Quel capteur de pression convient à l'hydrogène?

La molécule d'hydrogène - en tant que plus petite molécule de toutes - a la propriété de pouvoir pénétrer, par diffusion, la structure de nombreux aciers et autres matériaux disponibles dans le commerce. Il peut soit être stocké de façon permanente dans la structure, soit pénétrer dans la structure (perméation), soit il y a une combinaison des deux effets. La fragilisation par l'hydrogène est bien connue et est causée par le fait que l'hydrogène qui a pénétré modifie la structure de l'acier. La perméation, c'est-à-dire le processus de sorption (absorption) de l'hydrogène à la surface de la membrane, de diffusion à travers le matériau de la membrane et de désorption à son arrière, n'est pas un problème dans la plupart des applications, telles que les réservoirs sous pression, en raison des épaisseurs de paroi suffisamment importantes. Cependant, dans le cas de capteurs de pression avec l'épaisseur de paroi intrinsèquement mince des capteurs, la perméation d'hydrogène à travers la membrane de mesure peut entraîner une réaction avec des éléments du capteur.

Selon la structure et le principe de fonctionnement physique du capteur, différents effets peuvent entrer en jeu. Dans les sections suivantes, les effets les plus importants sont expliqués pour les capteurs qui sont généralement utilisés lorsque l'hydrogène est utilisé comme vecteur d'énergie. Il est également montré quelles solutions techniques sont utilisées pour contrer les effets néfastes de la perméation d'hydrogène et quels avantages et inconvénients en découlent. Enfin, les critères de sélection les plus importants pour un capteur de pression approprié sont indiqués, ainsi que les éléments à surveiller lors de l'évaluation et de la qualification.

Dans les applications industrielles de l'hydrogène, on utilise presque exclusivement des capteurs piézorésistifs ou des capteurs à couche mince sur acier (voir encadré avec les principes de fonctionnement). D'autres principes de capteurs sont soit techniquement inadaptés (par exemple les capteurs céramiques en raison de la forte porosité du matériau fritté), soit trop chers, soit purement des produits de niche.

Capteurs piézorésistifs

Avec les capteurs piézorésistifs, l'épaisseur de paroi extraordinairement fine de la membrane de séparation de seulement env. 70 micromètres est un défi majeur. La membrane de séparation elle-même est en standard AISI316L compatible avec l'hydrogène et ne présente donc pratiquement aucun risque de fragilisation. Cependant, à des pressions plus élevées, l'hydrogène peut diffuser dans l'huile à travers la fine membrane de séparation. L'hydrogène dissous dans l'huile peut y former des bulles, ce qui se traduit par un décalage de signal brutal et fort, qui peut à nouveau disparaître spontanément en fonction de la courbe de pression dès que la bulle se dissout à nouveau.

Afin de contrer cela, la membrane de séparation est pourvue d'un revêtement en or côté hydrogène, qui agit comme une barrière anti perméation. Les tests de Trafag montrent que cette couche d'or doit avoir une certaine épaisseur minimale pour pouvoir jouer le rôle de protection. L'effet protecteur est réduit s'il est trop fin, s'il est endommagé par des micro-rayures ou si la couche d'or a une adhérence insuffisante et donc les plus petites bulles dues aux impuretés du processus de dorure.

Capteurs à couche mince sur acier

Les capteurs à couche mince sur acier, en revanche, ont une membrane nettement plus épaisse. Cependant, il est généralement réalisé dans un matériau inadapté à l'hydrogène (17-4PH ou 1.4542), c'est-à-dire un acier martensitique à hautes performances à teneur en nickel assez faible. Les aciers austénitiques avec une teneur en nickel supérieure à env. 13 % sont considérés comme compatibles avec l'hydrogène. Par conséquent, des alliages d'acier alternatifs doivent être utilisés. En raison du principe, une limite d'élasticité élevée est nécessaire pour que la membrane et donc les ponts de résistance pulvérisés puissent s'étirer suffisamment pour qu'un signal utilisable soit généré. Malheureusement, de nombreux aciers compatibles H2tels que l'AISI316L ne répondent pas à cette exigence. Si des capteurs en acier avec des membranes AISI31L sont utilisés, ils ne sont généralement pas équipés du pont de résistance pulvérisé stable à long terme, mais ont un revêtement qui montre un plus grand changement de résistance avec la même contrainte, mais est souvent plus sensible à la dérive du signal.

Un défi majeur consiste à trouver des alliages d'acier appropriés qui soient compatibles avecH2et en même temps adaptés à la construction de capteurs à couches minces. Pour les cellules à couches minces sur acier avec résistances pulvérisées, il existe des alliages d'acier austénitiques à haute teneur en nickel qui ont également une limite d'élasticité suffisante et sont donc fondamentalement adaptés. Mais pour le fabricant de capteurs, la difficulté avec ces aciers est de les obtenir auprès d'un fabricant dont la qualité des matériaux permet d'en faire des capteurs stables à long terme et à faible dérive. Les paramètres critiques sont généralement l'homogénéité de la structure, de l'alliage et du traitement thermique. Les tests effectués par Trafag avec ses propres capteurs constitués de divers alliages et des capteurs de concurrents ont montré que de nombreuses solutions proposées aujourd'hui ont une dérive à long terme nettement plus importante que les capteurs conventionnels pour l'air ou l'huile. Grâce à une vaste expérience, de nombreuses années de recherche intensive et d'innombrables tests, Trafag a réussi à développer un capteur à couche mince sur acier en acier compatible avec l'hydrogène, dont la stabilité à long terme est nettement meilleure que celle de la plupart des ses concurrents.

Critère de performance stabilité à long terme

La stabilité à long terme des capteurs de pression d'hydrogène est désormais le critère principal lors de l'évaluation des transmetteurs de pression. Parce que la conception et la taille, l'électronique et la structure mécanique sont principalement issues de capteurs de pression industriels éprouvés et répondent donc presque toujours aux exigences des applications d'hydrogène. La stabilité à long terme du capteur, c'est-à-dire que la précision de mesure ne change pas ou ne change que légèrement au cours de la période d'utilisation, est critique dans les applications d'hydrogène en particulier.

Une mauvaise stabilité à long terme se reflète principalement dans la dérive du point zéro, ce qui signifie que le signal n'affiche plus zéro lorsqu'il n'y a pas de pression. La fragilisation, qui est très souvent mentionnée dans la littérature comme le plus gros problème, ne s'est pas produite avec les capteurs Trafag dans les tests effectués. Les tests d'éclatement des capteurs standards, c'est-à-dire en matériau non compatible avec l'hydrogène, n'ont pas montré de réduction mesurable de la pression d'éclatement même après une utilisation prolongée dans un environnement hydrogène, bien que les signaux aient déjà montré une dérive massive. Dans l'application, trois paramètres en particulier ont une influence majeure sur la stabilité à long terme des capteurs de pression d'hydrogène:

• Pression: Plus la pression est élevée, plus les effets de diffusion sont forts et rapides. Des cycles de charge alternés peuvent également accélérer l'effet car le mouvement de la structure facilite la mobilité de l'hydrogène qui a pénétré.
• Température: Plus la température est élevée, plus l'effet nocif de l'hydrogène se manifeste rapidement. La fragilisation diminue à nouveau à partir d'environ 60°C, mais la diffusion continue d'augmenter.
• Temps: La durée d'exposition à l'hydrogène est critique. Les écarts de signal n'apparaissent qu'après un certain temps et ne sont pas linéaires.