專利名稱：帶有空氣入口的氫傳感器的制作方法
帶有空氣入口的氫傳感器 技術領域
本發明涉及液體中氫氣的測量。具體來說，涉及油中氫氣的測量。
技術背景
測量電氣變壓器的油中氫氣是有意義的，因為油中氫氣可表明變壓器內過熱和/ 或放電造成了油的擊穿。變壓器油冷卻變壓器并起作電介質作用。隨著變壓器油老化，油的電介質效果變得越來越差。變壓器油中溶解的氫氣量的增加是變壓器即將失效的一種指示。
在諸如發電和動力船舶中使用的長期運行發動機的油中，也需要確定氫的濃度。 為確定何時改換烹調油時，監視油中氫的水平也是有用的。監視氫動力發動機內油的氫含量也是有意義的。
對于大型變壓器來說，設有氫氣傳感器，它們使用氣體色譜法或光-聲波譜法來確定變壓器油內氫氣量。如此的裝置非常昂貴，對于較小的變壓器，這樣的花費被證明是不合理的。如果可提供低成本的方法來做此事，則就有許多較舊的、小型的變壓器可得到監視。
通用電氣公司(General Electric Company)制造的低成本氣體監視器 Hydran M2已經投入使用。然而，該氣體監視器僅檢測可燃氣體，然后使用一公式來估計氣體、通常地為氫氣有多少，以及其它氣體有多少。
Tim Cargol在2005年圣安東尼奧舉行的第四屆Weidmann-ACTI技術年會上發表了文章“Overview of Online Oil Monitoring Technologies”(油的在線監視技術綜述)， 該文章提出了有關油氣測量技術的討論，包括氫的測量。
干Ij物"Gases and Technology，"月/8 月，2006 中的文章"PalladiumNanoparticle Hydrogen Sensor”第18-21頁中公開了鈀氫傳感器。鈀傳感器還公開在美國專利公布中=Visel 等人的 US 2007/0125153、Pavlovsky 的 US2007/0068493、Ng 等人的 US 2004/0261500。
需要有一種確定油中氫氣含量的低成本的方法，諸如變壓器和長期運行的發動機內的油，諸如有機冷卻液體的其它液體，例如，乙二醇，以及金屬切削裝置冷卻中所使用的切削冷卻劑液體。
發明內容
本發明涉及檢測液體中氫氣的方法，其包括提供測量裝置，該裝置包括氫檢測腔和安裝成與所述腔室接觸的鈀氫傳感器；將氫可透過的薄膜放置在液體和氫傳感器之間； 在傳感器和薄膜之間形成頂端空間；有選擇地向傳感器的頂端空間提供空氣，由此，使空氣與所述鈀傳感器接觸而使鈀得到恢復，在鈀傳感器恢復之后，關閉通向傳感器頂端空間的氣流，使液體進入所述腔室內，允許氫通過薄膜達到平衡，以及從傳感器中讀取氫的濃度。
圖1是在連接到大型液體容器的測試容器內測量氫含量的設備的示意圖。圖2-6是氫氣測量裝置的立體圖。圖7-9是本發明氫測量裝置的俯視圖和側視圖，顯示了剖切線A-A、B-B, C_C、D-D 和 E-E。圖10是圖8剖切線A-A上的視圖。圖11是圖7剖切線B-B上的視圖。圖12是圖7剖切線C-C上的視圖。圖13是圖9剖切線D-D上的視圖。圖14是圖7剖切線E-E上的視圖。圖15是圖14剖切面的放大圖，詳細示出氫傳感器。圖16、17和18是本發明另一實施例的視圖，剖切線已在圖中示出。圖19是圖17剖切線A-A上的剖視圖。圖20是圖18剖切線B-B上的剖視圖。圖21是圖16剖切線C-C上的剖視圖。圖22是圖18剖切線D-D上的剖視圖。圖23是圖16剖切線E-E上的剖視圖。圖M是氫測量腔室內渦流發生器的剖視圖。圖25是本發明裝置和方法的示意圖，示出油和空氣通過測量氫、水分和溫度的裝置的流動。
具體實施例方式本發明提供許多優于現有技術的裝置和方法的優點。本發明比其它的氫檢測裝置體積小和成本低。該裝置精確并可容易地翻新到現有的容器或發動機上。該裝置提供非常精確的氫傳感器以及保持氫傳感器精度的系統。該裝置提供移動液體的方法，該方法在傳感器上或其周圍移動諸如油那樣的液體，以獲得精確的讀數。該裝置允許更換傳感器，無需為油離開容器而提供開口。本發明的傳感器利用眾所周知且可購得的儀器控制器。上述和其它的優點將從以下描述中得以明白。圖1示出氫測量設備10。該設備包括氫傳感器12、氫可透過的薄膜14、控制器16 以及油測試容器18。在操作中，液體通常為油22從容器M進入測試容器18內。液體流動受泵沈控制。油的流動還受以下閥控制讓油進入測試單元18內的閥觀，以及讓油從試樣容器18流出并通過管道35返回容器M的閥32和34。油通常在隔絕容器18之前會流過薄膜14，以便從大容器22中獲得裝載在測試容器18內的有效的普通試樣。薄膜14通常由諸如能夠透過氫的PTFE織物的材料形成，允許氫和其它氣體通過薄膜進入頂端空間17內， 而不讓油通過。氫傳感器12安裝在外殼15內，外殼15用螺紋44旋入到測試容器18的側邊42內。在測試流體內的氫含量之前，具有鈀末端13的氫傳感器12經受頂端空間17內的空氣或其它含有氧的氣體的流動，空氣或其它含有氧的氣體通過閥36進入而通過閥38 流出。氣體的流動實施足夠長的時間以使鈀13復原，并凈化先前試樣殘留的任何氫，這樣可進行精確的氫測試。在經過足夠長時間后，通常在1和2分鐘之間，鈀獲得新生，閥36和38關閉，圍繞傳感器12形成氣密的氣體頂端空間17。在傳感器通過關閉閥38和36而被隔絕之后，使得氣體頂端空間17達到平衡，氫的讀數被傳感器12獲取，并用控制器16處理以給出油中氫含量。為達到平衡而可獲取氫讀數的時間，通常在2和6小時之間。盡管圖 1指明空氣是通過測試容器的壁42內的管道43供應的，但空氣入口也可設置在傳感器12 的外殼15內。在鈀氫傳感器12中，必須先通過閥36和出口閥38注入已知量的氫氣和空氣進入腔室17內以標定該傳感器。在圖2、3、4、5和6中，示出根據本發明的測量裝置50的立體圖。該裝置包括集管塊49、油泵52和空氣泵M。該裝置50設置有油進和油出的孔56和58，相應地在圖3中可見。圖3和4中可見空氣流出止回閥62。測量裝置設置有塞頭64，將鉆有油通道的孔堵住。油位傳感器66適于檢測濕度檢測隔間內的油位。泵52將在傳感器66沒有檢測到油之后不久關閉。利用連接點68和69以及其它安裝點(未示出)，將測量裝置安裝在板53 上。圖7、8和9是本發明測量裝置50的俯視圖和兩個側視圖。圖7示出剖面線B_B、 C-C和E-E。圖8示出剖面線A-A。圖9示出剖面線D-D。圖10示出如圖8的截面A-A所示的測量裝置。在圖10中，圖中示出氫檢測腔室 104和控制油從腔室流出的止回閥74。加熱器76提供熱量，以使測量裝置在測量過程中保持穩定的溫度，這樣，不同時間測得的結果可比較，并可保證氫探測器的最佳功能。測量裝置還具有濕度檢測隔間78，該隔間設置有油關閉閥82和油位傳感器84。圖11是圖7剖面線B-B上的視圖，該圖示出油進入通道92和流出通道94。圖中還示出用于油位傳感器84的接線端66。圖12示出沿圖7剖面線C-C截取的裝置50的剖視圖。濕度傳感器隔間78顯示有油位傳感器66。圖13是圖9剖面線D-D上的視圖，在圖13中，示出帶有濕度傳感器88 和油位探測器66的濕度檢測腔室78。濕度探測器88探測變壓器或其它裝置(未示出)的油中存在的水分，濕度探測器88還含有用于溫度控制和百分比濕度計算的溫度傳感器。在由圖7的剖面線B-B截取的圖14中，示出了用于使氫傳感器的鈀復原的空氣通道。空氣通道102由閥96和98控制，其允許空氣流入空氣通道102內而與鈀接觸，使鈀再生以便氫的精確測量。氫測量裝置95與油氫檢測腔室104相接觸。標定注入端口 93允許已知的含有氫的氣體試樣注入，而與氫傳感器的鈀接觸，以便確定和標定傳感器的精確操作，還允許抽出氣體試樣作外部分析。圖15是圖14剖面的放大圖，詳細地示出氫傳感器95。氫傳感器95延伸到氫檢測腔室104內。傳感器95設置有密封環106和108，以使傳感器與油和空氣隔絕。傳感器 95設置有薄膜112，薄膜通常為特氟龍，其為微孔的，允許來自氫檢測腔室104內的油中的氫通過，與傳感器的鈀114接觸，而不允許油通過。氫傳感器設置有電線115，使傳感器連接到控制器(未示出)。如圖2-15中所示，在本發明的傳感器操作中，空氣泵M使空氣通過空氣入口 96 而從空氣出口 98流出。通過抽取油流過通道92，泵52使油循環，從諸如變壓器(未示出) 的源頭通過通道92，然后通過進口閥82填充氫檢測腔室104，使得油填充容器102并通過出口 74連續地流出，以便返回到油源。通過關閉空氣入口閥96和空氣出口閥98，使來自泵M的氣流中斷。然后使鈀傳感器穩定約1分鐘，然后空氣的流動停止。在開始操作之前，停止流向入口 96的氣流，通過標定端口 93注入氫測試氣體。關閉出口 98，然后確認氫傳感器94達到平衡。然后，通過再次讓空氣持續通過鈀傳感器約1分鐘，使氫傳感器再生 (復原)。停止氣流，關閉空氣入口閥96和空氣出口閥98，關閉圍繞傳感器95的鈀114的頂端空間腔室113。通過油閥74和82停止通過腔室102的油流動，于是腔室102被隔絕。 允許經過一個足以使氫氣通過薄膜112并在頂端空間113內達到平衡的時間段，該時間段通常約為4小時，然后由氫傳感器95獲取讀數。應該指出的是，通常僅在運行幾年之后才需要對傳感器進行標定。本發明傳感器系統的優點在于，新鮮油定期地泵送到氫檢測腔室 104內，由此，與倘若鄰近半透過的薄膜的油未通過從變壓器或其它油源移動而得到復原的情形相比，提供了更加精確的讀數。從溫度傳感器和/或濕度傳感器88得到的讀數，可在氫測量時獲取，或單獨地獲取。如果采樣閥設置在測量裝置上，則可執行通過采樣閥的油的采樣。如果氫測量從原先水平提高，則特別希望做進一步的測試。如上所述，在各次讀數之前，將新鮮油試樣泵送到腔室內。含有鈀的氫傳感器和用于傳感器的控制器都是行業內公知的。如此的傳感器公開在如下的美國專利申請公布中Visel等人的US 2007/0125153和I^avlovsky的US 2007/0240491，本文以參見方式引入。刊物“Gases andTechnology” 7月/8月，2006中刊出了 I. Pavlovsky Ijf ^"PalladiumNanoparticle Hydrogen Sensor，，，i亥 ^IiiiL 關于氫傳感器和它們使用的方法和裝置的描述。本發明優選傳感器中所用的鈀毫微顆粒固有地對氫敏感，基于鈀毫微顆粒網狀物的傳感器在存在有其它氣體時不會產生錯誤報警。這使得傳感器在用于本發明裝置內時特別地理想，因為檢測氫時，有可能存在其它的氣體。其它的氫傳感器和它們的控制器公開在如下的美國專利申請中PaVl0Vsky的US 2007/0068493和Pavlovsky等人的US 2007/0240491，本文以參見方式引入。本發明氫傳感器所需的用于小量空氣和油的小型泵是眾所周知的。通常這些泵是隔膜泵，它們特別適用于精確地處理少量的液體或氣體。溫度傳感器和濕度傳感器在行業內也可容易地獲得。本發明測量裝置中所用的閥可以是任何合適的類型。它們可以是簡單的止回閥或電磁閥。業已發現，首選地是用電磁閥，尤其是在氣流中，因為止回閥不會對測量足夠地密封住氫氣。油位傳感器66是安全裝置，如果傳感器在泵運轉的幾秒鐘內沒有檢測出油，則安全裝置確保泵關閉，從而避免泵損壞。測量裝置內的加熱器通常將溫度保持在約80°C，因為這可使氫傳感器最佳地操作，并使油中溶解的氣體得到更快預見的計算。在測量裝置50內最好有兩個加熱器，顯示一個剛好位于氫測量腔室下方的加熱器76，第二個加熱器未示出， 其平行于入口油通道92和出口油通道94。使用濕度傳感器來確定油中的水分，提供了變壓器潛在問題的關鍵提示。結合了測量裝置所提供的氫水平，這就特別地有用。測量裝置為氫測量保持小的腔室。如果使用大量的油，則就會有這樣的問題過度遷徙到油內的氧會損害鈀傳感器的效率。由于該腔室非常小，其容積小于1毫升，所以只有非常少量的氧有可能遷徙。對于最快和最精確的測試，較佳的腔室大小在約0.5和1.0毫升之間。一般來說，氫含量讀數可約4小時后獲取。測量單元通常盡可能靠近油或其它液體容器安裝，這樣不會有長的管道添加到油體積。圖16-M示出本發明的優選實施例。該實施例不同于圖1-15裝置，不同之處至少在于，該裝置含有電磁閥和在氫測量過程中用于油的腔室，，腔室包括在腔室中形成渦流的裝置，以使進入腔室內的油與已經存在的油更好地混合，并掃掠腔室內的微滲透的部件。該裝置的操作與圖2-15的裝置相同。圖16、17和18是帶有剖切線的裝置的視圖。該實施例的同樣的零件標以與先前實施例的零件相同的附圖標記。在圖16的視圖中，油泵52和空氣泵討均可見。圖中還示出油采樣魯爾(luer)91 和空氣采樣魯爾93。用于進入傳感器的油的電磁閥144也在圖中示出。圖17示出氫傳感器95和油位傳感器88的位置。在圖18中，加熱器91和93顯示為在空氣過濾器171內。 用于空氣進入傳感器內的電磁閥168和用于空氣流出傳感器的電磁閥166均顯示在圖18 中。圖19是圖17剖切線A-A上的剖視圖，在圖19中，示出了油泵52和空氣泵54。此夕卜，圖中示出了入口和出口油電磁閥144和146，它們分別用于使油進入氫測量腔室94和用于水分和溫度檢測的腔室78內。漩渦發生構件顯示為142。圖20是圖18剖切線B-B上的剖視圖，在圖20中，示出了空氣魯爾93、油試樣魯爾91和油位傳感器66。在圖19和21 中，示出了油箱78和電磁閥144。油的進入通道顯示為92。圖22是圖18剖切線D-D上的剖視圖，在圖22中，示出了油位傳感器84以及溫度和濕度傳感器88。還示出了加熱器76 和77。圖23是圖16剖切線E-E上的剖視圖，在圖23中，示出了空氣魯爾93和氫檢測裝置 94。還示出了加熱器76和77。用于漩渦發生器的銷是附圖標記142。在圖M中，示出用于油腔室152的漩渦發生器142，在氫檢測過程中，用于氫檢測的油被保持在油腔室152內。可透過的薄膜94使油腔室148與氫檢測腔室104分開。當油通過進入通道156進入腔室152時，油流過靜止的漩渦發生器142的螺旋形槽158。因此，油朝向可透過的構件94，渦流除去了可能沉淀在可透過構件上的氣泡或任何的碎片，由此清潔可透過的構件94以便更好地傳送氫氣。還確保油通過腔室的連續運動，沒有低循環的滯留區域。漩渦發生器142具有如鉆頭那樣的槽。業已發現較佳的槽布置結構是高流動的機加工鉆頭的結構。從腔室討流出的油流動通過油流出通道162而發生，受電磁閥(未示出)控制。圖25是特別用于圖16-M實施例傳感器的本發明方法和設備的示意圖。如圖所示，油流動從變壓器的油供應開始，向上通過油泵，向下流入油過濾器進入油箱內。在油箱中，檢測油的水分和溫度。此外，可對油采樣。油電磁閥控制著流出腔室和流入氫傳感器的漩渦發生器內的油流動。油流動電磁閥2控制著流出氫傳感器的油流動，以便返回到變壓器。空氣泵供應空氣通過電磁閥3流入氫氣檢測區域，并通過空氣電磁閥4流出，以凈化氫傳感器內的鈀。通過氫傳感器頭部的空氣通過空氣電磁閥4流到大氣中。在氫測量所需的大約4小時過程中，關閉空氣和油電磁閥。顯然，本技術領域內的技術人員會明白，本發明可有各種變體。例如，不是利用空氣來復原鈀，而是可使用氧氣。此外，大家知道可對進入氫傳感器的空氣提供空氣過濾器。 其它類型的傳感器也可添加到測試容器，然而，該單元要是小的、成本低的和緊湊的，使得添加的零件不再是必要的。本發明的單元通常是小的不包括控制器單元，其體積度量小于 100立方英寸。
權利要求
1.一種檢測液體中氫氣的方法，其包括提供測量裝置，該裝置包括氫檢測腔室和安裝成與所述腔室接觸的鈀氫傳感器；將氫可透過的薄膜放置在液體和氫傳感器之間并形成頂端空間；有選擇地向傳感器的頂端空間提供空氣，由此，使空氣與所述鈀傳感器接觸而使鈀得到恢復，在鈀傳感器恢復之后，關閉通向傳感器頂端空間的氣流，使液體進入所述腔室內，允許氫氣通過薄膜達到平衡，以及讀取氫的濃度。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在氫測量之前將已知的氫氣量送入薄膜和鈀傳感器之間的頂端空間內，以對氫傳感器進行標定。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，使用電磁閥來使空氣進入頂端空間內，以及從頂端空間除去空氣和氫測試氣體。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述液體包括變壓器油。
5.如權利要求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.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述測量裝置還提供位于測量裝置上的濕度傳感器，用來測量液體的水分含量。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，包括循環待要測試的液體，從較大的容器通過氫檢測腔室和濕度檢測隔間，然后將液體返回到較大的容器。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，包括提供帶有延伸入液體內的濕度傳感器的濕度檢測隔間。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述液體包括油。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，使液體進入腔室內是使用在薄膜上形成渦流的漩渦發生器。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在氫測量過程中，用電磁閥使液體流動停止。
12.測量液體中氫氣的設備，包括測量裝置、安裝在所述裝置上的鈀氫傳感器、使所述氫傳感器與形成頂端空間的氫檢測腔室內液體分離的薄膜、將氣體循環到所述氫傳感器來復原鈀的裝置，以及關閉通向氫傳感器的氣體循環的裝置。
13.如權利要求12所述的測量氫氣的裝置，其特征在于，還包括使含有氫的氣體進入到所述薄膜和所述氫傳感器之間的頂端空間內，以標定所述傳感器。
14.如權利要求12所述的測量氫氣的裝置，其特征在于，所述測量裝置還包括安裝在濕度檢測隔間內的濕度傳感器。
15.如權利要求14所述的測量氫氣的裝置，其特征在于，還包括用于氫傳感器的控制ο
16.如權利要求13所述的測量氫氣的裝置，其特征在于，還包括使空氣進入所述頂端空間的隔膜泵、用于控制空氣進入所述頂端空間內的止回閥或電磁閥、用于控制空氣從所述頂端空間流出的止回閥或電磁閥。
17.如權利要求12所述的測量氫氣的裝置，其特征在于，所述測量裝置設置有循環液體的裝置，從較大的容器循環到與氫傳感器接觸，并將液體返回到較大的容器。
18.如權利要求17所述的裝置，其特征在于，使液體從較大的容器循環到與所述傳感器接觸的裝置在薄膜上形成渦流的漩渦發生器。
19.如權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述測量裝置還包括濕度檢測隔間。
20.如權利要求19所述的裝置，其特征在于，所述濕度檢測隔間設置有濕度傳感器和溫度傳感器。
21.傳感器，包括鈀氫傳感器、與液體接觸的薄膜、所述薄膜與所述傳感器分離開以形成頂端空間、使氣體在頂端空間內循環的裝置，以及移動液體與薄膜接觸然后密封與氫傳感器接觸的已知液體量的裝置。
22.如權利要求21所述的傳感器，其特征在于，還包括用于氣體循環的泵和移動液體通過所述檢測腔室的泵。
23.如權利要求21所述的傳感器，其特征在于，還包括關閉流向所述傳感器的氣流的電磁閥。
24.如權利要求21所述的傳感器，其特征在于，所述薄膜包括氣體可透過的四氟乙烯。
25.如權利要求21所述的傳感器，其特征在于，還包括用于鈀傳感器的微控制器。
26.如權利要求25所述的傳感器，其特征在于，所述測量裝置還包括至少一個加熱器。
27.如權利要求21所述的傳感器，其特征在于，移動液體與所述薄膜接觸的裝置包括漩渦發生器。
28.如權利要求21所述的傳感器，其特征在于，密封與氫傳感器接觸的液體的裝置包括電磁閥。
全文摘要
本發明涉及一種檢測液體中氫氣的方法，其包括提供測量裝置，該裝置包括氫檢測腔和安裝成與所述腔室接觸的鈀氫傳感器；將氫可透過的薄膜放置在液體和氫傳感器之間并形成頂端空間；有選擇地向傳感器的頂端空間提供空氣，由此，使空氣與所述鈀傳感器接觸而使鈀得到恢復，在鈀傳感器恢復之后，關閉通向傳感器頂端空間的氣流，使液體進入所述腔室內，允許氫通過薄膜達到平衡，以及讀取氫的濃度。
文檔編號G01N33/00GK102165310SQ200980139374
公開日2011年8月24日 申請日期2009年8月18日 優先權日2008年9月30日
發明者J·J·赫爾茲, R·E·泰勒, S·E·木爾凡尼, W·丹尼爾斯 申請人:夸利特洛爾有限公司