CN102165310A - 带有空气入口的氢传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测液体中氢气的方法，其包括：提供测量装置，该装置包括氢检测腔和安装成与所述腔室接触的钯氢传感器；将氢可透过的薄膜放置在液体和氢传感器之间并形成顶端空间；有选择地向传感器的顶端空间提供空气，由此，使空气与所述钯传感器接触而使钯得到恢复，在钯传感器恢复之后，关闭通向传感器顶端空间的气流，使液体进入所述腔室内，允许氢通过薄膜达到平衡，以及读取氢的浓度。
Description
技术领域
本发明涉及液体中氢气的测量。具体来说，涉及油中氢气的测量。
背景技术
测量电气变压器的油中氢气是有意义的，因为油中氢气可表明变压器内过热和/或放电造成了油的击穿。变压器油冷却变压器并起作电介质作用。随着变压器油老化，油的电介质效果变得越来越差。变压器油中溶解的氢气量的增加是变压器即将失效的一种指示。
在诸如发电和动力船舶中使用的长期运行发动机的油中，也需要确定氢的浓度。为确定何时改换烹调油时，监视油中氢的水平也是有用的。监视氢动力发动机内油的氢含量也是有意义的。
对于大型变压器来说，设有氢气传感器，它们使用气体色谱法或光-声波谱法来确定变压器油内氢气量。如此的装置非常昂贵，对于较小的变压器，这样的花费被证明是不合理的。如果可提供低成本的方法来做此事，则就有许多较旧的、小型的变压器可得到监视。
通用电气公司(General Electric Company)制造的低成本气体监视器HydranTMM2已经投入使用。然而，该气体监视器仅检测可燃气体，然后使用一公式来估计气体、通常地为氢气有多少，以及其它气体有多少。
Tim Cargol在2005年圣安东尼奥举行的第四届Weidmann-ACTI技术年会上发表了文章“Overview of Online Oil Monitoring Technologies”(油的在线监视技术综述)，该文章提出了有关油气测量技术的讨论，包括氢的测量。
刊物“Gases and Technology”7月/8月，2006中的文章“PalladiumNanoparticle Hydrogen Sensor”第18-21页中公开了钯氢传感器。钯传感器还公开在美国专利公布中：Visel等人的US 2007/0125153、Pavlovsky的US2007/0068493、Ng等人的US 2004/0261500。
需要有一种确定油中氢气含量的低成本的方法，诸如变压器和长期运行的发动机内的油，诸如有机冷却液体的其它液体，例如，乙二醇，以及金属切削装置冷却中所使用的切削冷却剂液体。
发明内容
本发明涉及检测液体中氢气的方法，其包括：提供测量装置，该装置包括氢检测腔和安装成与所述腔室接触的钯氢传感器；将氢可透过的薄膜放置在液体和氢传感器之间；在传感器和薄膜之间形成顶端空间；有选择地向传感器的顶端空间提供空气，由此，使空气与所述钯传感器接触而使钯得到恢复，在钯传感器恢复之后，关闭通向传感器顶端空间的气流，使液体进入所述腔室内，允许氢通过薄膜达到平衡，以及从传感器中读取氢的浓度。
附图说明
图1是在连接到大型液体容器的测试容器内测量氢含量的设备的示意图。
图2-6是氢气测量装置的立体图。
图7-9是本发明氢测量装置的俯视图和侧视图，显示了剖切线A-A、B-B、C-C、D-D和E-E。
图10是图8剖切线A-A上的视图。
图11是图7剖切线B-B上的视图。
图12是图7剖切线C-C上的视图。
图13是图9剖切线D-D上的视图。
图14是图7剖切线E-E上的视图。
图15是图14剖切面的放大图，详细示出氢传感器。
图16、17和18是本发明另一实施例的视图，剖切线已在图中示出。
图19是图17剖切线A-A上的剖视图。
图20是图18剖切线B-B上的剖视图。
图21是图16剖切线C-C上的剖视图。
图22是图18剖切线D-D上的剖视图。
图23是图16剖切线E-E上的剖视图。
图24是氢测量腔室内涡流发生器的剖视图。
图25是本发明装置和方法的示意图，示出油和空气通过测量氢、水分和温度的装置的流动。
具体实施方式
本发明提供许多优于现有技术的装置和方法的优点。本发明比其它的氢检测装置体积小和成本低。该装置精确并可容易地翻新到现有的容器或发动机上。该装置提供非常精确的氢传感器以及保持氢传感器精度的***。该装置提供移动液体的方法，该方法在传感器上或其周围移动诸如油那样的液体，以获得精确的读数。该装置允许更换传感器，无需为油离开容器而提供开口。本发明的传感器利用众所周知且可购得的仪器控制器。上述和其它的优点将从以下描述中得以明白。
图1示出氢测量设备10。该设备包括氢传感器12、氢可透过的薄膜14、控制器16以及油测试容器18。在操作中，液体通常为油22从容器24进入测试容器18内。液体流动受泵26控制。油的流动还受以下阀控制：让油进入测试单元18内的阀28，以及让油从试样容器18流出并通过管道35返回容器24的阀32和34。油通常在隔绝容器18之前会流过薄膜14，以便从大容器22中获得装载在测试容器18内的有效的普通试样。薄膜14通常由诸如能够透过氢的PTFE织物的材料形成，允许氢和其它气体通过薄膜进入顶端空间17内，而不让油通过。氢传感器12安装在外壳15内，外壳15用螺纹44旋入到测试容器18的侧边42内。在测试流体内的氢含量之前，具有钯末端13的氢传感器12经受顶端空间17内的空气或其它含有氧的气体的流动，空气或其它含有氧的气体通过阀36进入而通过阀38流出。气体的流动实施足够长的时间以使钯13复原，并净化先前试样残留的任何氢，这样可进行精确的氢测试。在经过足够长时间后，通常在1和2分钟之间，钯获得新生，阀36和38关闭，围绕传感器12形成气密的气体顶端空间17。在传感器通过关闭阀38和36而被隔绝之后，使得气体顶端空间17达到平衡，氢的读数被传感器12获取，并用控制器16处理以给出油中氢含量。为达到平衡而可获取氢读数的时间，通常在2和6小时之间。尽管图1指明空气是通过测试容器的壁42内的管道43供应的，但空气入口也可设置在传感器12的外壳15内。在钯氢传感器12中，必须先通过阀36和出口阀38注入已知量的氢气和空气进入腔室17内以标定该传感器。
在图2、3、4、5和6中，示出根据本发明的测量装置50的立体图。该装置包括集管块49、油泵52和空气泵54。该装置50设置有油进和油出的孔56和58，相应地在图3中可见。图3和4中可见空气流出止回阀62。测量装置设置有塞头64，将钻有油通道的孔堵住。油位传感器66适于检测湿度检测隔间内的油位。泵52将在传感器66没有检测到油之后不久关闭。利用连接点68和69以及其它安装点(未示出)，将测量装置安装在板53上。
图7、8和9是本发明测量装置50的俯视图和两个侧视图。图7示出剖面线B-B、C-C和E-E。图8示出剖面线A-A。图9示出剖面线D-D。
图10示出如图8的截面A-A所示的测量装置。在图10中，图中示出氢检测腔室104和控制油从腔室流出的止回阀74。加热器76提供热量，以使测量装置在测量过程中保持稳定的温度，这样，不同时间测得的结果可比较，并可保证氢探测器的最佳功能。测量装置还具有湿度检测隔间78，该隔间设置有油关闭阀82和油位传感器84。
图11是图7剖面线B-B上的视图，该图示出油进入通道92和流出通道94。图中还示出用于油位传感器84的接线端66。
图12示出沿图7剖面线C-C截取的装置50的剖视图。湿度传感器隔间78显示有油位传感器66。图13是图9剖面线D-D上的视图，在图13中，示出带有湿度传感器88和油位探测器66的湿度检测腔室78。湿度探测器88探测变压器或其它装置(未示出)的油中存在的水分，湿度探测器88还含有用于温度控制和百分比湿度计算的温度传感器。
在由图7的剖面线B-B截取的图14中，示出了用于使氢传感器的钯复原的空气通道。空气通道102由阀96和98控制，其允许空气流入空气通道102内而与钯接触，使钯再生以便氢的精确测量。氢测量装置95与油氢检测腔室104相接触。标定注入端口93允许已知的含有氢的气体试样注入，而与氢传感器的钯接触，以便确定和标定传感器的精确操作，还允许抽出气体试样作外部分析。
图15是图14剖面的放大图，详细地示出氢传感器95。氢传感器95延伸到氢检测腔室104内。传感器95设置有密封环106和108，以使传感器与油和空气隔绝。传感器95设置有薄膜112，薄膜通常为特氟龙，其为微孔的，允许来自氢检测腔室104内的油中的氢通过，与传感器的钯114接触，而不允许油通过。氢传感器设置有电线115，使传感器连接到控制器(未示出)。
如图2-15中所示，在本发明的传感器操作中，空气泵54使空气通过空气入口96而从空气出口98流出。通过抽取油流过通道92，泵52使油循环，从诸如变压器(未示出)的源头通过通道92，然后通过进口阀82填充氢检测腔室104，使得油填充容器102并通过出口74连续地流出，以便返回到油源。通过关闭空气入口阀96和空气出口阀98，使来自泵54的气流中断。然后使钯传感器稳定约1分钟，然后空气的流动停止。在开始操作之前，停止流向入口96的气流，通过标定端口93注入氢测试气体。关闭出口98，然后确认氢传感器94达到平衡。然后，通过再次让空气持续通过钯传感器约1分钟，使氢传感器再生(复原)。停止气流，关闭空气入口阀96和空气出口阀98，关闭围绕传感器95的钯114的顶端空间腔室113。通过油阀74和82停止通过腔室102的油流动，于是腔室102被隔绝。允许经过一个足以使氢气通过薄膜112并在顶端空间113内达到平衡的时间段，该时间段通常约为4小时，然后由氢传感器95获取读数。应该指出的是，通常仅在运行几年之后才需要对传感器进行标定。本发明传感器***的优点在于，新鲜油定期地泵送到氢检测腔室104内，由此，与倘若邻近半透过的薄膜的油未通过从变压器或其它油源移动而得到复原的情形相比，提供了更加精确的读数。
从温度传感器和/或湿度传感器88得到的读数，可在氢测量时获取，或单独地获取。如果采样阀设置在测量装置上，则可执行通过采样阀的油的采样。如果氢测量从原先水平提高，则特别希望做进一步的测试。如上所述，在各次读数之前，将新鲜油试样泵送到腔室内。
含有钯的氢传感器和用于传感器的控制器都是行业内公知的。如此的传感器公开在如下的美国专利申请公布中：Visel等人的US 2007/0125153和Pavlovsky的US 2007/0240491，本文以参见方式引入。刊物“Gases andTechnology”7月/8月，2006中刊出了I.Pavlovsky所著的文章“PalladiumNanoparticle Hydrogen Sensor”，该文也含有关于氢传感器和它们使用的方法和装置的描述。本发明优选传感器中所用的钯毫微颗粒固有地对氢敏感，基于钯毫微颗粒网状物的传感器在存在有其它气体时不会产生错误报警。这使得传感器在用于本发明装置内时特别地理想，因为检测氢时，有可能存在其它的气体。其它的氢传感器和它们的控制器公开在如下的美国专利申请中：Pavlovsky的US 2007/0068493和Pavlovsky等人的US 2007/0240491，本文以参见方式引入。本发明氢传感器所需的用于小量空气和油的小型泵是众所周知的。通常这些泵是隔膜泵，它们特别适用于精确地处理少量的液体或气体。温度传感器和湿度传感器在行业内也可容易地获得。
本发明测量装置中所用的阀可以是任何合适的类型。它们可以是简单的止回阀或电磁阀。业已发现，首选地是用电磁阀，尤其是在气流中，因为止回阀不会对测量足够地密封住氢气。
油位传感器66是安全装置，如果传感器在泵运转的几秒钟内没有检测出油，则安全装置确保泵关闭，从而避免泵损坏。测量装置内的加热器通常将温度保持在约80℃，因为这可使氢传感器最佳地操作，并使油中溶解的气体得到更快预见的计算。在测量装置50内最好有两个加热器，显示一个刚好位于氢测量腔室下方的加热器76，第二个加热器未示出，其平行于入口油通道92和出口油通道94。使用湿度传感器来确定油中的水分，提供了变压器潜在问题的关键提示。结合了测量装置所提供的氢水平，这就特别地有用。测量装置为氢测量保持小的腔室。如果使用大量的油，则就会有这样的问题：过度迁徙到油内的氧会损害钯传感器的效率。由于该腔室非常小，其容积小于1毫升，所以只有非常少量的氧有可能迁徙。对于最快和最精确的测试，较佳的腔室大小在约0.5和1.0毫升之间。一般来说，氢含量读数可约4小时后获取。测量单元通常尽可能靠近油或其它液体容器安装，这样不会有长的管道添加到油体积。
图16-24示出本发明的优选实施例。该实施例不同于图1-15装置，不同之处至少在于，该装置含有电磁阀和在氢测量过程中用于油的腔室，，腔室包括在腔室中形成涡流的装置，以使进入腔室内的油与已经存在的油更好地混合，并扫掠腔室内的微渗透的部件。该装置的操作与图2-15的装置相同。图16、17和18是带有剖切线的装置的视图。该实施例的同样的零件标以与先前实施例的零件相同的附图标记。
在图16的视图中，油泵52和空气泵54均可见。图中还示出油采样鲁尔(1uer)91和空气采样鲁尔93。用于进入传感器的油的电磁阀144也在图中示出。图17示出氢传感器95和油位传感器88的位置。在图18中，加热器91和93显示为在空气过滤器171内。用于空气进入传感器内的电磁阀168和用于空气流出传感器的电磁阀166均显示在图18中。
图19是图17剖切线A-A上的剖视图，在图19中，示出了油泵52和空气泵54。此外，图中示出了入口和出口油电磁阀144和146，它们分别用于使油进入氢测量腔室94和用于水分和温度检测的腔室78内。漩涡发生构件显示为142。图20是图18剖切线B-B上的剖视图，在图20中，示出了空气鲁尔93、油试样鲁尔91和油位传感器66。在图19和21中，示出了油箱78和电磁阀144。油的进入通道显示为92。图22是图18剖切线D-D上的剖视图，在图22中，示出了油位传感器84以及温度和湿度传感器88。还示出了加热器76和77。图23是图16剖切线E-E上的剖视图，在图23中，示出了空气鲁尔93和氢检测装置94。还示出了加热器76和77。用于漩涡发生器的销是附图标记142。
在图24中，示出用于油腔室152的漩涡发生器142，在氢检测过程中，用于氢检测的油被保持在油腔室152内。可透过的薄膜94使油腔室148与氢检测腔室104分开。当油通过进入通道156进入腔室152时，油流过静止的漩涡发生器142的螺旋形槽158。因此，油朝向可透过的构件94，涡流除去了可能沉淀在可透过构件上的气泡或任何的碎片，由此清洁可透过的构件94以便更好地传送氢气。还确保油通过腔室的连续运动，没有低循环的滞留区域。漩涡发生器142具有如钻头那样的槽。业已发现较佳的槽布置结构是高流动的机加工钻头的结构。从腔室54流出的油流动通过油流出通道162而发生，受电磁阀(未示出)控制。
图25是特别用于图16-24实施例传感器的本发明方法和设备的示意图。如图所示，油流动从变压器的油供应开始，向上通过油泵，向下流入油过滤器进入油箱内。在油箱中，检测油的水分和温度。此外，可对油采样。油电磁阀控制着流出腔室和流入氢传感器的漩涡发生器内的油流动。油流动电磁阀2控制着流出氢传感器的油流动，以便返回到变压器。空气泵供应空气通过电磁阀3流入氢气检测区域，并通过空气电磁阀4流出，以净化氢传感器内的钯。通过氢传感器头部的空气通过空气电磁阀4流到大气中。在氢测量所需的大约4小时过程中，关闭空气和油电磁阀。
显然，本技术领域内的技术人员会明白，本发明可有各种变体。例如，不是利用空气来复原钯，而是可使用氧气。此外，大家知道可对进入氢传感器的空气提供空气过滤器。其它类型的传感器也可添加到测试容器，然而，该单元要是小的、成本低的和紧凑的，使得添加的零件不再是必要的。本发明的单元通常是小的不包括控制器单元，其体积度量小于100立方英寸。
Claims (28)
1.一种检测液体中氢气的方法，其包括：
提供测量装置，该装置包括氢检测腔室和安装成与所述腔室接触的钯氢传感器；将氢可透过的薄膜放置在液体和氢传感器之间并形成顶端空间；有选择地向传感器的顶端空间提供空气，由此，使空气与所述钯传感器接触而使钯得到恢复，在钯传感器恢复之后，关闭通向传感器顶端空间的气流，使液体进入所述腔室内，允许氢气通过薄膜达到平衡，以及读取氢的浓度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在氢测量之前将已知的氢气量送入薄膜和钯传感器之间的顶端空间内，以对氢传感器进行标定。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用电磁阀来使空气进入顶端空间内，以及从顶端空间除去空气和氢测试气体。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体包括变压器油。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供薄膜包括提供由四氟乙烯制成的薄膜。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量装置还提供位于测量装置上的湿度传感器，用来测量液体的水分含量。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括循环待要测试的液体，从较大的容器通过氢检测腔室和湿度检测隔间，然后将液体返回到较大的容器。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括提供带有延伸入液体内的湿度传感器的湿度检测隔间。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体包括油。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使液体进入腔室内是使用在薄膜上形成涡流的漩涡发生器。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在氢测量过程中，用电磁阀使液体流动停止。
12.测量液体中氢气的设备，包括：测量装置、安装在所述装置上的钯氢传感器、使所述氢传感器与形成顶端空间的氢检测腔室内液体分离的薄膜、将气体循环到所述氢传感器来复原钯的装置，以及关闭通向氢传感器的气体循环的装置。
13.如权利要求12所述的测量氢气的装置，其特征在于，还包括使含有氢的气体进入到所述薄膜和所述氢传感器之间的顶端空间内，以标定所述传感器。
14.如权利要求12所述的测量氢气的装置，其特征在于，所述测量装置还包括安装在湿度检测隔间内的湿度传感器。
15.如权利要求14所述的测量氢气的装置，其特征在于，还包括用于氢传感器的控制器。
16.如权利要求13所述的测量氢气的装置，其特征在于，还包括使空气进入所述顶端空间的隔膜泵、用于控制空气进入所述顶端空间内的止回阀或电磁阀、用于控制空气从所述顶端空间流出的止回阀或电磁阀。
17.如权利要求12所述的测量氢气的装置，其特征在于，所述测量装置设置有循环液体的装置，从较大的容器循环到与氢传感器接触，并将液体返回到较大的容器。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，使液体从较大的容器循环到与所述传感器接触的装置在薄膜上形成涡流的漩涡发生器。
19.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述测量装置还包括湿度检测隔间。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述湿度检测隔间设置有湿度传感器和温度传感器。
21.传感器，包括：钯氢传感器、与液体接触的薄膜、所述薄膜与所述传感器分离开以形成顶端空间、使气体在顶端空间内循环的装置，以及移动液体与薄膜接触然后密封与氢传感器接触的已知液体量的装置。
22.如权利要求21所述的传感器，其特征在于，还包括用于气体循环的泵和移动液体通过所述检测腔室的泵。
23.如权利要求21所述的传感器，其特征在于，还包括关闭流向所述传感器的气流的电磁阀。
24.如权利要求21所述的传感器，其特征在于，所述薄膜包括气体可透过的四氟乙烯。
25.如权利要求21所述的传感器，其特征在于，还包括用于钯传感器的微控制器。
26.如权利要求25所述的传感器，其特征在于，所述测量装置还包括至少一个加热器。
27.如权利要求21所述的传感器，其特征在于，移动液体与所述薄膜接触的装置包括漩涡发生器。
28.如权利要求21所述的传感器，其特征在于，密封与氢传感器接触的液体的装置包括电磁阀。
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