[发明专利]催化式氢气传感器

说明书

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；