Nella produzione industriale, l’idrogeno è ampiamente utilizzato come fonte di energia pulita e come materia prima industriale vitale. Tuttavia, l'idrogeno possiede un'energia di accensione estremamente bassa e un ampio raggio esplosivo; qualora si verificasse una perdita e si accumulasse in uno spazio confinato o semi-confinato, potrebbe facilmente innescare incendi o addirittura esplosioni, costituendo una seria minaccia per la sicurezza del personale e delle attrezzature. Negli ambienti in cui possono verificarsi perdite di idrogeno-come stazioni di generazione di idrogeno, locali batterie e officine di produzione di semiconduttori-un monitoraggio tempestivo e accurato è una misura di sicurezza fondamentale.
Il rilevamento delle perdite di idrogeno nelle batterie utilizza principalmente due tipi di rilevatori: sensori elettrochimici e sensori di combustione catalitica. La scelta specifica dipende dallo scenario applicativo, dalla precisione di rilevamento richiesta e dalle specifiche di sicurezza.
I. Tipi e caratteristiche dei sensori tradizionali
(1). Sensori elettrochimici
Questa è attualmente la scelta principale per i sistemi di monitoraggio fissi nei locali batterie (in particolare per le batterie al piombo-acido e al nichel-cadmio).
Principio di funzionamento: l'idrogeno subisce una reazione elettrochimica (ossidazione-riduzione) sulla superficie dell'elettrodo di lavoro, generando una micro-corrente; l'entità di questa corrente è direttamente proporzionale alla concentrazione di idrogeno.
Alta sensibilità e selettività: altamente selettivo per l'idrogeno, evitando efficacemente l'interferenza di altri gas; specificatamente progettato per la ricerca perdite di idrogeno.
Adatto per il monitoraggio di basse-concentrazioni: estremamente sensibile alle tracce di perdite (livello ppm), consentendo un allarme tempestivo. Ad esempio, i sensori di livello minerario- possono attivare allarmi e azioni di sicurezza collegate quando la concentrazione di idrogeno raggiunge lo 0,5%.
A sicurezza intrinseca: adatto per l'uso in ambienti con severi requisiti a prova di esplosione-.
Scenari applicativi: ampiamente utilizzato in posizioni fisse che richiedono un monitoraggio a lungo- termine, continuo e preciso di basse concentrazioni di idrogeno, come locali batterie e camere di ricarica sotterranee nelle miniere.
(2). Sensori di combustione catalitica
Comunemente utilizzato per rilevare l'infiammabilità dell'idrogeno e monitorare le concentrazioni entro l'intervallo del limite inferiore esplosivo (LEL).
Principio di funzionamento: l'idrogeno brucia sulla superficie di un elemento catalitico, provocando cambiamenti nella temperatura dell'elemento e nella resistenza elettrica; la concentrazione viene determinata misurando questa variazione di resistenza.
Velocità di risposta rapida: reagisce rapidamente ai cambiamenti nella concentrazione di gas combustibile.
Buona linearità del segnale: offre un'eccellente linearità del segnale all'interno dell'intervallo di concentrazione LEL. Scenario applicativo: utilizzato principalmente per monitorare se le concentrazioni di idrogeno hanno raggiunto livelli che comportano un rischio di esplosione; comunemente distribuito in aree ben-ventilate dove la risposta rapida è fondamentale.
2. Altre tecnologie di sensori e scenari applicativi
Sensori a semiconduttore: funzionano in base al principio che la resistenza elettrica dei materiali semiconduttori di ossido di metallo- cambia al contatto con l'idrogeno. Questi sensori sono economici-e sensibili all'idrogeno, ma sono suscettibili alle interferenze di altri gas riducenti o alle fluttuazioni ambientali. Richiedono una stabilità relativamente elevata e vengono generalmente utilizzati in applicazioni in cui la precisione estrema non è il requisito principale.
Sensori di conducibilità termica: basati sulla differenza significativa nella conduttività termica tra l'idrogeno e altri gas (solitamente aria). Al variare della concentrazione di idrogeno, varia la velocità di dissipazione del calore dall'elemento sensibile del sensore, consentendo la misurazione della concentrazione. Questi sensori offrono una lunga durata, buona stabilità e resistenza all'avvelenamento del sensore; tuttavia, vengono generalmente utilizzati per misurare elevate concentrazioni di idrogeno (livelli percentuali) e non hanno una sensibilità sufficiente per rilevare perdite di basso-livello.
Sensori di assorbimento a infrarossi: rilevano l'idrogeno in base alle sue specifiche caratteristiche di assorbimento della luce infrarossa. Offrono vantaggi quali funzionamento non-consumo, lunga durata, elevata stabilità e forte resistenza alle interferenze; tuttavia, la tecnologia tradizionale deve affrontare sfide legate ai segnali deboli di assorbimento dell’idrogeno e ai costi elevati. Questa tecnologia rappresenta una direzione promettente per le future applicazioni di monitoraggio-di fascia alta e stabili a lungo-termine.
3. Raccomandazioni per la selezione e integrazione del sistema
Per il monitoraggio fisso e continuo di aree nelle sale batterie-dove l'obiettivo principale è l'avviso tempestivo di piccole perdite-i sensori elettrochimici dovrebbero essere la scelta preferita. I monitor dell'area dell'idrogeno progettati specificamente per le sale batterie sul mercato utilizzano prevalentemente questa tecnologia.
Se l'obiettivo principale è la sicurezza contro le esplosioni,-monitorare specificamente se le concentrazioni si avvicinano al limite inferiore di esplosione (LEL) del 4%-, è possibile selezionare sensori di combustione catalitica.
Integrazione del sistema: un sistema di rilevamento professionale dell'idrogeno comprende non solo rilevatori ma anche controller e moduli di allarme. Dovrebbe essere in grado di interfacciarsi con apparecchiature di sicurezza come ventilatori di scarico ed elettrovalvole per formare un sistema di difesa attiva completo. I rilevatori possono essere integrati con i sistemi di controllo esistenti tramite uscite analogiche (4–20 mA) o bus digitali (ad esempio RS485).
Per le postazioni fisse che richiedono un allarme tempestivo e un monitoraggio continuo delle perdite di idrogeno dalle batterie,rilevatore di gas idrogeno per locale batteriebasati su principi elettrochimici sono raccomandati. Per le applicazioni che privilegiano una risposta rapida ai rischi di esplosione, possono essere presi in considerazione i sensori di combustione catalitica. Quando si seleziona un modello, è necessario considerare in modo completo il campo di misura, la sensibilità, l'adattabilità ambientale, la durata e i costi.