في الإنتاج الصناعي، يستخدم الهيدروجين على نطاق واسع كمصدر للطاقة النظيفة وكمادة خام صناعية حيوية. ومع ذلك، يمتلك الهيدروجين طاقة اشتعال منخفضة للغاية ونطاق انفجاري واسع؛ في حالة حدوث تسرب وتراكمه في مكان -محصور أو شبه محصور، يمكن أن يؤدي بسهولة إلى نشوب حرائق أو حتى انفجارات، مما يشكل تهديدًا خطيرًا لسلامة الأفراد والمعدات. في البيئات التي قد يحدث فيها تسرب للهيدروجين-مثل محطات توليد الهيدروجين، وغرف البطاريات، وورش تصنيع أشباه الموصلات-تعد المراقبة الدقيقة وفي الوقت المناسب أحد إجراءات السلامة المهمة.
يستخدم كشف تسرب الهيدروجين في البطارية في المقام الأول نوعين من أجهزة الكشف: أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية وأجهزة استشعار الاحتراق الحفاز. يعتمد الاختيار المحدد على سيناريو التطبيق ودقة الكشف المطلوبة ومواصفات السلامة.
I. أنواع وخصائص أجهزة الاستشعار السائدة
(1). أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية
يعد هذا هو الاختيار السائد حاليًا لأنظمة المراقبة الثابتة في غرف البطاريات (خاصة بطاريات الرصاص-الحمضية والنيكل-الكادميوم).
مبدأ العمل: يخضع الهيدروجين لتفاعل كهروكيميائي (اختزال الأكسدة) على سطح القطب الكهربائي العامل، مما يؤدي إلى توليد تيار - صغير؛ حجم هذا التيار يتناسب طرديا مع تركيز الهيدروجين.
حساسية وانتقائية عالية: انتقائية للغاية للهيدروجين، وتجنب التداخل مع الغازات الأخرى بشكل فعال؛ المصممة خصيصا للكشف عن تسرب الهيدروجين.
مناسب لمراقبة التركيزات المنخفضة-: حساس للغاية لتتبع التسربات (مستوى جزء في المليون)، مما يتيح الإنذار المبكر. على سبيل المثال، يمكن لأجهزة استشعار درجة التعدين- إطلاق الإنذارات وإجراءات السلامة المرتبطة عندما يصل تركيز الهيدروجين إلى 0.5%.
آمن جوهريًا: مناسب للاستخدام في البيئات ذات المتطلبات الصارمة لمقاومة الانفجارات-.
سيناريوهات التطبيق: يُستخدم على نطاق واسع في المواقع الثابتة التي تتطلب مراقبة طويلة-ومستمرة ودقيقة لتركيزات الهيدروجين المنخفضة، مثل غرف البطاريات وغرف الشحن تحت الأرض في المناجم.
(2). مجسات الاحتراق الحفاز
يُستخدم عادةً للكشف عن قابلية اشتعال الهيدروجين ومراقبة التركيزات ضمن نطاق الحد الأدنى للانفجار (LEL).
مبدأ العمل: يحترق الهيدروجين على سطح العنصر الحفاز، مما يسبب تغيرات في درجة حرارة العنصر ومقاومته الكهربائية؛ يتم تحديد التركيز عن طريق قياس هذا التغير في المقاومة.
سرعة الاستجابة السريعة: يتفاعل بسرعة مع التغيرات في تركيز الغاز القابل للاحتراق.
خطية إشارة جيدة: توفر خطية إشارة ممتازة ضمن نطاق تركيز LEL. سيناريو التطبيق: يستخدم في المقام الأول لرصد ما إذا كانت تركيزات الهيدروجين قد وصلت إلى مستويات تشكل خطر الانفجار؛ يتم نشرها بشكل شائع في-مناطق جيدة التهوية حيث تكون الاستجابة السريعة أمرًا بالغ الأهمية.
2. تقنيات الاستشعار الأخرى وسيناريوهات التطبيق
أجهزة استشعار أشباه الموصلات: تعمل على مبدأ أن المقاومة الكهربائية للمواد شبه الموصلة لأكسيد المعدن- تتغير عند ملامستها للهيدروجين. تعتبر هذه المستشعرات فعالة من حيث التكلفة-وحساسة للهيدروجين ولكنها عرضة للتداخل من الغازات المختزلة الأخرى أو التقلبات البيئية. إنها تتطلب استقرارًا عاليًا نسبيًا وتستخدم عادةً في التطبيقات التي لا تكون فيها الدقة القصوى هي المتطلب الأساسي.
حساسات التوصيل الحراري: بناءً على الفارق الكبير في التوصيل الحراري بين الهيدروجين والغازات الأخرى (الهواء عادة). مع تغير تركيز الهيدروجين، يختلف معدل تبديد الحرارة من عنصر الاستشعار بالمستشعر، مما يسمح بقياس التركيز. توفر هذه المستشعرات عمر خدمة طويل، واستقرار جيد، ومقاومة لتسمم المستشعر؛ ومع ذلك، فهي تستخدم عمومًا لقياس تركيزات الهيدروجين العالية (المستويات المئوية) وتفتقر إلى الحساسية الكافية لاكتشاف التسربات ذات المستوى المنخفض-.
أجهزة استشعار امتصاص الأشعة تحت الحمراء: تكتشف الهيدروجين بناءً على خصائص امتصاص ضوء الأشعة تحت الحمراء المحددة. فهي توفر مزايا مثل التشغيل غير-الاستهلاكي، والعمر الطويل، والاستقرار العالي، ومقاومة التداخل القوية؛ ومع ذلك، تواجه التكنولوجيا التقليدية تحديات تتعلق بضعف إشارات امتصاص الهيدروجين وارتفاع تكاليفها. تمثل هذه التقنية اتجاهًا واعدًا لتطبيقات المراقبة المستقرة-المتطورة وطويلة الأمد-المستقبلية.
3. توصيات الاختيار وتكامل النظام
بالنسبة للمراقبة الثابتة والمستمرة للمنطقة في غرف البطاريات-حيث يكون الهدف الأساسي هو الإنذار المبكر بحدوث تسربات دقيقة-يجب أن تكون أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية هي الخيار المفضل. تستخدم أجهزة مراقبة منطقة الهيدروجين المصممة خصيصًا لغرف البطاريات في السوق هذه التقنية في الغالب.
إذا كان الهدف الأساسي هو السلامة من الانفجارات-على وجه التحديد مراقبة ما إذا كانت التركيزات تقترب من الحد الأدنى للانفجار (LEL) البالغ 4%-، فيمكن تحديد مستشعرات الاحتراق التحفيزي.
تكامل النظام: لا يشتمل النظام الاحترافي للكشف عن الهيدروجين على أجهزة كشف فحسب، بل يشتمل أيضًا على وحدات تحكم ووحدات إنذار. وينبغي أن تكون قادرة على التفاعل مع معدات السلامة مثل مراوح العادم وصمامات الملف اللولبي لتشكيل نظام دفاع نشط شامل. يمكن دمج الكاشفات مع أنظمة التحكم الموجودة عبر المخرجات التناظرية (4-20 مللي أمبير) أو الناقلات الرقمية (على سبيل المثال، RS485).
بالنسبة للمواقع الثابتة التي تتطلب الإنذار المبكر والمراقبة المستمرة لتسرب الهيدروجين من البطاريات،كاشف غاز الهيدروجين لغرفة البطاريةويوصى على أساس المبادئ الكهروكيميائية. بالنسبة للتطبيقات التي تعطي الأولوية للاستجابة السريعة لمخاطر الانفجار، يمكن النظر في أجهزة استشعار الاحتراق الحفاز. عند اختيار نموذج، من الضروري النظر بشكل شامل في نطاق القياس والحساسية والقدرة على التكيف البيئي وعمر الخدمة والتكلفة.