專利名稱：測量氫氣消耗量的溫度壓力法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測量氫氣消耗量的溫度壓力法。
背景技術(shù)：
國際上車輛油耗普遍采用實驗室內(nèi)工況法油耗來表示，它是根據(jù)工況法排放
試驗結(jié)果，采用碳平衡法計算而來的。其與油耗儀得到的消耗量數(shù)值誤差在2% 左右，而油耗試驗方法中一般都規(guī)定油耗儀測量精度為±2%。這是針對傳統(tǒng)汽油 機和柴油機而言。而由于氫氣在輸送過程中要經(jīng)過加濕，電極反應(yīng)時的泄漏，空 氣中的水分以及生成物水在管道中的自然蒸發(fā)等因素均導(dǎo)致不能用元素守恒的 方法來計算燃料消耗量。SAE J2572(2006)中明確規(guī)定了底盤測功機上所做的試 驗在一個測試循環(huán)中測量消耗的氫氣質(zhì)量的總精度達到士l. 0%RD。氫氣作為一種 新興能源，和傳統(tǒng)汽油柴油一樣，其消耗量的計算直接關(guān)系著燃料電池車的經(jīng)濟 性。
在SAE J2572(2006)中明確規(guī)定的三種氫氣消耗量的檢測方法(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，簡稱溫度壓力法；(2) 以天平稱量氣瓶前后重量為基礎(chǔ)的凈質(zhì)量變化，簡稱稱重法；(3)以質(zhì)量流量計 為基礎(chǔ)累積積分質(zhì)量，簡稱流量計法。在此基礎(chǔ)上進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量精度滿足士l. 0%RD的要求。 但是其中重量法只適用于實驗室的底盤測功機試驗，不適用于路上進行測試或行 駛的車輛，所以只有穩(wěn)態(tài)氫氣消耗量檢測方法中的溫度壓力法存在實際應(yīng)用的意 義。溫度壓力法測量的主要原理是熱力學(xué)狀態(tài)方程中知道溫度、壓力、體積三個
參數(shù)后可求質(zhì)量(或者摩爾數(shù))。其中體積指的是是高壓氣瓶的內(nèi)部容積。SAE
J2572(2006)中規(guī)定高壓氣瓶的總?cè)莘e(升)應(yīng)該用在latm， 15。C時總的水容積
體積表示。由于不同材料的氣瓶在不同的溫度、壓力下表現(xiàn)出不同的膨脹(壓縮)
性質(zhì)，所以還需要試驗或相關(guān)資料提供的數(shù)據(jù)來得到某一溫度壓力下氣瓶的實際
容積。氣體的溫度壓力數(shù)據(jù)則可以通過傳感器，應(yīng)變片等測量手段獲得。當(dāng)前一
個狀態(tài)的溫度、壓力、體積及后一個狀態(tài)的溫度、壓力、體積確定后，便可以選
擇一個適合高壓氣體的氣體狀態(tài)方程來計算前后質(zhì)量，兩者做差，便可以得到氫
氣的消耗量。溫度壓力法的優(yōu)點在于可以監(jiān)測氣瓶中氫氣的泄露情況，進行實時
但卻較粗略的測量，還可以提供較便捷的應(yīng)用。缺點是運用此種方法車輛要經(jīng)過
一定改造。目前普遍認為此種方法存在比流量計法高的精度。
典型的溫度壓力方法，在針對壓力的測量時，主要在氣瓶口處放置壓力傳感
器，因為壓力較容易達到平衡狀態(tài)。在針對溫度的測量時，選擇氣瓶的豎置或橫
放位置，在氣瓶表面多處貼上溫度應(yīng)變片，經(jīng)過試驗及仿真，以確定某區(qū)域的溫
度在經(jīng)過某個較短時間后，更接近瓶內(nèi)氣體達完全平衡時的溫度。最后只需在此
區(qū)域內(nèi)某點貼上溫度應(yīng)變片，并等待十分鐘左右，便可以不用待氣瓶內(nèi)氣體達完
全平衡，就可以得到很高精度的溫度。使用適合于高壓氣體的狀態(tài)方程計算氫氣
質(zhì)量時，除了利用范德瓦爾斯方程計算而外，因為此方程的精度太低，還可以根
據(jù)溫度壓力到美國國家標準與技術(shù)研究所NIST的網(wǎng)上標準數(shù)據(jù)庫
http:〃webbook. nist. gov/chemistry/fluid/中查找該狀態(tài)下的密度值，通過該
密度值也可以求出氫氣的質(zhì)量。此外，用得最廣泛的要數(shù)壓縮因子法，其主要基
且
于這樣一個方程—^r
其中2——壓縮因子，無量綱；^——密度，克/升；M——摩爾質(zhì)量，2.016
克/摩爾；P——壓力，千帕；T——溫度，開爾文；R——氣體常數(shù)，8.314472焦耳/(摩爾 開爾文)。
壓縮因子Z的計算又有很多種方法。其中一種是已知一定試驗溫度、壓力點 下氫氣的壓縮因子，然后插值計算所需點的壓縮因子代入即可。 各狀態(tài)下氫氣的壓縮因子表 P T (開爾文)
(兆帕)263.15 273.15 283.15 293.15 303.15 313.15 323.15
0. 11.00071.00061.00061.00061.00061.00061.0006
11.00661.00641.00631.00611.00601.00591.0057
31.01971.01931.01891.01841.01801,01761.0172
51.03291.03221.03151.03081.03001.02941.0287
71.04621.04521.04411.04311.04211.04111.0402
91.05961.05821.05681.05551.05421.05291.0517
111.07311.07141.06971.06801.06631.06481.0632
131.08681.08471.08251.08051,07851.07661.0748
151.10061.09801.09551.09311.09081.08851.0864
171.11441.11151.10861.10581.10311.10051.0980
191.12841.12501.12171.11851.11541.11261.1097
211,14261.13871.13491.13131.12791.12461.1215
231.15681.15241.14821.14421.14031.13671.1332
251.17111.16621.16161.15711.15291.14891.1451
271.18551.腿1.17501.17011.16551.16111.1569
291.20001.19411.18851.18321.17811.17331.1687
311.21461.20821.20211.19631.19091.18561.1807
此外，Benedict-Webb-Rubin狀態(tài)方程給出了更精另外一種是將溫度、壓力直接代入壓縮因子Z的狀態(tài)方程，比如Younglove和McLinden提出的具有極高 精度的MBWR方程的32參數(shù)截斷形式
"p燈+ l;c(w:r' +￡c(/)p"'r"' exp["2]
/=1 ,=20
其中，G(/)， "'， m'， r是由氣體特性決定的常數(shù)。
上述測量氫氣消耗量的溫度壓力方法存在以下技術(shù)缺陷 雖然壓力容易達到平衡，但是由于從瓶口到壓力傳感器間還要經(jīng)過一段管 路，此段管路及其上的閥門會對里面流動的流體產(chǎn)生壓損，導(dǎo)致測量的誤差。另 外，溫度和壓力的測量在時間上要求較好的一致性，因為某個特定狀態(tài)的溫度壓 力值應(yīng)當(dāng)是同時測得的值，所以如果將溫度與壓力分割為已有的方式進行測量， 也會導(dǎo)致誤差。最重要的是壓力誤差0.1Mpa，將引起質(zhì)量計算大約3.5g的誤 差，溫度誤差0.5度，將引起大約0.6g的誤差，由此可見壓力帶來的質(zhì)量計算 誤差要比溫度帶來的大得多，所以將壓力傳感器放置在出口管路上并不是一種好 的選擇。
對于溫度的測量方法來說，由于僅僅在外表面貼應(yīng)變片，并未與氣體真正接 觸，測量精度的重復(fù)性沒有保證。確定代表溫度區(qū)域時，與氣瓶的放置位置，應(yīng) 變片的布置方式有很大關(guān)系，所以此區(qū)域的確定存在著很大分歧。 通過美國國家標準與技術(shù)研究所NIST的化學(xué)手冊上查找該狀態(tài)下的密度值求出 氫氣的質(zhì)量的方法應(yīng)用不便，其一是受網(wǎng)絡(luò)的限制，其二是計算機編程受到限制。 所以，較好的計算方法需要從壓縮因子法中獲得，Younglove和McLinden提出的 具有極高精度的MBWR方程的32參數(shù)截斷形式可以得到很精確的結(jié)果，但比較復(fù) 雜，應(yīng)用不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，特別提供一種測量氫氣消耗量的溫 度壓力法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種測量氫氣消耗量的溫度壓力法，該方法包括如下步驟
步驟一、利用集成在高壓氣瓶尾堵上的溫度傳感器和壓力傳感器與被測氣體 直接接觸進行測量，并記錄測量點穩(wěn)定后的溫度值及壓力值；其中測量點在4 7 分鐘內(nèi)即可達到穩(wěn)定值。
步驟二、通過下式計算氫氣消耗量
6 2
z(p， r) = 1 + Z》々0 /鮮a)" (77100 K)
'■=2 y=i
上述方程溫度范圍為200-400開爾文、壓力在45兆帕下的氫氣，其中各常 數(shù)見下表所示
"v
2i0.036719-1.23
22-0. 039839-2. 22
31-0.0014722-2. 68
320.0024083-3. 1
410. 65994e-5-2.7
42-0.15469e-4-4. 3
51-O.13383e-6-3. 1
610. 15608e-8-4. 1
所述溫度傳感器精度為0. 5%FS，壓力傳感器精度為0. 01%FS，兩者通過尾堵上加 工的兩個孔安裝并密封。
本發(fā)明的有益效果在于直接接觸氣體測量壓力溫度，精度較高，由于采集 頻率相等，兩者在時間上保持了較好的一致性。同時便于確定溫度傳感器的精度 和壓力傳感器的精度，當(dāng)溫度傳感器精度為0. 5%FS，壓力傳感器精度為0.0iy。FS時，可以滿足氫氣質(zhì)量消耗量的誤差在±1%內(nèi)的要求。另外，經(jīng)過試驗及仿真， 選用了尾堵這個瓶內(nèi)溫度變化相對最平穩(wěn)的區(qū)域測量，此測量區(qū)域的溫度在穩(wěn)定 七分鐘后可以代表氣瓶內(nèi)部達平衡時的溫度，能滿足氫氣質(zhì)量消耗量的誤差在士 1%內(nèi)的要求。


圖l為本發(fā)明系統(tǒng)示意其中l(wèi)為高壓氫氣瓶，2為尾堵，3為瓶口， 4為尾堵上的壓力傳感器，5為 尾堵上的溫度傳感器，6為尾堵上的壓力放空閥。
圖2為本發(fā)明瓶內(nèi)壓力曲線圖。
圖3為本發(fā)明溫度曲線圖。
具體實施例方式
下面通過具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。
參照圖1所示，將氣瓶接入管路，并將溫度和壓力傳感器的數(shù)據(jù)傳輸線連接 好之后，控制電磁閥的開啟及設(shè)定流量值，開始進行測量。放氣開始前后，數(shù)據(jù) 采集程序不斷地采集各輸入通道參數(shù)，將采集結(jié)果進行顯示、存盤和其他相關(guān)處
理，此過程一直持續(xù)到放氣結(jié)束后半小時。數(shù)據(jù)采集頻率是每秒鐘十個點。將得 到的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波可以繪制出一條較光滑的曲線，參照圖2、圖3。
通過溫度和壓力曲線計算氫氣消耗質(zhì)量的過程如下取溫度和壓力曲線放氣 前的一段水平部分，計算溫度和壓力的平均值，得到壓力為10.763兆帕，溫度 為22.04攝氏度；再在溫度和壓力曲線放氣結(jié)束段4 7分鐘之間的位置，取一 水平段計算溫度和壓力的平均值，得到壓力為10. 506兆帕，溫度為21. 72攝氏 度，代入
6 2
zO， r) = 1 + 2 2 、 (p /證a)" (77100 K)""
! =2 乂.=1z —房
計算得到放氣前的Zl值和放氣后的Z2值。再利用公式 _ 計算得到放氣前氣瓶內(nèi)的氫氣密度^和放氣后氣瓶內(nèi)的氫氣密度^2 。將密
度乘以氣瓶的體積，則可以得到放氣前氣瓶內(nèi)的氫氣質(zhì)量ml及放氣后氣瓶內(nèi)的 氫氣質(zhì)量m2，將m卜m2即可以得到氫氣消耗質(zhì)量為120. 3克。重量法的得到的數(shù) 據(jù)為120.6克，誤差在±1%以內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種測量氫氣消耗量的溫度壓力法，其特征在于包括如下步驟步驟一、利用集成在高壓氣瓶尾堵上的溫度傳感器和壓力傳感器與被測氣體直接接觸進行測量，并記錄測量點穩(wěn)定后的溫度值及壓力值；步驟二、通過下式計算氫氣消耗量上述方程溫度范圍為200-400開爾文、壓力在45兆帕下的氫氣，其中常數(shù)見下表。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量氫氣消耗量的溫度壓力法，其特征在于: 所述溫度傳感器精度為0.5%FS，壓力傳感器精度為0.01%FS，兩者通過尾堵上 加工的兩個孔安裝并密封。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量氫氣消耗量的溫度壓力法，其特征在于: 測量點的溫度在4~7分鐘內(nèi)可代表氣瓶內(nèi)部達到穩(wěn)定狀態(tài)的溫度，并記錄溫度值 及壓力值。
全文摘要
本發(fā)明屬于氣體測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測量氫氣消耗量的溫度壓力法。該方法通過利用集成在高壓氣瓶尾堵上的溫度傳感器和壓力傳感器與被測氣體直接接觸進行測量，并記錄測量點穩(wěn)定后的溫度值及壓力值，通過測量值進行計算，得到最后氫氣的消耗量。該方法直接接觸氣體測量壓力溫度，精度較高，由于采集頻率相等，兩者在時間上保持了較好的一致性。
文檔編號G01G17/00GK101470021SQ20071030477
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月29日
發(fā)明者劉文斌, 盧青春, 彭媛媛, 白東方, 聶圣芳, 金振華, 高大威 申請人:清華大學(xué)