addition, the narrow operating temperature is also the disadvantage of some electrochemical hydrogen sensors.


(3) Electrical hydrogen sensor


Electrical hydrogen sensors can be divided into resistive and non-resistive types. The former is typically represented by metal oxide semiconductor sensors, while the latter mainly uses Schottky diodes or MosFETs for measurement. Among them, the metal oxide semiconductor sensor is more common. The sensor has two electrodes. The substrate material between the electrodes is coated with a metal oxide film (such as tin oxide). The film acts as a hydrogen-sensitive material and its conductivity changes when it interacts with hydrogen gas (Figure 9-4). Thus, the change in semiconductor conductivity can be used as a measure of hydrogen concentration. The electric hydrogen sensor has the advantages of low cost, long life, low power consumption and miniaturization, so it has the potential of large-scale application. However, it is not selective to hydrogen, easy to be interfered by common gases such as water vapor, and has problems such as high operating temperature, slow start-up, non-linear, easy to be polluted.

Diagram of a metal oxide semiconductor sensor

Diagram of a metal oxide semiconductor sensor


(4) thermal conductivity hydrogen sensor


The thermal conductivity hydrogen sensor relies on the high thermal conductivity of hydrogen for detection. Thermal conductivity is a unique property of each gas. Among all known gases, hydrogen has the highest thermal conductivity under normal conditions (around 273K and 101325Pa). Therefore, using air as a reference gas, hydrogen concentration can be determined according to the change of thermal conductivity. A schematic diagram of a heat-conductive hydrogen sensor is shown below. By measuring the thermal conductivity of the gas under test and comparing it with the reference gas, the concentration of hydrogen in the binary mixture can be determined. Two identical thermistors are used to convert the thermal conductivity signal into an electrical signal. One resistor is in contact with the gas to be measured and the other with the reference gas. The temperature (resistance) of a thermistor depends on the thermal conductivity of the surrounding gas, which is proportional to the concentration of hydrogen in the gas mix.

Schematic diagram of a thermal conductivity hydrogen sensor

Schematic diagram of a thermal conductivity hydrogen sensor


Because there are no chemical reactions, the thermoconductive hydrogen sensor is relatively stable and has a long service life, and is particularly suitable for detecting high concentrations of hydrogen. However, at the same time, it is difficult to detect very low hydrogen concentration. It is usually necessary to use with other types of hydrogen sensors, or through sensor miniaturization technology to improve the above shortcomings.


(5) Optical hydrogen sensor


There are many types of optical hydrogen sensor, among which optical fiber hydrogen sensor is the most common. Fiber optic hydrogen sensor can be divided into microlens type, interference type, disappearing field type, fiber Bragg grating type and other types, but the basic principle is to combine fiber with hydrogen sensitive material, hydrogen sensitive material and hydrogen contact interaction, cause the change of physical properties of the fiber, and then change the optical characteristics of the transmitted light in the fiber. Finally, the hydrogen concentration is determined by detecting the change of a characteristic physical quantity of the output light. The most commonly used hydrogen sensor in fiber optic hydrogen sensor is palladium film. Different types of sensors take advantage of different physical quantity changes. For example, interferometric fiber hydrogen sensor takes advantage of the principle of volume expansion after palladium film interacts with hydrogen gas, stretching fiber, increasing optical path and then changing phase. The fiber Bragg grating hydrogen sensor also uses the principle of volume expansion after the interaction between palladium film and hydrogen, but it determines the hydrogen concentration by measuring the change of grating distance. The microlens fiber hydrogen sensor takes advantage of the principle that the reflectivity and refractive index of palladium change after the adsorption of hydrogen into palladium hydride.


Optical hydrogen sensor transmission signal is optical signal, there is no risk of becoming ignition source, so it is particularly suitable for use in flammable and explosive environment. At the same time, it also has the advantages of wide monitoring area, operating in anaerobic environment, anti-electromagnetic interference and so on. However, optical sensors are also susceptible to ambient light interference and are too sensitive to temperature changes.


summary


Hydrogen sensor is one of the key components in the field of hydrogen energy, which can quantify and detect hydrogen leakage. It is the core and foundation of hydrogen alarm device, and has great significance for improving hydrogen safety. At present, Drksir researchers have successfully developed a variety of hydrogen sensors based on different working principles, and many more promising and attractive hydrogen sensors are in the laboratory stage. However, at present, almost all types of hydrogen sensors have high cost, short life, anti-interference is not strong enough problems, there is still a certain gap from mass production, "into the thousands of households" requirements, such as Dexil's research and development strength of the team is not much. On the one hand, it is necessary to continue to optimize the existing sensor types. On the other hand, innovation should also be persisted to find new scientific principles that can be used for hydrogen sensor, so as to realize the breakthrough of hydrogen sensor as soon as possible.



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氢蓝时代获批海南首批燃料电池汽车示范项目:创新驱动绿色交通新里程

氢蓝时代获批海南首批燃料电池汽车示范项目:创新驱动绿色交通新里程

        随着全球对可持续发展和碳中和目标的不断追求,氢能作为清洁能源的重要一环,其在交通运输领域的应用越来越受到重视。近日,氢蓝时代动力科技有限公司凭借其在燃料电池汽车领域的卓越表现,成功获批海南省首批(2023-2024年)燃料电池汽车等技术示范应用项目,标志着氢蓝时代在推动我国氢能汽车产业高质量发展上又迈出了坚实的一步。        一、创新产品驱动,开启绿色出行新篇章        氢蓝时代自成立以来,始终坚持自主研发与技术创新,致力于氢燃料电池系统的研发及商业化应用,其产品创新能力无疑是此次获批示范应用项目的关键因素。公司近期发布的麒麟系列产品,实现了单堆系统功率首次突破240kW,不仅展现了其在技术上的重大突破,也为超大功率应用场景的落地提供了坚实的技术支撑。这一成就,不仅意味着氢燃料电池系统在商用车领域的应用将更加广泛,也预示着氢能在重载运输、远程公交等领域的巨大潜力即将释放。        二、技术验证确保安全可靠,奠定示范应用基础        技术验证能力是任何新技术走向市场的必经之路,氢蓝时代深谙此道。其产品经历了从零部件到系统的全面且严格的测试流程,确保每一环节的安全与效能。在深圳市的重大研发项目成果中,氢蓝时代的产品历经重重考验,展现出卓越的性能、经济性和稳定性,这为在海南乃至全国范围内推广氢燃料电池汽车技术提供了有力的实践依据。此外,氢蓝时代在电堆、FCU等关键零部件的纵向自主开发,构建了跨越“海、陆、空”1-1000kW的完整产品矩阵,为不同应用场景的定制化解决方案奠定了坚实的基础。        三、多元场景布局,促进氢能经济全面发展        氢蓝时代在场景打造能力方面同样表现出色。公司不仅聚焦于传统商用车市场,更积极拓展至轨道交通、船舶等新兴领域,与多地政府和企业展开深度合作,共同打造氢能应用示范项目。例如,与邯郸市的战略签约,旨在联合开发船舶和车用氢燃料电池系统,共同推动氢能装备领域的高质量发展。通过这些多元化的应用场景探索,氢蓝时代正逐步构建一个以氢燃料电池为核心的绿色交通网络,加速氢能经济的全面发展。        四、服务保障与经济效益并重,助力产业生态构建        在服务保障能力上,氢蓝时代建立了完善的售后支持体系,确保用户在使用过程中能够得到及时有效的技术支持和维护服务。同时,公司注重项目的经济效益评估,确保示范应用不仅在技术上可行,更要在经济上可持续。一季度近亿元的订单量,不仅是市场对其产品的认可,也是对公司整体运营效率和成本控制能力的肯定。氢蓝时代通过与龙华等地的战略合作,共享氢能产业发展生态体系的建设成果,进一步优化供应链管理,提升市场竞争力。        五、展望未来,共筑氢能梦想        氢蓝时代获批海南省首批燃料电池汽车示范应用项目,不仅是对过去成绩的肯定,更是对未来发展的期许。随着项目的深入实施,氢蓝时代将与海南省政府紧密合作,共同探索氢能汽车在海岛环境下的应用模式,积累宝贵的运行经验,为全国乃至全球的氢能交通转型提供“海南方案”。在双碳目标的指引下,氢蓝时代正以实际行动践行绿色发展理念,引领中国乃至全球的氢能汽车产业迈向一个全新的绿色出行时代。
2024.05.11
倾角传感器在旋转钻机中的关键角色:精准定位与高效作业的基石

倾角传感器在旋转钻机中的关键角色:精准定位与高效作业的基石

        在现代化的工程与建设领域,旋转钻机作为地基处理和深孔施工的关键设备,其性能直接影响着施工效率与项目安全。其中,倾角传感器作为一种重要的感知元件,扮演着不可或缺的角色。本文将深入探讨倾角传感器在旋转钻机应用中的重要性,揭示它如何通过精准测量角度变化,确保施工精度,提升作业安全,进而推动整个行业的技术进步与效率升级。        一、倾角传感器的基础概念        倾角传感器,又称倾斜仪或倾斜计,是一种测量物体相对于水平面或竖直面的倾斜角度变化的设备。通常基于加速度计、陀螺仪或磁力计等原理工作,能够实时监测并输出设备的俯仰角(前后倾斜)和翻滚角(左右倾斜)参数。在旋转钻机这样的重型机械中,倾角传感器的精确性和稳定性尤为关键。        二、精准定位,确保施工质量        在旋转钻进过程中,钻孔的垂直度和深度直接关系到地基加固的效果和建筑物的安全性。倾角传感器通过实时监测钻杆的倾斜角度,帮助操作员精确调整钻头的方向,确保钻孔按照设计轨迹准确下探。特别是在复杂地质条件下,如软土层、碎石层或有硬质夹层的地区,倾角传感器能够有效减少偏差,避免钻偏或塌孔事故,从而提升施工精度和质量。        三、提升作业安全,降低风险        安全是施工行业的生命线。旋转钻机在操作过程中若发生过度倾斜,不仅可能损坏设备,更可能导致严重的安全事故。倾角传感器实时监控设备姿态,一旦发现异常倾斜立即发出预警信号,使操作人员能够及时采取措施调整或停机检查,有效预防倾覆事故的发生。此外,它还能辅助实现自动纠偏功能,进一步提高作业安全性。        四、优化施工效率,降低成本        通过集成倾角传感器,旋转钻机能够实现更加智能化的施工管理。精确的角度数据可以帮助施工团队优化钻进策略,比如在遇到硬岩层时,根据实时倾斜数据调整钻压和转速,避免不必要的机械磨损和能源消耗。长期来看,这不仅能显著提升作业效率,还能有效降低维护成本和整体施工成本,提高项目的经济性。        五、推动技术进步与智能化转型        随着物联网、大数据和人工智能技术的发展,倾角传感器已成为旋转钻机智能化升级的关键组件之一。它收集的数据可以与其它传感器信息融合,通过算法分析,为设备提供更加精细的操作指导,甚至实现自主钻进功能。此外,这些数据的积累也为远程监控、故障预测及施工优化提供了宝贵依据,推动钻探行业向更加自动化、智能化的方向发展。        六、结语        综上所述,倾角传感器在旋转钻机中的应用,不仅是提高施工精度、保障作业安全的重要手段,也是优化施工流程、促进技术革新的关键要素。随着技术的不断进步和应用的深化,倾角传感器将继续在推动旋转钻机乃至整个土木工程行业智能化、高效化转型中发挥不可替代的作用。未来,我们期待看到更多创新技术与倾角传感器的融合应用,共同开启建筑施工领域的新篇章。
2024.05.09
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