專利名稱：穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)系統(tǒng)及檢 測(cè)方法。
背景技術(shù)：
城市燃料電池客車普遍使用的動(dòng)力源是質(zhì)子交換膜燃料電池，燃料源是氫 氣。質(zhì)子交換膜燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝 置。氫氣經(jīng)擴(kuò)散層進(jìn)入燃料電池的陽(yáng)極，過(guò)濾后的空氣經(jīng)擴(kuò)散層進(jìn)入陰極。經(jīng)陽(yáng)
極催化劑的作用，使得氫原子分解成兩個(gè)氫質(zhì)子(proton )與兩個(gè)電子 (electron )，陽(yáng)極反應(yīng)為H2—2H++2e，其中質(zhì)子被氧"吸引"到磺酸型質(zhì)子 交換膜的另一邊，電子則經(jīng)由外電路形成電流后，到達(dá)陰極。在陰極催化劑的作 用下，氫質(zhì)子、氧及電子，發(fā)生反應(yīng)形成水分子，因此水可說(shuō)是燃料電池唯一的 排放物，陰極反應(yīng)為l/202+2H++2e—H20。
用氫氣壓縮機(jī)把氫氣壓縮灌入到車上攜帶的壓力容器組中，是目前最簡(jiǎn)單和 最常用的車載純氫儲(chǔ)存方法。世界已有的燃料電池大客車示范項(xiàng)目中，采用這種 車載儲(chǔ)氫方法的就占了大多數(shù)。耐高壓的儲(chǔ)氫壓力容器及材料是這種方法的關(guān) 鍵。對(duì)于最高可達(dá)35兆帕的高壓氫氣，多采用鋁內(nèi)膽，外層用碳纖維完全纏繞 的氣瓶?jī)?chǔ)存。
反應(yīng)氣體輸入速度、壓力、濕度、溫度等外部參數(shù)對(duì)電池性能均有影響，所 以從氣瓶到燃料電池的氫氣輸送過(guò)程，不僅要使高壓氫氣減壓至燃料電池進(jìn)口最 佳壓力范圍(一般燃料電池氫氣運(yùn)行相對(duì)壓力范圍在0.1至0.5Mpa之間)，還要 對(duì)氫氣的濕度，溫度和流量依據(jù)不同工況進(jìn)行控制。對(duì)于250Kw的燃料電池的全功率輸出，需要的氫氣流量接近2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方米/分，輸出100Kw時(shí)，大約需 要1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方米/分的氫氣流量，怠速時(shí)維持燃料電池所需的最小流量約為0.08 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方米/分。
國(guó)際上車輛油耗普遍采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工況法油耗來(lái)表示，它是根據(jù)工況法排放 試驗(yàn)結(jié)果，采用碳平衡法計(jì)算而來(lái)的。其與油耗儀得到的消耗量數(shù)值誤差在2% 左右，而油耗試驗(yàn)方法中一般都規(guī)定油耗儀測(cè)量精度為±2%。這是針對(duì)傳統(tǒng)汽 油機(jī)和柴油機(jī)而言。而由于氫氣在輸送過(guò)程中要經(jīng)過(guò)加濕，電極反應(yīng)時(shí)的泄漏， 生成物水的自然蒸發(fā)等因素均導(dǎo)致不能用元素守恒的方法來(lái)計(jì)算燃料消耗量。 SAE J2572C2006)中明確規(guī)定了底盤(pán)測(cè)功機(jī)上所做的試驗(yàn)在一個(gè)測(cè)試循環(huán)中測(cè)量 消耗的氫氣質(zhì)量的總精度達(dá)到土1.0。/。RD。目前燃料電池車上多用流量計(jì)和管路 上安裝的溫度壓力傳感器進(jìn)行氫氣消耗量的計(jì)算。對(duì)于流量計(jì)測(cè)量，由于氫氣流 量變化范圍大，流動(dòng)過(guò)程中的溫度變化范圍也較大，使得不同種類流量計(jì)測(cè)量的 精度也不一樣。對(duì)于使用溫度壓力傳感器測(cè)量，由于管路上的溫度壓力并不能代 表瓶?jī)?nèi)的初末平衡狀態(tài)時(shí)的溫度壓力，狀態(tài)方程的選取計(jì)算以及沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的 操作規(guī)程，使得這種方法存在誤差。
SAEJ2572(2006)中明確規(guī)定了三種氫氣消耗量的檢測(cè)方法(1)以燃料罐的 體積，內(nèi)部氣體的壓力和溫度為基礎(chǔ)的凈質(zhì)量變化，簡(jiǎn)稱溫度壓力法；(2)以天 甲稱量氣瓶前后重量為基礎(chǔ)的凈質(zhì)量變化，簡(jiǎn)稱稱重法；(3)以質(zhì)量流量計(jì)為基 礎(chǔ)累積積分質(zhì)量，簡(jiǎn)稱流量計(jì)法。前兩種方法是根據(jù)高壓儲(chǔ)氫容器的壓力和溫度， 或者質(zhì)量在試驗(yàn)前后的狀態(tài)變化來(lái)計(jì)算出燃料消耗量的，只能進(jìn)行底盤(pán)測(cè)功機(jī)或 道路試驗(yàn)時(shí)穩(wěn)態(tài)燃料消耗量的測(cè)量。瞬態(tài)測(cè)量只能依賴最后流量計(jì)的方法。在此 基礎(chǔ)上進(jìn)行的系列研究表明三種方法在滿足一定條件的前提下均能夠使氫氣消 耗量的測(cè)量精度滿足士1.0。/。RD的要求。現(xiàn)有的檢測(cè)方法方案有兩種， 一種是在 標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中規(guī)定的工況試驗(yàn)下直接將三種方案之間相互對(duì)比， 一種是設(shè)置能夠產(chǎn) 生讀數(shù)精度在±1%的流量音速噴嘴作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，以此基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行三種方法的精度對(duì)比。圖1為后一種方案進(jìn)行的重量法、溫度壓力法和重量法的檢測(cè)裝置原理 圖。此方案的關(guān)鍵是調(diào)節(jié)音速噴嘴上游和下游壓力比在2: 1以上，喉部氣體流 速達(dá)到音速狀態(tài)。此時(shí)通過(guò)控制上游壓力可以任意控制流量。利用氣瓶表面貼上 的溫度應(yīng)變片及高壓氣瓶出口處的壓力傳感器得到溫度壓力法的數(shù)據(jù)。氣瓶與軟 管連接直接放置在具有防振架和防風(fēng)裝置的電子天平上，在試驗(yàn)前后稱重可以得 到重量法的數(shù)據(jù)。利用管路屮安裝的流量計(jì)可以得到流量計(jì)法的數(shù)據(jù)。最后根據(jù) 音速噴嘴得到的標(biāo)準(zhǔn)流量可以計(jì)算出各方法以此標(biāo)準(zhǔn)流量為基準(zhǔn)的精度，稱重法 和溫度壓力法的數(shù)據(jù)精度在士1.0。/。RD內(nèi)，但是不論科氏質(zhì)量流量計(jì)還是熱式質(zhì) 量流量計(jì)，都不能準(zhǔn)確，響應(yīng)快速并且大范圍的測(cè)量流量。 現(xiàn)有氫氣消耗量檢測(cè)方法方案有以下技術(shù)缺陷
對(duì)于第一種檢測(cè)方法方案，將三種方法之間相互對(duì)比，并沒(méi)有一個(gè)基準(zhǔn)，這 樣的相對(duì)精度是沒(méi)有說(shuō)服力的。
對(duì)于第二種檢測(cè)方法方案，音速噴嘴的流量控制要依靠上游和下游減壓閥穩(wěn) 定壓力，還要用上游減壓閥調(diào)節(jié)壓力，這對(duì)減壓閥的要求很苛刻，并且也沒(méi)有提 出相應(yīng)的減壓閥技術(shù)數(shù)據(jù)要求，容易造成測(cè)量的二次誤差。溫度壓力法中，溫度 應(yīng)變片僅僅是貼在高壓氣瓶外部，然后通過(guò)系列試驗(yàn)及流體數(shù)值仿真確定最能代 表瓶?jī)?nèi)溫度的那一表面區(qū)域。對(duì)于不同材料和結(jié)構(gòu)的氣瓶，并沒(méi)有試驗(yàn)?zāi)茏C明這 個(gè)區(qū)域的確定是不是都是一樣的，證明過(guò)程也相當(dāng)繁瑣。壓力傳感器設(shè)置在管路 上，由于管路及瓶閥等部件的壓損，也會(huì)給壓力傳感器的測(cè)量帶來(lái)誤差。重量法 測(cè)量時(shí)，與氣瓶相連的那一段管路會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，對(duì)于高精度電子大平，這樣的力 很容易造成附加讀數(shù)，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，特別提出一種穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè) 系統(tǒng)及檢測(cè)方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
8一種穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中在高壓氣瓶l的瓶閥9連接的主管 路上依次安裝有瓶口電磁閥10、卡套式接頭11、可拆卸管路旋擰閥12、干路電
磁閥13、干路手動(dòng)閥14、第一級(jí)減壓閥15、安全閥16、第二級(jí)減壓閥17、流量 控制器18和阻火器19。
其中，可拆卸管路旋擰閥12和干路電磁閥B之間的主管路兩側(cè)安裝有吹掃 用氫氣瓶21和吹掃用氮?dú)馄?0的兩個(gè)支路管路；干路電磁閥13和干路手動(dòng)閥 14之間的主管路一側(cè)安裝有依次連接的單向閥22、加注管路手動(dòng)閥23和加注接 口 24的一個(gè)支路管路。
高壓氣瓶1的瓶閥9上集成有瓶閥壓力傳感器6、瓶閥溫度傳感器8、瓶閥 泄壓閥7。
高壓氣瓶1的尾堵4集成有尾堵壓力傳感器3、尾堵溫度傳感器2、尾堵泄 壓閥5，其中壓力傳感器3和溫度傳感器2的傳感器探頭伸入瓶?jī)?nèi)，直接接觸氣 體進(jìn)行測(cè)量。
所述卡套式接頭11從主管路上拆開(kāi)，可將由高壓氣瓶l、瓶口電磁閥10和 卡套式接頭11組成的稱量區(qū)100從主管道上獨(dú)立出來(lái)，電磁閥10和可拆卸管路 旋擰閥12分別密封被拆卸開(kāi)的卡套式接頭11左右兩段管路。
所述高壓氣瓶1的瓶閥9和尾堵4的溫度傳感器精度為0. 5%FS，壓力傳感器 精度為0. 01%FS，高壓氣瓶1及第一級(jí)減壓閥15前的管路承受的最大壓力為35 兆帕，管路的最大設(shè)計(jì)流量為2500NLpmin。
一種穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)方法，該方法包括如下步驟-
步驟一、將裝有氫氣的高壓氣瓶1和瓶口電磁閥10組成的稱量區(qū)100放置 在電子天平上稱重，記錄此時(shí)稱量區(qū)100的重量；
步驟二、通過(guò)卡套式接頭9將稱量區(qū)100的管路與主管路連接，管路中各電
磁閥均為常閉狀態(tài)；
步驟三、將管路系統(tǒng)通電后，打開(kāi)瓶口電磁閎10、可拆卸管路旋擰閥12、
9干路電磁閥]3和干路手動(dòng)閥14后，開(kāi)啟吹掃用氫氣瓶21，將第一級(jí)減壓閥15 后的壓力調(diào)節(jié)至20 25bar，將第二級(jí)減壓閥17后的壓力調(diào)節(jié)至2 5bar，流量控 制器18的流量值設(shè)定為50 100NL/min，吹掃管路30 60秒后，關(guān)閉吹掃用氫氣 瓶；
步驟四、將流量控制器18的流量值設(shè)定為工況值，開(kāi)啟高壓氣瓶1，放氣至 瓶?jī)?nèi)壓力降低1 2MPa后關(guān)閉，靜置不少于20分鐘后，系統(tǒng)斷電并旋緊可拆卸 管路旋擰閥12，將稱量區(qū)IOO從卡套式接頭11處拆下，放置在電子天平上稱重；
待天平讀書(shū)穩(wěn)定后，將精度為M4的砝碼從大至小逐個(gè)放置在電子天平上， 直至其讀數(shù)與步驟一中的讀數(shù)一致，記錄下此時(shí)的砝碼總重量即可得出一組氫氣 的消耗量；
將在高壓氣瓶1的瓶閥9和尾堵4兩處測(cè)量點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的壓力和溫度值繪制 成曲線，并分別將放氣前后壓力和溫度的穩(wěn)定值代入公式
z(A r) 二 1 +1 ^ vy (p讚a)'-1 (77100 K)"" (i)
和細(xì)=~^7 — ^7 (2)
得到溫度壓力法計(jì)算的瓶口和瓶尾氫氣消耗質(zhì)量；
式(1)適用于溫度范圍為200-400開(kāi)爾文、壓力在45兆帕下的氫氣。其中，
z——壓縮因子
P——?dú)錃鈮毫?，兆帕?br> T——?dú)錃鉁囟龋_(kāi)爾文；
常數(shù)、和 的值如下表所示
z' / v"
2 1 0.036719 —1.232 2 -0.039839 -2.22
3 1 -0.0014722 -2.68
3 2 0. 。024083 -3. 1
4 1 0.65994e-5 -2.7
4 2 -0. 15469e-4 -4. 3
5 1 -0. 13383e-6 _3. 1
6 1 0. 15608e-8 —4. 1 式(2)中，
M——?dú)錃獾哪栙|(zhì)量，0.002016千克/摩爾；
R——?dú)怏w常數(shù)，8.314472焦耳/(摩爾 開(kāi)爾文)；
V——高壓氣瓶latm， 15-C時(shí)總的水容積體積，立方米；
A——放氣前氫氣壓力，巾白；
p2——放氣后氫氣壓力，巾白；
t;——放氣前氫氣溫度，開(kāi)爾文；
r2——放氣前氫氣溫度，開(kāi)爾文；
Am——溫度壓力法計(jì)算的氫氣消耗質(zhì)量，kg。
步驟五、不將稱量區(qū)IOO裝入主管路，將其余管路系統(tǒng)通電，打開(kāi)吹掃用氮 氣瓶20，將第一級(jí)減壓閥15后的壓力調(diào)節(jié)至20 25bar，將第二級(jí)減壓閥17后的 壓力調(diào)節(jié)至2 5bar，流量控制器18的流量值設(shè)定為30 100NL/min，放氣30-60 秒后，關(guān)閉吹掃用氮?dú)馄?0，并旋緊干路手動(dòng)閥13。
當(dāng)高壓氣瓶1中氫氣不足時(shí)，旋緊主管路手動(dòng)閥14，打開(kāi)瓶口電磁閥10、 可拆卸管路旋擰閥12和干路電磁閥13，從加注接口 24端可向高壓氣瓶1中加注 氫氣。另外，在測(cè)量過(guò)程中，可重復(fù)所述步驟四的過(guò)程，得出多組測(cè)量值后，再進(jìn) 行所述步驟五，對(duì)管路進(jìn)行氮?dú)獯祾摺?br> 所述步驟四中放氣后壓力和溫度的穩(wěn)定值為放氣結(jié)束后4 7分鐘內(nèi)實(shí)時(shí)采集
的壓力和溫度^:的平均值，此平均值可以代表高壓氣瓶1內(nèi)的氣體達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)
的壓力和溫度值。
本發(fā)明有益效果為將瓶與管路脫離后稱重，設(shè)置氫氣瓶加氮?dú)馄看祾吖苈?br> 以及溫度壓力傳感器設(shè)置于瓶?jī)?nèi)都可以提高測(cè)量的精度，設(shè)計(jì)加注管路，方便氣
體的直接灌注入高壓氣瓶以及利用稱重法和砝碼校正作為基準(zhǔn)，都便捷了對(duì)穩(wěn)態(tài)
氫氣消耗量檢測(cè)方法的研究。


圖1為現(xiàn)有氫氣消耗量檢測(cè)方法方案裝置； 圖2為本發(fā)明氫氣消耗量檢測(cè)系統(tǒng)示意其中1為高壓氣瓶，2為尾堵溫度傳感器，3為尾堵壓力傳感器，4為尾堵， 5為尾堵泄壓閥，6為瓶閥壓力傳感器，7為瓶閥泄壓閥，8為瓶閥溫度傳感器， 9為瓶閥，IO為瓶口電磁閥，U為卡套式接頭，12為可拆卸管路旋擰閥，13為 干路電磁閥，14為干路手動(dòng)閥，15為第一級(jí)減壓閥，16為安全闊，17為第二級(jí) 減壓閥，18為流量控制器，19為阻火器，20為吹掃用氮?dú)馄浚?1為吹掃用氫氣 瓶，22為單向閥，23為加注管路手動(dòng)閥，24為加注接口， 25為音速噴嘴，26 為燃料電池堆，27為電子天平，IOO為稱量區(qū)。
圖3為本發(fā)明瓶?jī)?nèi)壓力曲線圖4為本發(fā)明溫度曲線其中虛線為尾堵處的溫度傳感器測(cè)量的實(shí)時(shí)溫度曲線，實(shí)線為瓶閥處的溫度 傳感器測(cè)量的實(shí)時(shí)溫度曲線。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 實(shí)施例1
參照?qǐng)D2， 一種穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)系統(tǒng)，與高壓氣瓶l的瓶閥9連接的主 管路上依次安裝有瓶口電磁閥10、卡套式接頭ll、可拆卸管路旋擰閥12、干路
電磁閥13、干路手動(dòng)閥14、第一級(jí)減壓閥15、安全閥16、第二級(jí)減壓閥17、流 量控制器18和阻火器19;可拆卸管路旋擰閥12和干路電磁閥13之間的主管路 兩側(cè)安裝有吹掃用氫氣瓶21和吹掃用氮?dú)馄?0的兩個(gè)支路管路；干路電磁閥13 和干路手動(dòng)閥14之間的主管路一側(cè)安裝有依次連接的單向閥22、加注管路手動(dòng) 閥23和加注接口 24的一個(gè)支路管路。
高壓氣瓶1的瓶閥9上集成有瓶閥壓力傳感器6、瓶閥溫度傳感器8、瓶閥 泄壓閥7;高壓氣瓶1的尾堵4集成有尾堵壓力傳感器3、尾堵溫度傳感器2、尾 堵泄壓閥5。
本發(fā)明實(shí)例中，首先將裝有氫氣的高壓氣瓶1和瓶口電磁閥10組成的稱量 區(qū)100放置在電子天平上稱重，并記錄此時(shí)稱量區(qū)100的質(zhì)量。之后將稱量區(qū)100 連接入氫氣消耗量檢測(cè)系統(tǒng)，包括旋緊卡套式接頭11及連接高壓氣瓶1上的傳 感器電氣連線。將管路系統(tǒng)通電后，人工打開(kāi)干路手動(dòng)閥14和可拆卸管路旋擰 閥12，并打開(kāi)瓶口電磁閥10和干路電磁閥13后，開(kāi)啟吹掃用氫氣瓶21，將第 一級(jí)減壓閥15后的壓力調(diào)節(jié)至21bar ，將第二級(jí)減壓閥17后的壓力調(diào)節(jié)至 2.5bar，流量計(jì)18的流量值設(shè)定為50NL/min，吹掃管路60秒后，關(guān)閉吹掃用 氫氣瓶。將流量控制器18的流量值設(shè)定為工況值，開(kāi)啟高壓氣瓶l，放氣至瓶?jī)?nèi) 壓力降低約lMPa后關(guān)閉，等待20分鐘，系統(tǒng)斷電并旋緊可拆卸管路旋擰闊12， 將稱量區(qū)100從卡套式接頭11處拆下，并放置在電子天平上稱重并得到砝碼校 正后的氫氣消耗質(zhì)量。
參照?qǐng)D3、圖4在高壓氣瓶1的尾堵4處實(shí)時(shí)采集的壓力和溫度值繪制成的
曲線上取放氣前的一段水平部分，計(jì)算溫度和壓力的平均值，得到壓力為P,帕，溫度為^開(kāi)；再在所述曲線上放氣結(jié)束段4 7分鐘之間的位置，取一水平段計(jì)算 溫度和壓力的平均值，得到壓力為ft帕，溫度為 ;開(kāi)，代入式(1):
々,D = 1 +1 i>, (p /旨a)" (77100 K)"') (i)
w戶i
計(jì)算得到放氣前的Zl值和放氣后的Z2值。再利用式(2):
代入數(shù)據(jù)，得到用溫度壓力法計(jì)算的尾堵4處氫氣消耗質(zhì)量。相同的方法可 以得到用溫度壓力法計(jì)算的瓶閥9處氫氣消耗質(zhì)量。
經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，可以得到一組完整的溫度壓力法和稱重法測(cè)量的氫氣消耗質(zhì) 量。以下是多組溫度壓力法和稱重法測(cè)量的氫氣消耗質(zhì)量
試驗(yàn)編 號(hào)溫度壓力法 計(jì)算質(zhì)量 瓶口 (克)溫度壓力法 計(jì)算質(zhì)量 瓶尾(克)砝碼校正質(zhì) 量 (克)以重量法為基 準(zhǔn)的溫度壓力 法誤差瓶口 (％)以重量法為基 準(zhǔn)的溫度壓力 法誤差瓶尾 (%)
177. 077. 177. 6-0. 77-0. 64
250.048.949. 31. 42-0.81
392. 392. 793.0-0. 75-O. 32
利用瓶尾處測(cè)得的溫度壓力值計(jì)算得到的氫氣消耗質(zhì)量的誤差小于瓶口處的。
不將稱量區(qū)100裝入主管路，將其余管路系統(tǒng)通電，打開(kāi)吹掃用氮?dú)馄?0， 將第一級(jí)減壓閥15后的壓力調(diào)節(jié)至21bar，將第二級(jí)減壓闊17后的壓力調(diào)節(jié)至 2. 5bar，流量控制器18的流量值設(shè)定為30NL/min，放氣60秒后，關(guān)閉吹掃用氮 氣瓶20，并旋緊干路手動(dòng)閥13。
給氣瓶1加注時(shí)，首先要旋緊干路手動(dòng)閥14，打開(kāi)可拆卸管路旋擰閥12。 與氣源連接后，通電，打開(kāi)瓶口電磁閥10和干路電磁閥13，并打開(kāi)氣瓶l。準(zhǔn)
14備就緒后打開(kāi)加注管路手動(dòng)閥23，即可進(jìn)行氣體的加注。 實(shí)施例2
如圖2，在將裝有氫氣的高壓氣瓶1和瓶口電磁閥10組成的稱量區(qū)100連接 入氫氣消耗量檢測(cè)系統(tǒng)前，首先利用電子天平對(duì)稱量區(qū)100進(jìn)行三次稱重，分別 記錄下電子天平的三次讀數(shù)并取平均值，得到放氣前稱量區(qū)100的質(zhì)量為 31183. 7克。放氣結(jié)束并等待三十分鐘后，斷電，將稱量區(qū)IOO從卡套處拆卸， 并拔脫稱量區(qū)IOO上的傳感器電氣連線，再次利用電子天平對(duì)其進(jìn)行稱量，電子 天平的示數(shù)為31091. 6克，前后的示數(shù)之差為92. 1克。不將稱量區(qū)100從電子 天平上取下，同時(shí)往天平托盤(pán)上先后放置50克砝碼、20克砝碼、20克砝碼和3 克砝碼，此時(shí)電子天平讀數(shù)為31183.7克，與放氣前稱量區(qū)100的質(zhì)量一致。記 錄下此時(shí)所用的砝碼總質(zhì)量93.0克。此質(zhì)量即為砝碼校正后稱重法得到的氫氣 消耗質(zhì)量，此質(zhì)量精度好，可信度高，在本發(fā)明中作為溫度壓力法和流量計(jì)法精 度比較的基準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于在高壓氣瓶(1)的瓶閥(9)連接的主管路上依次安裝有瓶口電磁閥(10)、卡套式接頭(11)、可拆卸管路旋擰閥(12)、干路電磁閥(13)、干路手動(dòng)閥(14)、第一級(jí)減壓閥(15)、安全閥(16)、第二級(jí)減壓閥(17)、流量控制器(18)和阻火器(19)；可拆卸管路旋擰閥(12)和干路電磁閥(13)之間的主管路兩側(cè)安裝有吹掃用氫氣瓶(21)和吹掃用氮?dú)馄?20)的兩個(gè)支路管路；干路電磁閥(13)和干路手動(dòng)閥(14)之間的主管路一側(cè)安裝有依次連接的單向閥(22)、加注管路手動(dòng)閥(23)和加注接口(24)的一個(gè)支路管路；高壓氣瓶(1)的瓶閥(9)上集成有瓶閥壓力傳感器(6)、瓶閥溫度傳感器(8)、瓶閥泄壓閥(7)；高壓氣瓶(1)的尾堵(4)集成有尾堵壓力傳感器(3)、尾堵溫度傳感器(2)、尾堵泄壓閥(5)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所 述尾堵(4)上的尾堵壓力傳感器(3)和尾堵溫度傳感器(2)的傳感器探頭伸 入瓶?jī)?nèi)，直接接觸氣體進(jìn)行測(cè)量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于卡 套式接頭(11)從主管路上拆開(kāi)，可將由高壓氣瓶(1)、瓶口電磁閥(10)和卡 套式接頭(11)組成的稱量區(qū)(100)從主管道上獨(dú)立出來(lái)，瓶口電磁閥(10) 和可拆卸管路旋擰閥(12)分別密封被拆卸開(kāi)的卡套式接頭(11)左右兩段管路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所 述高壓氣瓶(1)的瓶閥(9)和尾堵(4)的溫度傳感器精度為0.5%FS，壓力傳 感器精度為0.019&FS，高壓氣瓶(1)及第一級(jí)減壓閥(15)前的管路承受的最大壓力為35兆帕，管路的最大設(shè)計(jì)流量為2500NLpmin。
5、 一種穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)方法，其特征在于包括如下步驟 步驟一、將裝有氫氣的高壓氣瓶(1)和瓶口電磁閥(10)組成的稱量區(qū)(100) 放置在電子天平上稱重，記錄下此時(shí)稱量區(qū)(100)的重量；步驟二、通過(guò)卡套式接頭(9)將稱量區(qū)(100)的管路與主管路連接，管路 中各電磁閥均為常閉狀態(tài)；步驟三、將管路系統(tǒng)通電后，開(kāi)始實(shí)時(shí)采集高壓氣瓶(1)的瓶閥(9)和尾 堵(4)兩處壓力傳感器和溫度傳感器的壓力和溫度值。打開(kāi)瓶口電磁閥(10)、 可拆卸管路旋擰閥(12)、干路電磁閥(13)和干路手動(dòng)閥(14)后，開(kāi)啟吹掃 用氫氣瓶(21)，將第一級(jí)減壓閥(15)后的壓力調(diào)節(jié)至20 25bar，將第二級(jí)減 壓閥(17)后的壓力調(diào)節(jié)至2 5bar，流量控制器(18)的流量值設(shè)定為 50~100NL/min，吹掃管路30 60秒后，關(guān)閉吹掃用氫氣瓶；步驟四、將流量控制器(18)的流量值設(shè)定為工況值，開(kāi)啟高壓氣瓶(1), 放氣至瓶?jī)?nèi)壓力降低1 2MPa后關(guān)閉，靜置不少于20分鐘后，系統(tǒng)斷電并旋緊 可拆卸管路旋擰閥(12)，將稱量區(qū)(100)從卡套式接頭(11)處拆下，放置在 電子天平上稱重；待天平讀書(shū)穩(wěn)定后，將M4等級(jí)的砝碼從大至小逐個(gè)放置在電子天平上，直 至其讀數(shù)與步驟一中的讀數(shù)一致，記錄下此時(shí)的砝碼總重量，即可得出一組氫氣 的消耗量；將在高壓氣瓶(1)的瓶閥(9)和尾堵(4)兩處測(cè)量點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的壓力和 溫度值繪制成曲線，并分別將放氣前后壓力和溫度的穩(wěn)定值代入公式z(p, r): 1 + f t, & / impw1 (r /訓(xùn)k)"" (i ),.=2 _/=1, Mp7F 雄'K 和A/^-^-^ (2)得到溫度壓力法計(jì)算的瓶口和瓶尾氫氣消耗質(zhì)量；其中式(1)適用于溫度范圍為200-400開(kāi)爾文、壓力在45兆帕下的氫氣;z——壓縮因子；P——?dú)錃鈮毫?，兆帕；T——?dú)錃鉁囟龋_(kāi)爾文；常數(shù)、和 的值如下表所示_/v 210. 036719-1. 2322-0. 039839-2.2231-0. 0014722-2. 68320. 0024083-3. 1410. 65994e-5-2. 742-0. 15469e-4_4. 351-0. 13383e-6_3. 1610. 15608e-8_4. 1式(2)中，M——?dú)錃獾哪栙|(zhì)量，0.002016千克/摩爾；R——?dú)怏w常數(shù)，8.314472焦耳/(摩爾 開(kāi)爾文)；V——高壓氣瓶latm， 15。C時(shí)總的水容積體積，立方米;A——放氣前氫氣壓力，巾fi; A——放氣后氫氣壓力，巾白； K——放氣前氫氣溫度，開(kāi)爾文； r2——放氣前氫氣溫度，開(kāi)爾文；Aw——溫度壓力法計(jì)算的氫氣消耗質(zhì)量，千克；步驟五、不將稱量區(qū)(100)裝入主管路，將管路系統(tǒng)通電，打開(kāi)吹掃用氮 氣瓶(20)，將第一級(jí)減壓閥(15)后的壓力調(diào)節(jié)至20 25bar，將第二級(jí)減壓閥 (17)后的壓力調(diào)節(jié)至2 5bar，流量控制器(18)的流量值設(shè)定為30~100NL/min， 放氣30 60秒后，關(guān)閉吹掃用氮?dú)馄?20)，并旋緊干路手動(dòng)閥.(13)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)方法，其特征在于在 測(cè)量過(guò)程中，可重復(fù)所述步驟四的過(guò)程，得出多組測(cè)量值后，再進(jìn)行所述步驟五， 對(duì)管路進(jìn)行氮?dú)獯祾摺?br> 7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)方法，其特征在于所 述步驟四中放氣后壓力和溫度的穩(wěn)定值為放氣結(jié)束后4 7分鐘內(nèi)實(shí)時(shí)采集的壓力和溫度值的平均值。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)方法，其特征在于當(dāng) 高壓氣瓶(1)中氫氣不足時(shí)，旋緊主管路手動(dòng)閥(14)，打開(kāi)瓶口電磁閥(10)、 可^^斥卸管路旋擰閥(12)和干路電磁閥(13)，從加注接口 (24)端可向高壓氣 瓶(1)中加注氫氣。
全文摘要
本發(fā)明屬于氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法。所述系統(tǒng)在高壓氣瓶的瓶閥連接的主管路上依次安裝有瓶口電磁閥、卡套式接頭、可拆卸管路旋擰閥、干路電磁閥、干路手動(dòng)閥、第一級(jí)減壓閥、安全閥、第二級(jí)減壓閥、流量控制器和阻火器。該方法經(jīng)過(guò)測(cè)量氣瓶放氣前后的重量及氣瓶尾堵和瓶閥處的溫度、壓力值可得出三組氫氣消耗量值。本發(fā)明設(shè)置氫氣瓶加氮?dú)馄看祾吖苈芬约皽囟葔毫鞲衅髟O(shè)置于瓶?jī)?nèi)都可以提高測(cè)量的精度，設(shè)計(jì)加注管路，方便氣體的直接灌注入高壓氣瓶以及利用稱重法和砝碼校正作為基準(zhǔn)，都便捷了對(duì)穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測(cè)方法的研究。
文檔編號(hào)G01G17/04GK101470020SQ200710304098
公開(kāi)日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2007年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月25日
發(fā)明者劉文斌, 盧青春, 彭媛媛, 白東方, 聶圣芳, 金振華 申請(qǐng)人:清華大學(xué)