Измерение концентрации водорода в потоке термокондуктометрическими датчиками

Аннотация

В современных тенденциях развития энергетики водород рассматривается в качестве перспективного энергоносителя. Однако, несмотря на его потенциал, существуют серьезные проблемы, связанные с безопасностью его использования, особенно в условиях утечек. Обоснована методика измерения концентрации водорода в потоке смеси водорода и воздуха с помощью сборки, состоящей из двух термокондуктометрических датчиков. Использование "открытого" датчика, находящегося вдоль потока, и "закрытого" проницаемой сеткой датчика в единой сборке позволило получить набор параметров для вычисления скорости потока смеси и концентрации водорода. Представлена конструкция измерительных сборок и приведены результаты градуировочных экспериментов в диапазоне значений абсолютного давления 0...5 атм, скорости потока 0...1,84 м/с и концентрации водорода 0...100 % (об.). Результаты экспериментов показывают, что, используя показания двух термокондуктометрических датчиков и датчика давления, можно однозначно получить значения скорости потока и концентрацию водорода в смеси с воздухом в месте расположения датчиков. Подобные сборки могут применяться как в лабораторных целях, так и для обнаружения утечек газовых смесей в аварийных случаях

Работа выполнена при поддержке РНФ (грант № 23-29-00267)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Бочарников В.М., Володин В.В., Голуб В.В. и др. Измерение концентрации водорода в потоке термокондуктометрическими датчиками. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2025, № 5 (122), с. 55--71. EDN: UIQXRE

Литература

[1] Тупоносов Ф.В., Артемов В.И., Яньков Г.Г. и др. Численный анализ эффективности смешения топливных газов в тройниковом соединении при изменениях диаметра боковой трубы и угла ее врезки. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 3 (114), с. 115--132. EDN: SEFVZP

[2] Колесниченко И.Н., Платонов И.А., Новикова Е.А. и др. Получение газовых смесей известного состава динамическими методами. Сорбционные и хроматографические процессы, 2017, т. 17, № 3, с. 378--387. DOI: https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2017.17/391

[3] Кулешов Ф.С., Головастов С.В., Бивол Г.Ю. Влияние пористой полиуретановой перегородки на гидравлические характеристики потока и на распространение фронта пламени в открытом канале. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2022, № 3 (102), с. 110--123. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2022-3-110-123

[4] Володин В.В., Голуб В.В., Ельянов А.Е. и др. Распространение водородно-воздушного пламени в канале с теплопоглощающим покрытием. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2022, № 5 (104), с. 31--44. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2022-5-31-44

[5] Buttner W.J., Post M.B., Burgess R., et al. An overview of hydrogen safety sensors and requirements. Int. J. Hydrog. Energy, 2011, vol. 36, iss. 3, pp. 2462--2470. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.04.176

[6] Li G., Du K., Wang X., et al. Pd nanoparticles decorated SnO₂ ultrathin nanosheets for highly sensitive H₂ sensor: experimental and theoretical studies. Int. J. Hydrog. Energy, 2024, vol. 50A, pp. 761--771. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.06.263

[7] Roland U., Hebestreit A., Taoussanis A., et al. Cost-effective selective hydrogen sensor based on the combination of catalytic spillover effect and impedance measurement. Int. J. Hydrog. Energy, 2023, vol. 48, iss. 96, pp. 37550--37562. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.12.302

[8] Zhang H., Zhu H., Su H., et al. High performance potentiometric hydrogen sensor based on ZnO porous cage sensing electrode. Int. J. Hydrog. Energy, 2024, vol. 54, pp. 1461--1468. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.11.260

[9] Motora K.G., Dileepkumar V.G., Wu C.-M., et al. Highly efficient and stable NiSe₂--rGO composite-based room temperature hydrogen gas sensor. Int. J. Hydrog. Energy, 2024, vol. 50A, pp. 1174--1183. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.10.018

[10] Kim S., Song Y., Ahn H.-J., et al. Ultrafast response/recovery and high sensitivity of a hydrogen gas sensor at room temperature based on electrochemically deposited Sb₂Te₃/polystyrene composite film. Int. J. Hydrog. Energy, 2024, vol. 50, part A, pp. 959--972. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.08.092

[11] Петренко Е.М., Семенова В.А. Электрохимический мультисенсорный экспресс-анализ алкалоидов в формате "электронный язык". Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2022, № 6 (105), с. 144--156. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2022-6-144-156

[12] Downes F., Taylor C.M. Theoretical investigation of a multi-channel optical fiber surface plasmon resonance hydrogen sensor. Opt. Commun., 2021, vol. 490, art. 126916. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optcom.2021.126916

[13] Конюхов А.И. Бездисперсионный оптический датчик газа с временным разделением опорного и измерительного сигналов. Приборы и техника эксперимента, 2023, № 2, c. 115--121. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032816223010184

[14] Алферов В.Н., Васильев Д.А. Акустический газоанализатор. Приборы и техника эксперимента, 2020, № 5, c. 148--152. EDN: AQPOFI. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032816220050080

[15] Wang W., Liu X., Mei S., et al. Development of a Pd/Cu nanowires coated SAW hydrogen gas sensor with fast response and recovery. Sens. Actuators B: Chem., 2019, vol. 287, pp. 157--164. DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.02.047

[16] Tasyurek L.B., Isik E., Isik I., et al. Enhancing the performance of TiO₂ nanotube-based hydrogen sensors through crystal structure and metal electrode. Int. J. Hydrog. Energy, 2024, vol. 54, pp. 678--690. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.08.202

[17] Vasiliev A., Shakhnovich I., Samotaev N., et al. Intellectual thermoconductometric unit based on aerosol printed ceramic MEMS sensor for the measurement of natural gas composition. Proceedings, 2018, vol. 2, iss. 13, art. 736. DOI: https://doi.org/10.3390/proceedings2130736

[18] Thermal mass flow sensor FS7. Application note. Switzerland, Ebnat-Kappel, IST, 2021.

[19] Sazhin O. Novel mass air flow meter for automobile industry based on thermal flow microsensor. I. Analytical model and microsensor. Flow Meas. Instrum., 2013, vol. 30, pp. 60--65. DOI: https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2013.01.006

[20] Tang Z., Yang Q., Yu Ch., et al. Measurement of gas-liquid flows with the combination of thermal sensors and conductance sensor. Flow Meas. Instrum., 2023, vol. 93, art. 102429. DOI: https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2023.102429