CN102967627A - 催化式氢气传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种催化式氢气传感器，属于易燃易爆气体浓度测量技术领域。所述传感器包括：催化反应器（1）、防爆器（2）、防护外筒（3）、第一热敏感元件（4）、第一卡套（5）、第二卡套（6）、上花板（7）、定位杆（8）、安装杆（9）、第二热敏感元件（10）、防护保护过滤层（11）、托板（12）和下花板（13）。所述传感器能够使氢气和氧气在常温下发生催化化合反应，无需外部供电，降低了能耗，且使用过程稳定和安全。

Description

催化式氢气传感器

技术领域

本发明涉及一种催化式氢气传感器，属于易燃易爆气体浓度测量技术领域。 

背景技术

核电厂事故工况下会产生大量氢气，氢气的来源：1）事故早期，锆-水反应高速率地产生氢气。2）事故中后期，水的辐照分解、堆芯融溶物和混凝土的反应，也会产生大量氢气。大量氢气的聚集使安全壳内氢气浓度有超过爆炸限4%的可能，存在爆炸的危险。为避免氢爆燃事故发生，破坏安全壳完整性，需要构建氢气测量系统对安全壳不同位置的氢气聚集状态进行监测，在事故发生后实施有效地干预。 

在事故工况下，反应堆放出大量的热量，安全壳内温度的升高伴随着压力的升高。如二代和二代加核电厂事故后温度可达150度，压力可达6bar。安全壳内的气体组成是以空气与水蒸气为主，含有氢气及其他气体的高温高压混合性气体。 

由于事故工况下安全壳内气体呈现高温、高压、高放射性的特点，因此对于氢气浓度的测量增加了很大的难度。 

对于安全壳氢气浓度，常见的测量方式是将少量的安全壳内气体作为样品气抽出经传输管道送到安全壳外，在安全壳外经过气体预处理后由氢气传感器测量气体中的氢气浓度，测量过程包括：气体预处理、气体浓度分析都在安全壳外完成。这种方式国内外都有应用先例。这种方式由于存在对放射性气体的管路传输，存在响应滞后、存在潜在的放射性泄露风险的缺点。同时由于测量管路的限制，一般布置为单点测量。气体在传输过程状态发生变化，测量结果的准确性受到影响。由于气体预处理和气体传输管路的存在，系统较复杂，耗能设备多、功耗大。 

由于抽出式测量系统的上述缺点，特别是日本福岛核事故发生后，研制直接布置在安全壳内测量的氢气传感器受到广泛关注。直接测量系统组成简单，这种方式是传感器在安全壳内直接测量，输出一次测量电信号，快速反应氢气 变化，避免滞后。系统只存在电信号的传输，没有气体抽送到安全壳外，便于在安全壳内不同位置安装多个氢气传感器组成多点连续监测系统。通过传输电缆将传感器一次测量信号输出到安全壳外，在安全壳外对测量信号进行变送、处理和显示。目前已应用于核电厂的安全壳壳内监测系统是德国Siemens公司采用热催化原理的WS-85氢气探测系统。WS-85采用的氢气敏感探头由涂有催化剂的铂电极和参比电极组成，通过对探头内铂电极持续通电，保证在接触到氢气和氧气的混合物时，在铂电极表面发生高效的催化化合反应，反应热导致铂电极电阻变化，电阻变化值是氢气存在的特征信号。这一信号被送到惠斯通电桥上完成氢气浓度的分析。 

该系统的缺点是：涂有催化剂的氢气敏感探头与氢气的接触面积小，导致催化复合效率较低，为保持较高的催化复合效率，对催化电极需要持续采用外部供电进行加热，能耗大；且氢气浓度较高时供电或加热过程会形成爆炸性气体的点火或爆炸源，使用具有不稳定和不安全性。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种催化式氢气传感器，所述传感器中催化反应器的反应空间较大，所装催化剂与核电厂安全壳内的气体接触面积较大，能够使氢气和氧气在常温下发生催化化合反应，无需外部供电，降低了能耗，且能够避免氢气浓度较高时由于供电或加热过程导致的燃烧和爆炸，确保所述传感器在使用过程中稳定和安全。 

本发明的目的由以下技术方案实现： 

一种催化式氢气传感器，所述传感器包括：催化反应器、防爆器、防护外筒、第一热敏感元件、第一卡套、第二卡套、上花板、定位杆、安装杆、第二热敏感元件、防护保护过滤层、托板和下花板； 

其中，催化反应器是一端开口的圆筒结构，开口端带有外螺纹；防爆器为一端开口的圆筒结构，开口端带有内螺纹，开口内径与催化反应器开口端外径相配合，筒体内径大于催化反应器的外径；防护保护过滤层为一端开口的圆筒结构，开口端内径与防爆器开口端外径相配合，防护保护过滤层侧壁为由内层侧壁和外层侧壁构成的中间有空隙的双层结构，内层侧壁的内径大于防爆器的外径；托板为圆形板，直径大于防护保护过滤层外层侧壁的外径；防护外筒为 两端开口的圆筒结构；上花板的直径与防护外筒的外径相同，下花板的直径与防护外筒的内径相同，上花板和下花板上有均匀分布的通孔，用于气体扩散； 

所述传感器中各组件的连接关系如下： 

上花板位于防护外筒上方，上花板底面与防护外筒筒壁顶端固连，下花板位于防护外筒底部内侧，并与防护外筒筒壁内侧固连； 

催化反应器装入防爆器内部，催化反应器开口端与防爆器开口端均朝上、且通过螺纹连接，催化反应器底部与防爆器底部留有间隙；防护保护过滤层套装在防爆器外部，且开口端朝上，防护保护过滤层顶部与防暴器顶部固连，防护保护过滤层底部位于防爆器底部下方，并与防爆器底部固连，防护保护过滤层内层侧壁与防爆器的侧壁之间留有空隙；催化反应器、防爆器、防护保护过滤层构成氢气敏感组件；托板位于氢气敏感组件下方，与防护保护过滤层底部固连；氢气敏感组件通过安装杆固定于防护外筒内，安装杆有3个，其顶端与上花板固连，底端与托板固连，3个安装杆均匀分布于氢气敏感组件的外侧； 

第一热敏感元件穿过上花板伸入防护外筒内，底端与防护外筒底部之间留有空隙，上端位于防护外筒外部，并通过第一卡套与上花板固连； 

定位杆上端与上花板固连，下端与催化反应器开口中心相对，第二热敏感元件穿过上花板伸入防护外筒内，并通过定位杆定位，下端伸入催化反应器内，并与催化反应器底部之间留有空隙，上端位于防护外筒外部，并通过第二卡套与上花板固连； 

所述传感器还可包括3个耳式支座、3个立式焊接支撑和防淋罩，其中，3个耳式支座一端分别与防护外筒固连，另一端分别与立式焊接支撑固连，构成3组支撑结构，均匀分布于所述防护外筒的外侧；防淋罩直径大于上花板直径，并与防护外筒固连。 

催化反应器外径为10～50mm，厚度为0.5～2mm，高度为40～90mm；催化反应器开口内径为1～8mm； 

防爆器外径为15～60mm，厚度为0.5～2mm，高度为50～100mm； 

防护保护过滤层高度为80～120mm，外层侧壁外径为60～100mm，外层侧壁、内层侧壁及外层侧壁和内层侧壁中间空隙的总厚度为5～20mm，外层侧壁和内层侧壁中间空隙为3～8mm； 

防护外筒外径为160～200mm，厚度为2～5mm；高度为300～500mm； 

上花板直径为160～200mm，厚度为3～6mm，其中均匀分布的通孔直径为4～8mm； 

下花板直径为160～190mm，厚度为2～5mm，其中均匀分布的通孔直径为4～8mm； 

第一热敏感元件为热电偶或铂电阻类测温元件，其直径为2～6mm，伸入防护外筒中的深度为260～320mm； 

第二敏感元件为热电偶或铂电阻类测温元件，其直径为2～6mm，伸入防护外筒中的深度为160～200mm； 

定位杆外径为6～8mm，厚度为1～2mm，长度为110～130mm； 

安装杆直径为4～8mm，长度为250～280mm； 

托板直径为100～150mm，厚度为3～8mm； 

催化反应器中装有催化剂，所述催化剂为能够使氢气和氧气在常温下发生反应的催化剂；防护保护过滤层内层侧壁和外层侧壁之间装有填料，所述填料为球状Al₂O₃、球状SiO₂或球状Al₂O₃和球状SiO₂的混合物； 

所述传感器中除第一热敏感元件和第二热敏感元件外，所有部件的材料均为不锈钢，其中，催化反应器和防爆器采用不锈钢丝网，防护保护过滤层采用30～100目的不锈钢丝网；第一热敏感元件和第二热敏感元件采用不锈钢外壳。 

工作原理 

当含有氢气的爆炸性混合气体出现时，催化反应器开始启动运行，氢气和氧气发生化合反应，放出热量，使得催化反应器温度升高，这时第二热敏感元件会测量出催化反应器的温度，第一热敏感元件用于测量核电厂安全壳内的环境温度，通过这两个温度之间的差值得到催化反应的温升值，进一步可以计算出氢气的体积浓度。 

有益效果 

（1）本发明所述传感器中设有装有催化剂的催化反应器，催化反应器的体积比现有氢气传感器的探头体积大，所装催化剂与氢气的接触面积也较大，能够与核电厂安全壳内的气体充分接触，并在常温条件下就能发生催化化合反应能够实现常温启动，无需外部供电，降低了能耗，这样能够避免氢气浓度较高时由于供电或加热过程导致的燃烧和爆炸，确保所述传感器在使用过程中稳定和安全。 

（2）本发明所述传感器中防爆器位于防护保护过滤层的内部，可以降低催化反应器的反应热，使得环境温度与催化反应温度之和小于600℃，实际控制在550℃上下，远离氢气的点火爆炸温度600℃，能够保证使用过程中不会对周围高浓度氢气点火，引发爆炸，安全性高。 

（3）本发明所述防护保护过滤层对气溶胶之类的污染物有防护作用，对气体扩散状态有保护作用，使气体流场变化对催化反应器不产生影响。 

（4）本发明所述的上花板和下花板均有通孔，这使得防护外筒与下花板、上花板组合在一起形成自然扩散环境，保护氢气敏感组件不受气体流场变化的影响。 

（5）本发明的传感器中除第一热敏感元件和第二热敏感元件外，所有部件均采用不锈钢材料，第一热敏感元件和第二热敏感元件采用不锈钢外壳，传感器在使用过程中不形成易燃、或易爆性气体混合物的点火或爆炸源，安全性好。 

（6）本发明所述传感器能够安装在核电厂安全壳内，能够快速准确地测量氢气的浓度，对氢气浓度进行实时监控，以便氢气浓度过高时及时采取有效防护措施，且能满足多点测量的需求。 

（7）本发明所述传感器中各个组件的尺寸均可调节，使得传感器的量程可调，因而可以适应不同氢气浓度的测量。 

（8）由于核电厂在事故工况下会有喷淋系统，本发明所述传感器中的防淋罩能够使传感器免于被喷淋，能够确保传感器的正常测量使用。 

附图说明

图1为本发明所述传感器的剖面图； 

图2为本发明所述传感器中下花板的俯视图； 

其中，1—催化反应器、2—防爆器、3—防护外筒、4—第一热敏感元件、5—第一卡套、6—第二卡套、7—上花板、8—定位杆、9—安装杆、10—第二热敏感元件、11-防护保护过滤层、12-托板、13-下花板、14-防淋罩、15-耳式支座、16-立式焊接支撑。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。 

实施例1 

如图1所示，一种催化式氢气传感器，所述传感器包括：催化反应器1、防爆器2、防护外筒3、第一热敏感元件4、第一卡套5、第二卡套6、上花板7、定位杆8、安装杆9、第二热敏感元件10、防护保护过滤层11、托板12和下花板13； 

其中，催化反应器1是一端开口的圆筒结构，开口端带有外螺纹；防爆器2为一端开口的圆筒结构，开口端带有内螺纹，开口内径与催化反应器1开口端外径相配合，筒体内径大于催化反应器1的外径；防护保护过滤层11为一端开口的圆筒结构，开口端内径与防爆器2开口端外径相配合，防护保护过滤层11侧壁为由内层侧壁和外层侧壁构成的中间有空隙的双层结构，内层侧壁的内径大于防爆器2的外径；托板12为圆形板，直径大于防护保护过滤层11外层侧壁的外径；防护外筒3为两端开口的圆筒结构；上花板7的直径与防护外筒3的外径相同，下花板13的直径与防护外筒3的内径相同，上花板7和下花板13上有均匀分布的通孔，用于气体扩散，如图2所示； 

所述传感器中各组件的连接关系如下： 

上花板7位于防护外筒3上方，上花板7底面与防护外筒3筒壁顶端焊接在一起，下花板13位于防护外筒3底部内侧，并与防护外筒3筒壁内侧焊接在一起； 

催化反应器1装入防爆器2内部，催化反应器1开口端与防爆器2开口端均朝上、且通过螺纹连接，催化反应器1底部与防爆器2底部留有间隙；防护保护过滤层11套装在防爆器2外部，且开口端朝上，防护保护过滤层11顶部与防暴器顶部焊接在一起，防护保护过滤层11底部位于防爆器2底部下方，并与防爆器2底部焊接在一起，防护保护过滤层11内层侧壁与防爆器2的侧壁之间留有空隙；催化反应器1、防爆器2、防护保护过滤层11构成氢气敏感组件；托板12位于氢气敏感组件下方，与防护保护过滤层11底部通过螺栓固定在一起；氢气敏感组件通过安装杆9固定于防护外筒3内，安装杆9有3个，其顶端与上花板7焊接在一起，底端与托板12通过螺栓固定在一起，3个安装杆9均匀分布于氢气敏感组件的外侧； 

第一热敏感元件4穿过上花板7伸入防护外筒3内，底端与防护外筒3底部之间留有空隙，上端位于防护外筒3外部，并通过第一卡套5与上花板7固连； 

定位杆8上端与上花板7焊接在一起，下端与催化反应器1开口中心相对，第二热敏感元件10穿过上花板7伸入防护外筒3内，并通过定位杆8定位，下端伸入催化反应器1内，并与催化反应器1底部之间留有空隙，上端位于防护外筒3外部，并通过第二卡套6与上花板7固连； 

所述传感器还可包括3个耳式支座15、3个立式焊接支撑16和防淋罩14，其中，3个耳式支座15一端分别与防护外筒3焊接在一起，另一端分别与立式焊接支撑16通过螺栓连接在一起，构成3组支撑结构，均匀分布于所述防护外筒3的外侧；防淋罩14直径大于上花板7直径，并与防护外筒3焊接在一起。 

催化反应器1外径为10～50mm，厚度为0.5～2mm，高度为40～90mm；催化反应器1开口内径为1～8mm； 

防爆器2外径为15～60mm，厚度为0.5～2mm，高度为50～100mm； 

防护保护过滤层11高度为80～120mm，外层侧壁外径为60～100mm，外层侧壁、内层侧壁及外层侧壁和内层侧壁中间空隙的总厚度为5～20mm，外层侧壁和内层侧壁中间空隙为3～8mm； 

防护外筒3外径为160～200mm，厚度为2～5mm；高度为300～500mm； 

上花板7直径为160～200mm，厚度为3～6mm，其中均匀分布的通孔直径为4～8mm； 

下花板13直径为160～190mm，厚度为2～5mm，其中均匀分布的通孔直径为4～8mm； 

第一热敏感元件4为热电偶或铂电阻类测温元件，其直径为2～6mm，伸入防护外筒3中的深度为260～320mm，用于测量核电厂安全壳内的环境温度； 

第二敏感元件为热电偶或铂电阻类测温元件，其直径为2～6mm，伸入防护外筒3中的深度为160～200mm，用于测量氢氧化合反应的温度； 

定位杆8外径为6～8mm，厚度为1～2mm，长度为110～130mm； 

安装杆9直径为4～8mm，长度为250～280mm； 

托板12直径为100～150mm，厚度为3～8mm； 

催化反应器1中装有能够使氢气和氧气在常温下发生反应的催化剂；例如：所述催化剂为第一种催化剂或第二种催化剂，其中，第一种催化剂以Al₂O₃作为载体，Co、Au、Pt为活性成分，以催化剂的总质量为100%计，Co、Au、Pt的质量百分含量分别为6.4%、0.45%、0.35%；第二种催化剂以Al₂O₃作为载体， Pt、Pd、Rh为活性成分，以催化剂的总质量为100%计，Pt、Pd、Rh的质量百分比含量分别为0.3%、0.7%、0.3%；防护保护过滤层11内层侧壁和外层侧壁之间装有填料，所述填料为球状Al₂O₃、球状SiO₂或球状Al₂O₃和球状SiO₂的混合物，所述防护保护过滤层对气溶胶之类的污染物有防护作用，对气体扩散状态有保护作用，使气体流场变化对催化反应器不产生影响。 

所述传感器中除第一热敏感元件4和第二热敏感元件10外，所有部件的材料均为不锈钢，其中，催化反应器1和防爆器2采用不锈钢丝网，防护保护过滤层11采用30～100目的不锈钢丝网；第一热敏感元件4和第二热敏感元件10采用不锈钢外壳。 

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种催化式氢气传感器，其特征在于：所述传感器包括：催化反应器（1）、防爆器（2）、防护外筒（3）、第一热敏感元件（4）、第一卡套（5）、第二卡套（6）、上花板（7）、定位杆（8）、安装杆（9）、第二热敏感元件（10）、防护保护过滤层（11）、托板（12）和下花板（13）；

其中，催化反应器（1）是一端开口的圆筒结构，开口端带有外螺纹；防爆器（2）为一端开口的圆筒结构，开口端带有内螺纹，开口内径与催化反应器（1）开口端外径相配合，筒体内径大于催化反应器（1）的外径；防护保护过滤层（11）为一端开口的圆筒结构，开口端内径与防爆器（2）开口端外径相配合，防护保护过滤层（11）侧壁为由内层侧壁和外层侧壁构成的中间有空隙的双层结构，内层侧壁的内径大于防爆器（2）的外径；托板（12）为圆形板，直径大于防护保护过滤层（11）外层侧壁的外径；防护外筒（3）为两端开口的圆筒结构；上花板（7）的直径与防护外筒（3）的外径相同，下花板（13）的直径与防护外筒（3）的内径相同，上花板（7）和下花板（13）上有均匀分布的通孔；

所述传感器中各组件的连接关系如下：

上花板（7）位于防护外筒（3）上方，上花板（7）底面与防护外筒（3）筒壁顶端固连，下花板（13）位于防护外筒（3）底部内侧，并与防护外筒（3）筒壁内侧固连；

催化反应器（1）装入防爆器（2）内部，催化反应器（1）开口端与防爆器（2）开口端均朝上、且通过螺纹连接，催化反应器（1）底部与防爆器（2）底部留有间隙；防护保护过滤层（11）套装在防爆器（2）外部，且开口端朝上，防护保护过滤层（11）顶部与防暴器顶部固连，防护保护过滤层（11）底部位于防爆器（2）底部下方，并与防爆器（2）底部固连，防护保护过滤层（11）内层侧壁与防爆器（2）的侧壁之间留有空隙；催化反应器（1）、防爆器（2）、防护保护过滤层（11）构成氢气敏感组件；托板（12）位于氢气敏感组件下方，与防护保护过滤层（11）底部固连；氢气敏感组件通过安装杆（9）固定于防护外筒（3）内，安装杆（9）有3个，其顶端与上花板（7）固连，底端与托板（12）固连，3个安装杆（9）均匀分布于氢气敏感组件的外侧；

第一热敏感元件（4）穿过上花板（7）伸入防护外筒（3）内，底端与防护外筒（3）底部之间留有空隙，上端位于防护外筒（3）外部，并通过第一卡套（5）与上花板（7）固连；

定位杆（8）上端与上花板（7）固连，下端与催化反应器（1）开口中心相对，第二热敏感元件（10）穿过上花板（7）伸入防护外筒（3）内，并通过定位杆（8）定位，下端伸入催化反应器（1）内，并与催化反应器（1）底部之间留有空隙，上端位于防护外筒（3）外部，并通过第二卡套（6）与上花板（7）固连。

2.根据权利要求1所述的一种催化式氢气传感器，其特征在于：所述传感器还包括3个耳式支座（15）、3个立式焊接支撑（16）和防淋罩（14），其中，3个耳式支座（15）一端分别与防护外筒（3）固连，另一端分别与立式焊接支撑（16）固连，构成3组支撑结构，均匀分布于所述防护外筒（3）的外侧；防淋罩（14）直径大于上花板（7）直径，并与防护外筒（3）固连。

3.根据权利要求1所述的一种催化式氢气传感器，其特征在于：所述催化反应器（1）外径为10～50mm，厚度为0.5～2mm，高度为40～90mm；催化反应器（1）开口内径为1～8mm；

防爆器（2）外径为15～60mm，厚度为0.5～2mm，高度为50～100mm；

防护保护过滤层（11）高度为80～120mm，外层侧壁外径为60～100mm，外层侧壁、内层侧壁及外层侧壁和内层侧壁中间空隙的总厚度为5～20mm，外层侧壁和内层侧壁中间空隙为3～8mm。

4.根据权利要求1所述的一种催化式氢气传感器，其特征在于：所述防护外筒（3）外径为160～200mm，厚度为2～5mm；高度为300～500mm；

上花板（7）直径为160～200mm，厚度为3～6mm，其中均匀分布的通孔直径为4～8mm；

下花板（13）直径为160～190mm，厚度为2～5mm，其中均匀分布的通孔直径为4～8mm。

5.根据权利要求1所述的一种催化式氢气传感器，其特征在于：所述第一热敏感元件（4）为热电偶或铂电阻类测温元件，其直径为2～6mm，伸入防护外筒（3）中的深度为260～320mm；

第二敏感元件为热电偶或铂电阻类测温元件，其直径为2～6mm，伸入防护外筒（3）中的深度为160～200mm。

6.根据权利要求1所述的一种催化式氢气传感器，其特征在于：所述定位杆（8）外径为6～8mm，厚度为1～2mm，长度为110～130mm。

7.根据权利要求1所述的一种催化式氢气传感器，其特征在于：所述安装杆（9）直径为4～8mm，长度为250～280mm。

8.根据权利要求1所述的一种催化式氢气传感器，其特征在于：所述托板（12）直径为100～150mm，厚度为3～8mm。

9.根据权利要求1所述的一种催化式氢气传感器，其特征在于：所述催化反应器（1）中装有催化剂，所述催化剂为能够使氢气和氧气在常温下发生反应的催化剂；防护保护过滤层（11）内层侧壁和外层侧壁之间装有填料，所述填料为球状Al₂O₃、球状SiO₂或球状Al₂O₃和球状SiO₂的混合物。

10.根据权利要求1所述的一种催化式氢气传感器，其特征在于：所述传感器中除第一热敏感元件（4）和第二热敏感元件（10）外，所有部件的材料均为不锈钢，其中，催化反应器（1）和防爆器（2）采用不锈钢丝网，防护保护过滤层（11）采用30～100目的不锈钢丝网；第一热敏感元件（4）和第二热敏感元件（10）采用不锈钢外壳。

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