氢气分析仪和氢气传感器工作原理有哪些？

氢气分析仪和氢气传感器工作原理和应用

氢气是氢元素形成的一种单质，化学式H2，分子量为2.01588。常温常压下，氢气是一种无色、无味、无臭、无毒、极易燃烧且难溶于水的气体。氢气的密度为0.089g/L（101.325kpa,0°C），约为空气的1/14，是已知的密度zui小，热导率zui高的气体。 

2.1、催化珠传感器（催化燃烧原理）：催化珠有一个涂有催化剂的温度敏感元件（通常是铂线圈）。当可燃气体（如H2）到达珠粒并在催化剂上氧化时，会产生热量，从而改变珠粒的温度和电阻。测量通常是通过惠斯通电桥比较有源和无源磁珠信号。

缺点：消耗氧气（需要氧化环境），选择性差（其他可燃物会触发它），硅酮/硫中毒会降低性能。

2.2、热导原理（TCD，热导系数）氢气传感器：测量被加热元件周围气体的热导率变化。氢的热导率比大多数气体高得多，因此它的存在（和浓度）会改变热损失，从而改变元件的电阻/温度。氢气是已知的热导率zui高的气体，氦气次之。

缺点：如果背景气体成分变化，选择性低；通常需要温度、湿度补偿。

2.3、电化学氢气传感器（定电位电解法）：氢气通过膜扩散到电化学电池中，在电极上被氧化（或还原），产生与H2浓度成比例的电流。许多设计使用选择性膜和催化剂（例如Pt）。

2.4、金属氧化物半导体（MOS）传感器（化学电阻）：H2与加热的金属氧化物表面（如SnO2、WO3）相互作用，改变表面电荷/氧吸附状态，从而改变电阻。通常与Pt催化剂一起使用以提高氢气H2敏感性。

缺点：需要加热器电源，对其他还原气体的交叉敏感性，漂移和校准需求，受湿度影响。

缺点：成本更高、更复杂；游离H2具有弱红外特征（H2是同核的，具有弱红外跃迁），因此光学H2检测通常使用间接方法（例如，检测H2O形成、拉曼或使用特殊的UV/VUV线），或在特定光谱窗口中使用TDLAS检测H2（需要高性能光学器件）。

2.6 、MEMS钯合金电阻氢气传感器：钯吸收氢形成氢化钯（PdHx），引起晶格膨胀和电阻、功函数或光学性质的变化。这可用于薄膜电阻器、悬臂或SAW器件。

范围和灵敏度：对低浓度非常敏感。
优点：对H2的选择性高，结构紧凑，可以小型化（MEMS）。
缺点：滞后、低温下解吸较慢以及膨胀产生的机械应力可能会限制寿命。
2.7 气相色谱法（GC）：对于定量分析，GC使用色谱柱将氢气与其他气体分离；TCD或脉冲放电氦电离检测器（PDHID）等检测器精 确测量H2浓度。
范围和灵敏度：从ppm到%的非常精 确的定量分析；PDHID可以达到ppb-ppm。
优点：精度高，可分离混合气体。
缺点：体积大，相对于点传感器速度慢，需要耗材和维护。
3.选择氢气分析仪和氢气传感器考虑因数

• 检测范围：ppb/ppm至%或LEL（0-100%体积比）。
• 响应时间（T90）：秒到分钟，具体取决于传感器和扩散路径。
• 选择性：传感器对其他气体的忽略程度。
• 稳定性和漂移：需要重新校准和预期寿命。
• 操作条件：温度、湿度、压力和氧气依赖性。
• 功耗：对于便携式/电池系统很重要（MOS加热器耗电量大）。
• 安 全：危险区域的本质安 全设计。

4.氢气分析仪和氢气传感器常见应用

• 安 全/泄漏检测：在氢燃料站、实验室、燃料电池汽车、可再生能源和储存设施中，用于检测泄漏和防止爆炸（传感器通常设置为在1%H2或更低时报警，具体取决于分区和风险）。
• 过程控制：监测化学反应器、氢化过程、半导体制造（载体或还原气氛）中的H2。
• 燃料电池系统：监测氢气纯度，检测阳极尾气泄漏或烟囱泄漏。
• 氢气生产和储存：电解槽、炼油厂、氨合成和储存场所。
• 研究和实验室：用于测量浓度、同位素组成或痕量杂质的精密分析仪（GC、TDLAS、质谱）。
• 环境和工业排放监测：测量H2排放或背景大气H2，用于气候/大气研究。
• 工业安 全仪表：定点探测器、气体柜和便携式泄漏探测器。

• 用于简单的泄漏检测和爆炸安 全：用于成本敏感应用的催化珠或MOS；当需要对H2的选择性时，使用Pd基或TCD。
• 精 确定量分析：GC+TCD或PDHID，或TDLAS用于快速、选择性测量。
• 对于电池供电的便携式探测器：低功率电化学或基于钯的MEMS器件。
• 对于恶劣/中毒环境：光学方法或TCD更稳健。
• 用于复杂混合物中的痕量检测：GC或高性能光学传感器。

6. 氢气传感器/氢气分析仪实际应用和维护