Przetwornik ciśnienia do pracy z wodorem – wybór czujnika

Wraz z rosnącym rozprzestrzenianiem się wodoru jako nośnika energii rośnie również zapotrzebowanie na odpowiednie przetworniki ciśnienia. Chociaż wodór jest od lat używany pod niskim ciśnieniem w przemyśle chemicznym i przetwórczym, nowe wyzwania pojawiają się w zastosowaniach związanych z mobilnością H2: zakresy pomiarowe przekraczające 1000 barów, ograniczona przestrzeń i wysokie koszty w przypadku dużych serii wymagają nowych, innowacyjnych koncepcji czujników.

Cząsteczka wodoru – jako najmniejsza ze wszystkich – ma tę właściwość, że dzięki dyfuzji może przenikać w strukturę wielu dostępnych na rynku stali i innych materiałów. Może wnikać w strukturę materiału lub przez niego przenikać, może być także połączeniem tych dwóch efektów. Kruchość wodorowa jest dobrze znana i spowodowana jest tym, że wnikający wodór zmienia strukturę stali. Przenikanie, czyli proces sorpcji (absorpcji) wodoru na powierzchni membrany, dyfuzji przez materiał membrany i desorpcji z tyłu, nie stanowi problemu w większości zastosowań, takich jak zbiorniki ciśnieniowe, ponieważ posiadają one wystarczająco duże grubości ścian. Jednak w przypadku czujników ciśnienia, które posiadają ścianki cienkiej grubości, przenikanie wodoru przez membranę pomiarową może prowadzić do powstawania reakcji z elementami czujnika.

W przemysłowych zastosowaniach wodoru stosuje się niemalże wyłącznie przetworniki ciśnienia z czujnikami piezorezystancyjnymi lub czujniki cienkowarstwowe. Inne rodzaje czujników zastosowane w przetwornikach ciśnienia są albo nieodpowiednie technicznie (np. czujniki ceramiczne ze względu na dużą porowatość materiału), albo są zbyt drogie.

Przetwornik ciśnienia z czujnikiem piezorezystancyjnym

W przypadku przetwornika ciśnienia z czujnikiem piezorezystancyjnym niezwykle mała grubość ścianki membrany oddzielającej, wynosząca tylko około 70 mikrometrów, może stanowić problem przy kontakcie z wodorem. Sama membrana rozdzielająca jest standardowo wykonana z kompatybilnego z wodorem materiału AISI316L, dzięki czemu nie odznacza się ona kruchością. Jednak przy wyższych ciśnieniach wodór może dyfundować przez cienką membranę oddzielającą do wypełnienia olejowego. Rozpuszczony w oleju wodór może tworzyć bąbelki, co wyraża się nagłym i silnym przesunięciem sygnału, które w zależności od krzywej ciśnienia może samoistnie zniknąć, gdy tylko bąbelek ponownie się rozpuści. Jako środek zaradczy membrana rozdzielająca jest po stronie wodorowej pokryta złotą powłoką, która działa jak bariera sorpcyjna. Testy szwajcarskiego producenta przetworników ciśnienia – firmy Trafag pokazują, że ta warstwa złota musi mieć określoną minimalną grubość, aby mogła pełnić funkcję ochronną. Efekt ochronny jest zmniejszony, jeśli warstwa jest zbyt cienka, jeśli jest uszkodzona przez mikrozarysowania lub jeśli posiada niewystarczającą przyczepność oraz najmniejsze pęcherzyki spowodowane zanieczyszczeniami w procesie galwanizacji.

Przetwornik ciśnienia z  czujnikiem posiadającym cienką warstwę na stali

Z drugiej strony czujniki z cienką warstwą na stali stosowane w przetwornikach ciśnienia mają znacznie grubszą membranę. Jednak zwykle jest ona wykonana z materiału nieodpowiedniego dla wodoru (17-4PH lub 1.4542), czyli z wysokowydajnej stali martenzytycznej o raczej niskiej zawartości niklu.
Stale austenityczne o zawartości niklu powyżej ok. 13 procent uważa się za odpowiednie do pracy z wodorem. Dlatego należy stosować alternatywne stopy stali. Zgodnie z tą zasadą wymagana jest wysoka granica plastyczności, aby membrana, a tym samym napylone mostki oporowe, mogły rozciągać się tak bardzo, że generowany będzie użyteczny sygnał. Niestety, wiele stali kompatybilnych z H2, takich jak AISI316L, nie spełnia tego wymagania. Jeśli stosuje się czujniki stalowe z membranami wykonanymi z materiału AISI31L, zwykle nie są one wyposażone w długoterminowo stabilny napylony mostek oporowy, ale posiadają powłokę, która wykazuje większą zmianę rezystancji przy tym samym naprężeniu, lecz jest ona często bardziej podatna na dryf sygnału.

Dużym wyzwaniem jest znalezienie odpowiednich stopów stali, które są kompatybilne z H2 i jednocześnie nadają się do budowy czujników cienkowarstwowych. W przypadku ogniw cienkowarstwowych z rezystorami napylanymi istnieją pewne stopy stali austenitycznej o wysokiej zawartości niklu, które również mają wystarczającą granicę plastyczności i dlatego są odpowiednie. Jednak dla producenta czujników trudność w przypadku tych stali polega na uzyskaniu takiej jakości materiału, która pozwala na wykonanie długoterminowo stabilnych czujników o niskim dryfie. Krytycznymi parametrami są zwykle jednorodność struktury, stopu i obróbka cieplna. Testy firmy Trafag z własnymi czujnikami wykonanymi z różnych stopów oraz czujnikami konkurencji wykazały, że wiele z oferowanych obecnie rozwiązań ma znacznie większy dryft długoterminowy niż konwencjonalne czujniki do powietrza lub oleju. Dzięki bogatemu doświadczeniu w produkcji przetworników ciśnienia i czujników, wieloletnim intensywnym badaniom i niezliczonym testom, Trafag zdołał opracować czujnik cienkowarstwowy wykonany ze stali kompatybilnej z wodorem, którego długoterminowa stabilność jest znacznie lepsza niż większości swoich konkurentów.

Przetwornik ciśnienia do wodoru - kryterium wydajności, długoterminowa stabilność

Długoterminowa stabilność czujników ciśnienia wodoru jest obecnie głównym kryterium oceny przetworników ciśnienia. Projekt i rozmiar, elektronika i konstrukcja mechaniczna są w większości zaczerpnięte ze sprawdzonych przemysłowych czujników ciśnienia i dlatego prawie zawsze spełniają wymagania aplikacji wodorowych. Długoterminowa stabilność czujnika oznaczająca, że dokładność pomiaru nie zmienia się lub zmienia się tylko nieznacznie w okresie użytkowania, ma krytyczne znaczenie zwłaszcza w zastosowaniach wodorowych. Słaba stabilność długoterminowa znajduje odzwierciedlenie przede wszystkim w dryfie punktu zerowego, co oznacza, że sygnał nie pokazuje już zera, gdy nie ma ciśnienia.
Kruchość, która jest bardzo często wymieniana w literaturze jako największy problem, nie wystąpiła w przypadku czujników Trafag podczas przeprowadzonych testów. Testy na powstawanie pęknięć standardowych czujników, tj. wykonanych z materiału niekompatybilnego z wodorem, nie wykazały żadnego mierzalnego spadku ciśnienia rozrywającego nawet po dłuższym użytkowaniu w środowisku wodorowym, chociaż sygnały już wykazywały ogromny dryft.

 Podczas eksploatacji, szczególnie trzy parametry mają duży wpływ na długoterminową stabilność czujników ciśnienia wodoru:

• Ciśnienie: Im wyższe ciśnienie, tym silniejszy i szybszy efekt dyfuzji. Naprzemienne cykle obciążenia mogą również przyspieszyć ten efekt, ponieważ ruch konstrukcji ułatwia mobilność przenikniętego wodoru.

• Temperatura: Im wyższa temperatura, tym szybciej objawia się szkodliwy wpływ wodoru. Kruchość spada ponownie od około 60°C, ale dyfuzja nadal wzrasta.

• Czas: czas trwania narażenia na wodór jest krytyczny. Odchylenia sygnału stają się widoczne dopiero po pewnym czasie i nie są liniowe.

Podczas gdy wpływ ciśnienia i temperatury jest oczywisty i uwzględnia się je w ocenie w kryteriach badania, czas często nie jest uwzględniany w wystarczającym stopniu. Testy Trafaga wykazały, że czujniki wykonane z nieodpowiedniej standardowej stali membranowej czasami wykazują charakterystyczne efekty dryftu punktu zerowego po 10 000 godzin kontaktu z wodorem oraz że powstaje duży rozrzut, kiedy faktycznie rozpoczyna się dryft punktu zerowego. Wiele z efektów dryftu jest odwracalnych w przypadku czujników stalowych: Gdy czujnik nie jest już wystawiony na działanie wodoru, stężenie wodoru powoli spada - w wyższych temperaturach (powyżej około 80°C) spada ono stosunkowo szybko.

Przetworniki ciśnienia wodoru firmy Trafag

Kluczowym elementem przetwornika ciśnienia szwajcarskiego producenta Trafag są czujniki ciśnienia oparte na technologii thin-film-on-steel (konstrukcja całkowicie spawana bez O-ringu). Technologia czujników pochodzi z własnej produkcji firmy Trafag i została opracowana we własnym zakresie wraz z dostosowanym do niej układem ASIC (application- specific microchip) do przetwarzania sygnałów z czujników. W rezultacie czujnik ciśnienia i elektronika współpracują ze sobą idealnie. Dzięki temu czujnik w przetworniku ciśnienia firmy Trafag osiąga wyjątkowy poziom długoterminowej stabilności i niezawodności, nawet w najbardziej niekorzystnych warunkach otoczenia.

Aby spełnić specyficzne dla wodoru wymagania dotyczące pomiaru ciśnienia, takie jak wytrzymałość i przenikanie, firma Trafag zaprojektowała specjalny stop stali do czujników ciśnienia mających kontakt z wodorem. Ten specyficzny stop stali, wzmocniona azotem stal austenityczna, jest zarówno kompatybilna z wodorem, jak i posiada wszystkie właściwości materiałowe, które są niezbędne do zbudowania solidnych, dokładnych i długotrwale stabilnych czujników ciśnienia.

W ofercie Poltraf znajdują się przetworniki ciśnienia do wodoru NHT8250, EHI8280 oraz EXNT 8292. Przetwornik ciśnienia EXNT8292 posiada certyfikat ATEX i IECEx, jest też zatwierdzony do zastosowań morskich. Każdy z tych przetworników ciśnienia posiada również certyfikat EC79/2009. Certyfikat ten oznacza, że wskazane wyżej przetworniki ciśnienia spełniają ogólne wymagania elementów i systemów wodorowych stosowanych w pojazdach silnikowych napędzanych wodorem zgodnie z rozporządzeniem (EC) nr 79/2009 Parlamentu i Rady Europy z 14 stycznia 2009 r. Przetworniki ciśnienia mogą być więc używane w pojazdach z napędem wodorowym. Brak konieczności użycia złota w przetwornikach ciśnienia przez Trafag sprawia, ze przetworniki ciśnienia szwajcarskiego producenta wyróżniają się również atrakcyjną ceną.