由于氢原子非常小,它可以在渗透过程中渗透固体材料。长时间的接触和渗透过程,使得压压力传感器性能和使用寿命降低。而这种情况是可以改善的。

压阻式压力变送器, 的芯片被包裹在液压油中油。该部件又由非常薄的15至50μm厚的钢膜包裹。由于氢原子尺寸极小,气体可以通过金属的晶格扩散(见图表)。 随着时间的推移,这种穿透性气体导致信号产生大于误差的零位偏移,钢膜向外弯曲。从而导致压力传感器损坏。

氢特性概述

Infographic: malachy120///AdobeStock

压力传感器在很多作业环境下与氢气接触,无论是监控氢气罐本身,或是潜艇和汽车行业。都十分常见。特别是在后一种情况下,氢气被越来越多地用于替代性驱动系统的开发。许多制造商已经致力合并燃料电池的模型开发好几年,一些城市已经选择了氢气车作为公共交通工具。其优点是不能被忽视的,因为只需要氢气和氧气作为源燃料。通过化学反应,产生电能,且完全不产生废气(燃烧产物是水蒸气)。此外,与化石燃料相反,氢气用之不竭。该技术发展已经很先进,现在的型号在100公里内只消耗3升氢气,而一次罐装的驾驶距离可达700公里。

因此,需要高性能、高精度的压力变送器来监控车辆的氢气罐和监视车辆的氢罐内的压力和温度。这里可能会产生高达700 bar的压力,但也应涵盖较大的温度范围。 当然,压力变送器必须长时间进行监测,并达到所需精度。 为了优化氢气作业环境下传感器的使用寿命,必须考虑几个影响因素:

  • 压力范围: 通过传感器膜的气体流量与气体压力的平方根成比例。 十倍以下的压力将传感器的使用寿命提高约3倍。
  • 温度: 通过传感器膜的气体流量在较高温度下增加,并取决于材料常数。
  • 膜片厚度: 气体流量与膜厚成反比。使用100μm而不是50μm厚的膜将传感器的使用寿命增加一倍。
  • 膜面积: 气体流量与膜表面积(膜直径的平方)成正比。 使用Ø13 mm而不是Ø18.5 mm膜,传感器的使用寿命加倍。

由于在车辆的氢罐内发生高压和剧烈的温度波动,传感器的寿命不能受这两个因素的影响。 膜厚度和膜面积的因素也只是有限的补救措施。 虽然这些因素可以改善寿命,但还不是最佳的。

黄金涂层(镀金):最有效的解决方案

黄金的渗透性比不锈钢的渗透性低10,000倍。 通过使用50μm的钢膜的金涂层(0.1〜1μm),与将膜厚度加倍至100μm相比,能够更有效地抑制氢渗透。 在第一种情况下,临界氢气体积积聚在压力传感器内部的时间可以增加10到100倍,而在第二个例子中,只有2倍。 其前提是无缝隙和优化焊接,以及大面积无缺陷的涂层。

Image 1:带镀金膜片的压力变送器的示例

由于一旦涉及到氢的渗透性,黄金具有这些优势,所以STS使用镀金不锈钢膜作为氢作业环境的变送器制造和生产标准。

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