根据ISO 26142:2010标准对测试室内氢气传感器进行的比较分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Comparative analysis of hydrogen sensors in a test chamber following ISO 26142:2010 standards

氢气传感器性能评估及低成本测试腔室开发。通过ISO 26142:2010标准测试，发现电化学传感器综合性能最优，传感器2响应最快但略超标准阈值，传感器1重复性最佳。自行研制符合国际标准的测试装置，解决了商用腔室成本高（超8.5万美元）且不满足特定测试需求的问题。

　　

玛丽亚姆·扎哈巴（Maryam Zahaba）|J. 努尔-阿卡西亚（J. Nur-Akasyah）|赫尔曼努拉利亚·法蒂哈·亚廷（Hermanuralia Fatihah Yatin）|阿利亚·赛哈拉·A·穆拉德（Alyaa Syahirah A. Murad）|穆罕默德·瓦菲乌丁·伊斯梅尔（Mohamad Wafiuddin Ismail）|万·祖里纳·萨马德（Wan Zurina Samad）|万·哈兹曼·达尼阿尔（Wan Hazman Danial）|阿兹梅尔·扎卡里亚（Azmel Zakaria）|哈立德·哈姆丹（Khaled Hamdan）|赛义夫·阿里芬·沙菲（Saiful Arifin Shafiee）|穆罕默德·费兹·艾扎姆丁（Muhammad Faiz Aizamddin）

马来西亚国际伊斯兰大学科学学院化学系，苏丹艾哈迈德沙路（Jalan Sultan Ahmad Shah），班达尔因德拉马科塔（Bandar Indera Mahkota），25200，瓜丹（Kuantan），彭亨州（Pahang），马来西亚

摘要

本研究使用根据ISO 26142:2010标准自行开发的测试装置，对三种市售氢气（H?）传感器进行了对比分析。传感器性能的评估基于准确性、稳定性、重复性、响应时间和恢复时间以及对二氧化碳（CO?）的选择性。通过绝对误差和相对误差分析对准确性进行了统计量化。结果表明，传感器1和传感器2具有最高的准确性，其中传感器2还表现出良好的稳定性。重复性测试显示传感器1产生的多周期测量结果最为一致。传感器2的响应速度最快，尽管其响应时间和恢复时间略高于ISO 26142:2010的标准阈值。所有传感器在存在CO?的情况下仍保持对H?的选择性。总体而言，研究结果强调了控制测试条件和标准化评估协议的重要性。在所评估的传感器中，基于电化学原理的传感器在关键参数上表现最佳。

引言

目前，市场上有各种不同工作原理的氢气检测传感器。这些传感器包括电化学传感器[[1], [2], [3]]、超声波传感器[[4], [5], [6]]、催化燃烧传感器[7,8]、金属氧化物半导体（MOS）传感器[[9], [10], [11]]以及红外传感器[12]]。这些类型的传感器已被证明对氢气（H?）的检测非常有效[[13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22]]。每种传感器都有其优势和局限性，适用于不同的应用环境和场景。这是因为每种传感器具有不同的特性，如选择性、灵敏度、响应时间和工作条件[23]。在所有氢气传感器中，电化学传感器因能够检测极低浓度的氢气而显示出巨大的潜力[24]。对于安全应用而言，氢气传感器必须具备高灵敏度，能够检测从微量到接近爆炸下限（LEL）的浓度范围，正如参考文献[25]中所强调的。此外，传感器还必须在宽温度范围内可靠运行，从低温条件到高温环境都能适用。这一要求源于氢气在空气中的易燃性范围（4–75体积%）及其极低的点火能量（23% H?–空气混合物为0.017 mJ）[26]。然而，氢气电化学传感器可能会受到环境因素的影响，包括固体电解质的热稳定性限制[27]、液体电解质的操作温度限制[28]，以及对一氧化碳的交叉敏感性，这可能导致读数不准确或出现假阳性[29,30]。 为了确定最合适的氢气传感器，需要按照国际标准化组织（ISO）26142:2010标准规定的测试要求进行系统评估[31]。以往的研究通常侧重于单个参数来评估符合ISO 26142标准的商用氢气传感器的性能，而不是进行全面评估。例如，一些研究主要关注可靠性[32,33]，而另一些则关注响应时间[34]、选择性或抗中毒能力[35,36]。这些片面的评估使得难以全面了解传感器在标准化条件下的性能。本研究通过提供符合ISO 26142测试条件的多参数比较（如准确性、稳定性、选择性、重复性、响应时间和恢复时间），填补了这一空白。

由于来自文献综述和制造商数据表的数据是使用不同的实验设置测量的，因此无法直接进行比较[23]（例如准确性、选择性、稳定性和重复性数据）。因此，本研究在一个受控测试装置内，使用相同的实验设置对这些选定的氢气传感器参数进行了比较。然而，市场上的现有测试装置价格昂贵，最低起价为85,000美元，具体取决于尺寸和性能[37]。除了成本问题外，市售的测试装置并不总是能够满足ISO 26142:2010中规定的具体测试要求[31]。因此，本研究还开发了一个使用亚克力材料制成的测试装置，用于符合ISO 26142:2010标准的初步研究。

本研究的新颖之处在于，在专门构建的符合ISO标准的测试装置中，同时评估了六种商用氢气传感器的关键性能参数。此外，该研究还展示了一种适用于氢气传感器评估的经济型测试装置设计。

方法论

方法

本节将逐步介绍如何使用比较方法来评估氢气传感器。该方法包括两个重要方面：一是开发用于控制测试条件的测试装置，二是在这些受控条件下测试氢气传感器。

结果与讨论

本研究采用的测试程序符合ISO 26142:2010标准，该标准规定了氢气检测装置的性能评估方法。先前的一些研究已经证明了ISO 26142:2010的适用性，例如参考文献[32,33]中使用该标准来确定氢气传感器的响应时间。最近还有研究将这一标准作为参考框架，探讨了氢气传感技术的进步。

结论

本研究成功开发了一个符合ISO 26142:2010标准的低成本环境测试装置，并证明了其能够用于氢气传感器的性能测试。该装置为评估氢气传感器提供了受控环境，也适用于任何氢气检测装置，无论是固定式还是移动式应用，使其成为性能测试研究的宝贵工具。

研究还表明，每种商用氢气传感器都有其独特的优势。

作者贡献声明

玛丽亚姆·扎哈巴（Maryam Zahaba）：撰写 – 审稿与编辑、方法论、概念构思。 J. 努尔-阿卡西亚（J. Nur-Akasyah）：撰写 – 初稿、方法论、调查、数据分析、概念构思。 赫尔曼努拉利亚·法蒂哈·亚廷（Hermanuralia Fatihah Yatin）：撰写 – 初稿、调查、数据分析。 阿利亚·赛哈拉·A·穆拉德（Alyaa Syahirah A. Murad）：撰写 – 审稿与编辑。 穆罕默德·瓦菲乌丁·伊斯梅尔（Mohamad Wafiuddin Ismail）：监督。 万·祖里纳·萨马德（Wan Zurina Samad）：监督。 万·哈兹曼·达尼阿尔（Wan Hazman Danial）：监督。 阿兹梅尔·扎卡里亚（Azmel Zakaria）：资金获取。 哈立德·哈姆丹（Khaled Hamdan）：资金获取。

科学写作中生成式AI的声明

在准备本研究的过程中，作者使用了Grammarly和ChatGPT来改进语言表达和可读性。使用这些工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

资金支持

本研究获得Petroliam Nasional Berhad（PETRONAS）的资助，资助协议编号为：SPP24-233-0233。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Petroliam Nasional Berhad（PETRONAS）提供的财务支持。同时，作者也要感谢马来西亚国际伊斯兰大学（IIUM）为本文的准备工作提供的设施支持。