Оптимизация срока службы датчиков давления, контактирующих с водородом

Атомы водорода чрезвычайно малы и благодаря этому свойству могут проникать даже в твердые материалы, это свойство известно как проницаемость. Из-за этого процесса со временем выходят из строя датчики давления. Однако срок их службы можно оптимизировать.

В пьезорезистивных преобразователях давления сенсорный чип находится в жидкости, обычно в масле. Этот участок в свою очередь окружен очень тонкой стальной мембраной толщиной от 15 до 50 мкм. Из-за крошечного атомного размера водорода газ может диффундировать через кристаллическую решетку металлов (см. рисунок). Со временем проникающий газ приводит к недопустимому смещению нуля в возникающем сигнале и изгибу стальной мембраны наружу. Датчик давления, таким образом, становится непригодным для использования.

Обзор свойств водорода

Датчики давления вступают в контакт с водородом во многих сферах применения, будь то мониторинг резервуаров с водородом, подводные лодки или машиностроение. В последнем случае водород все чаще используется при разработке альтернативных систем привода. Многие производители в течение нескольких лет разрабатывают модели, включающие топливные элементы, а кое-где в общественном транспорте уже работают водородные автобусы. Преимущество такого вида транспорта в том, что в качестве исходных материалов требуются только водород и кислород. В результате химической реакции вырабатывается энергия в форме электричества, при этом выхлопные газы вообще не образуются (продукт сгорания — водяной пар). Кроме того, водород, в отличие от ископаемого топлива, доступен в неисчерпаемых количествах. Разработка движется вперед, и уже есть модели, которые потребляют всего 3 л водорода на 100 км, возможно преодоление расстояний до 700 км с одной заправкой бака.

В этой отрасли необходимы высокопроизводительные высокоточные датчики давления, которые контролируют водородные баки транспортных средств. В частности, необходимо контролировать давление и температуру внутри водородного бака. Здесь может возникнуть давление до 700 бар, и работать придется в широком температурном диапазоне. И, конечно, используемые датчики давления должны функционировать в течение длительного периода времени с требуемой точностью. Чтобы оптимизировать срок службы датчиков в водородных системах, нужно учитывать несколько факторов:

• Диапазон давления: поток газа через мембрану датчика пропорционален квадратному корню из давления газа. Уменьшенное в 10 раз давление увеличивает срок службы датчика примерно в 3 раза.
• Температура: поток газа через мембрану датчика увеличивается при более высоких температурах и зависит от константы материала.
• Толщина мембраны: поток газа обратно пропорционален толщине мембраны. Использование мембраны толщиной 100 мкм вместо 50 мкм удваивает срок службы датчика.
• Площадь мембраны: поток газа прямо пропорционален площади поверхности мембраны (квадрат диаметра мембраны). С диаметром 13 мм вместо мембраны диаметром 18,5 мм срок службы датчика удваивается.
• Внутри водородных баков транспортных средств могут возникать высокие давления и значительные колебания температуры, и не только они сказываются на сроке службы датчиков. Отчасти продлить жизнь устройству можно за счет толщины и площади мембраны. Но данная защита не оптимальна.

Золотое покрытие: самое эффективное решение

Проницаемость золота в 10000 раз ниже, чем у нержавеющей стали. Золотое покрытие (от 0,1 до 1 мкм) стальной мембраны 50 мкм предотвратит проникновение водорода значительно более эффективно, чем удвоение толщины мембраны до 100 мкм. В первом сценарии время накопления критического объема газообразного водорода внутри датчика давления может быть увеличено в 10-100 раз, тогда как во втором случае — только в 2 раза. Необходимым условием является герметичная сварка и покрытие без дефектов.

Рисунок 1: Пример датчика давления с золотым покрытием

Производитель STS использует покрытые золотом мембраны из нержавеющей стали как стандарт для водородных применений.