Un sensor de hidrógeno es un detector de gas que detecta la presencia de hidrógeno . Contienen sensores de hidrógeno de contacto puntual microfabricados y se utilizan para localizar fugas de hidrógeno. Se consideran de bajo costo, compactos, duraderos y fáciles de mantener en comparación con los instrumentos de detección de gas convencionales. [1]
Cuestiones clave
Hay cinco problemas clave con los detectores de hidrógeno: [2]
- Fiabilidad : la funcionalidad debe ser fácilmente verificable.
- Rendimiento : detección de 0,5% de hidrógeno en el aire o mejor
- Tiempo de respuesta <1 segundo.
- Vida útil : al menos el tiempo entre el mantenimiento programado.
- Costo : el objetivo es de $ 5 por sensor y $ 30 por controlador.
Requerimientos adicionales
- Cobertura del rango de medición de concentración de 0,1 a 10% [3]
- Funcionamiento a temperaturas de −30 ° C a 80 ° C
- Precisión dentro del 5% de la escala completa
- Funciona en un entorno de gas de aire ambiente dentro de un rango de humedad relativa del 10 al 98%
- Resistencia a los hidrocarburos y otras interferencias.
- Vida útil superior a 10 años
Tipos de microsensores
Existen varios tipos de microsensores de hidrógeno, que utilizan diferentes mecanismos para detectar el gas. El paladio se usa en muchos de estos, porque absorbe selectivamente gas hidrógeno y forma el compuesto hidruro de paladio . [4] Los sensores basados en paladio tienen una fuerte dependencia de la temperatura, lo que hace que su tiempo de respuesta sea demasiado grande a temperaturas muy bajas. [5] Los sensores de paladio deben protegerse contra el monóxido de carbono , el dióxido de azufre y el sulfuro de hidrógeno .
Sensores de hidrógeno de fibra óptica
Se utilizan varios tipos de sensores de resonancia de plasmón de superficie de fibra óptica (SPR) para la detección de contacto puntual de hidrógeno:
- Rejilla de fibra Bragg recubierta con una capa de paladio - Detecta el hidrógeno por impedimento metálico.
- Microespejo: con una fina capa de paladio en el extremo hendido, detecta cambios en la luz reflejada.
- Fibra cónica recubierta de paladio: el hidrógeno cambia el índice de refracción del paladio y, en consecuencia, la cantidad de pérdidas en la onda evanescente .
Otros tipos
- Sensor de hidrógeno electroquímico: se pueden detectar niveles bajos (ppm) de gas hidrógeno usando sensores electroquímicos que comprenden una serie de electrodos empaquetados para estar rodeados por un electrolito conductor y la entrada de gas controlada con un capilar de difusión limitada.
- Sensor de hidrógeno MEMS: la combinación de nanotecnología y tecnología de sistemas microelectromecánicos (MEMS) permite la producción de un microsensor de hidrógeno que funciona correctamente a temperatura ambiente. Un tipo de sensor de hidrógeno basado en MEMS está recubierto con una película que consta de óxido de indio nanoestructurado (In 2 O 3 ) y óxido de estaño (SnO 2 ). [6] Una configuración típica de los sensores mecánicos de hidrógeno basados en Pd es el uso de un voladizo independiente que está recubierto con Pd. [7] [8] En presencia de H 2 , la capa de Pd se expande y por lo tanto induce una tensión que hace que el voladizo se doble. Recubiertas con Pd resonadores nanomecánicos también se han reportado en la literatura, basándose en el desplazamiento de la frecuencia de resonancia mecánica inducida por el estrés causado por la presencia de H 2 gas. En este caso, la velocidad de respuesta se mejoró mediante el uso de una capa muy fina de Pd (20 nm). El calentamiento moderado se presentó como una solución al deterioro de la respuesta observado en condiciones de humedad. [9]
- Sensor de película delgada: un sensor de película delgada de paladio se basa en una propiedad opuesta que depende de las estructuras a nanoescala dentro de la película delgada. En la película delgada, las partículas de paladio nanométricas se hinchan cuando se forma el hidruro y, en el proceso de expansión, algunas de ellas forman nuevas conexiones eléctricas con sus vecinas. La resistencia disminuye debido al mayor número de vías conductoras. [2] [10]
- Sensores de película gruesa: dispositivos que generalmente tienen dos componentes principales: 1) una capa gruesa (cientos de micrones) de algún material semiconductor (SnO 2 , In 2 O 3 ), llamado "matriz" y una capa superior de aditivos catalíticamente activos como metales nobles (Pd, [11] Pt [12] ) y óxidos metálicos (Co x O y [13] ) aceleran la reacción de oxidación del hidrógeno en la superficie, lo que hace que la respuesta del sensor sea mucho más rápida. El papel de la "matriz" es transducir la señal al sistema de medición. Los sensores de película gruesa son más estables que los sensores de película delgada en términos de deriva de la señal, pero generalmente muestran una respuesta del sensor más lenta debido a las limitaciones de difusión en una capa gruesa. La tecnología de sensores de película gruesa está siendo sustituida por enfoques de película delgada debido a la creciente necesidad de integración de sensores en los sistemas electrónicos modernos. Los sensores de película gruesa requieren temperaturas más altas para su funcionamiento y, por lo tanto, parecen ser poco compatibles con los sistemas electrónicos digitales.
- Sensores de hidrógeno quimiocrómico: los sensores de hidrógeno quimiocrómico reversibles e irreversibles incluyen una pintura de pigmento inteligente que identifica visualmente las fugas de hidrógeno mediante un cambio de color. El sensor también está disponible como cinta. [14] Se han desarrollado otros métodos para analizar la producción biológica de hidrógeno. [15]
- Sensor Schottky basado en diodos: un sensor de gas hidrógeno basado en diodos Schottky emplea una compuerta de aleación de paladio . El hidrógeno se puede absorber selectivamente en la puerta, reduciendo la barrera de energía de Schottky . [16] Un Pd / InGaP de metal-semiconductor (MS) Schottky diodo puede detectar una concentración de 15 partes por millón (ppm) H 2 en el aire. [17] Se utilizan semiconductores de carburo de silicio o sustratos de silicio .
- La - Mg2 - Ni metálico , que es conductor eléctrico , absorbe hidrógeno cerca de las condiciones ambientales, formando el hidruro no metálico LaMg2NiH7 como aislante . [18]
Los sensores generalmente se calibran en la fábrica de fabricación y son válidos durante la vida útil de la unidad.
Mejora
El siloxano mejora la sensibilidad y el tiempo de reacción de los sensores de hidrógeno. [4] Se puede lograr la detección de niveles de hidrógeno tan bajos como 25 ppm; muy por debajo del límite explosivo inferior del hidrógeno de alrededor de 40.000 ppm.
Ver también
- Analizador de hidrogeno
- Prueba de fugas de hidrógeno
- Seguridad del hidrógeno
- Catarómetro
- Lista de sensores
- Fibra óptica
- Sensor de nanovarillas de óxido de zinc
Referencias
- ^ Qu, Xi Dong (2005). "Matriz de sensores de condensador MOS para medición de gas de hidrógeno" (PDF) . Universidad Simon Fraser . Archivado desde el original (PDF) el 6 de julio de 2011 . Consultado el 21 de octubre de 2008 .
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- ^ "Estado aislante inducido por hidrogenación en el compuesto intermetálico LaMg2Ni" . biomedexperts.com . Archivado desde el original el 13 de febrero de 2012 . Consultado el 18 de abril de 2018 .
enlaces externos
- Detección y detección de hidrógeno
- ISO TC 197 WG13
- Microsensor integrado de nanopartículas [ enlace muerto permanente ]
- Rejillas de fibra para detección de hidrógeno [ enlace muerto permanente ]
- Sensor de hidrógeno de amplio rango
- Sensor de fibra óptica tipo Bragg
- Hoja de sensor de la UE
- Historia de éxito de EERE H2scan
- 2010-NCKU-Sensor de hidrógeno tipo transistor semiconductor
- Laboratorio Nacional de Argonne (película fina)
- Roads2HyCom