p200302177 detector de hidrógeno

P200302177
DETECTOR DE HIDRÓGENO
Descripción
Un grupo de investigación multidisciplinar formado por investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid
y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial ha desarrollado un detector de hidrógeno, constituido a partir
de un sensor tipo Bragg, especialmente concebido para detectar fugas de hidrógeno en instalaciones en las que
se utiliza este gas.
El sensor Bragg consiste en una o más redes de franjas del mismo índice de refracción inscritas o formadas en
el núcleo de una fibra óptica, por ejemplo mediante radiaciones ultravioletas, y distribuidas a lo largo de su
longitud. Este tipo de sensores tiene la particularidad, entre otras, de producir variaciones en las distancias entre
las franjas con el mismo índice de refracción del núcleo de la fibra óptica, cuando se somete a dicha fibra, en el
tramo que incluye el sensor o sensores Bragg, a deformaciones mecánicas.
Para detectar hidrógeno con un sensor fibra óptica de Bragg se utiliza el mismo efecto que se utiliza para detectar
deformaciones, produciéndose éstas por la expansión de un casquillo de paladio que se hincha por absorber
hidrógeno. El paladio puede absorber hasta 900 veces su propio volumen en hidrógeno, lo que produce un
hinchamiento volumétrico hasta un 10%.
Dado que el paladio tiene una elevada capacidad para la absorción de hidrógeno y que esta absorción provoca
un aumento de volumen del paladio, los detectores de hidrógeno están conformados por una fibra óptica
con sensor de Bragg, alrededor de la que se dispone un casquillo de paladio. Este casquillo se expande por la
absorción de hidrógeno, provocando una acción mecánica sobre la fibra óptica que origina la correspondiente
deformación en el núcleo, lo cual será detectado a través del sensor Bragg, por la variación producida en la
distancia entre las franjas con el mismo índice de refracción.
Asimismo, el sensor se caracteriza porque el recubrimiento de paladio está constituido por un hilo de paladio
que se enrolla sobre la fibra óptica, cubriendo un tramo o longitud que de preferencia será ligeramente mayor
que la longitud del sensor Bragg. El hilo se enrolla de forma continua, de modo que el recubrimiento adopta la
forma de una bobina de una sola capa, en la que el hilo queda enrollado helicoidalmente sobre la fibra óptica,
en la zona del sensor Bragg. La fijación del hilo de paladio a la fibra se realiza mediante un adhesivo permeable
al hidrógeno.
Imagen del sensor
Esquema de las piezas del sensor
Al entrar el sensor en contacto con hidrógeno, el aumento de volumen que se produce en el hilo de paladio
provoca que la bobina devanada encima de la fibra óptica se alargue y, al estar fijada o adherida a dicha fibra,
alarga también a ésta. La deformación longitudinal de la bobina de paladio provoca así un alargamiento de la fibra
y con ello una deformación mecánica del sensor Bragg, lo que produce un corrimiento del pico de luz reflejado
en el sensor que es una medida directa de la cantidad de hidrógeno que esta en contacto con el sensor.
En general, este detector puede ser utilizado en instalaciones de hidrógeno, en depósitos fabricados en
material compuesto (fibra de carbono o vidrio con matriz polimérica), que necesitan una supervisión de fugas
permanente durante toda su vida operativa. Del mismo modo, su uso se puede orientar tanto hacia la industria
terrestre (por ejemplo, en vehículos y centrales térmicas que utilizan como fuente de energía el hidrógeno),
como en la industria aeroespacial y aeronáutica (para la detección de fugas en depósitos, tuberías, tanques,
etc. en aviones y vehículos espaciales). También se puede emplear en entornos con gases explosivos porque
funciona con luz, lo que le hace además que no se vea afectado por campos electromagnéticos.
Innovación/Ventajas
Los sensores tipo Bragg presentan como características más relevantes:
· El diminuto tamaño, pudiendo ser embebido dentro de una estructura, por ejemplo, a base de materiales
compuestos.
· La gran sensibilidad ante la presencia de hidrógeno, permitiendo detectar con gran precisión deformaciones
mecánicas y fugas en depósitos a presión o tuberías de hidrógeno (hechos en materiales compuestos con fibra
de carbono y matriz epoxi o materiales similares), antes de que el hidrógeno salga por la superficie exterior.
· La capacidad inherente para ser multiplexados y la estabilidad en su funcionamiento.
Asimismo, el empleo de estos sensores con un casquillo de paladio alrededor de la fibra óptica permite que:
· La aplicación o formación de dicho recubrimiento se lleve a cabo a través de un procedimiento sencillo y
rápido.
· El recubrimiento a base de paladio resultante presente una elevada sensibilidad a la absorción de hidrógeno y
en consecuencia, sufra un elevado aumento de volumen.
Con esta constitución, se dispone de un recubrimiento que, además de su fácil formación, presenta una elevada
superficie de contacto con el hidrógeno, muy superior a la de un casquillo continuo tradicional, a igualdad de
grosor, o capas depositadas. Este aumento de la superficie incrementa, a su vez, la velocidad de reacción del
paladio con el hidrógeno, lo que supone:
· Una disminución en el tiempo de respuesta del sensor.
· La detección de las fugas de hidrógenos de forma más rápida.
· Una mayor seguridad en el servicio de la estructura que el sensor está monitorizando.
Además, el sensor de hidrógeno especificado puede ser aplicado ventajosamente en el exterior de una estructura
y medir la cantidad de hidrógeno que está alrededor de su punto de aplicación.
Situación de la propiedad intelectual
Patente española P200302177 concedida en 2005.
Patente en copropiedad con el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial.
Inventor/es
Alfredo Güemes Gordo
Dpto. Materiales y Producción Aeroespacial
ETSI Aeronáuticos
Universidad Politécnica de Madrid
alfredo.guemes@upm.es
Malte Frövel
Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial
Enlaces de interés
http://www.dmpa.upm.es/
http://www.inta.es/
María Antonia de la Torre Lejarraga
Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial
José María Pintado Sanjuanbenito
Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial