氢气:希望之源

氢气:希望之源

镀金不锈钢膜片的压力变送器从容应对特殊气体压力测量

许多专家认为氢气在工业和交通运输中是煤、石油和天然气的理想替代品,因为它燃烧时几乎不产生废气。氢气这种多功能元素已经成功地应用于各个工业领域。然而,氢气处理起来也对高科技零部件有着更高的要求。

氢能源作为一种支柱型新能源,它还是一种可回收能源及高效率能源。利用可再生能源生产出来的的氢气是一种可持续、灵活、易运输的能源载体。除此之外,德国政府目前还投资了70亿欧元,以确保氢能源得到市场的认可,另外还有20亿欧元为海外市场做准备。重点是所谓的“绿色氢”,它完全使用可再生能源生产。只有使用绿色氢气,利用这种低碳能源,才能减少二氧化碳的排放。在欧洲,目前每年生产980万吨氢,主要使用化石燃料。因此,欧盟委员会为自己设定了一个目标,即到2024年将清洁氢的产量每年提高100万吨,到2030每年增量达1000万吨。

氢气的生产过程

氢在自然界中以化合物形式存在,不容易获得。如果将它作为气体使用,那么氢和氧的结合必须被分解。但是这个电解过程,用化学方法将氢和氧分离,需要大量的能量。如果使用来自太阳能发电厂或风力涡轮机的电力能源,它被称为“绿色”氢。如果它来自化石燃料,它被称为“灰色“氢。

氢气已经被工业大规模使用。然而,在这种情况下,它并不被用作能源载体,而是主要在基础化学和石油化学生产过程中使用。在这些应用中使用的氢主要被称为“灰色“氢,它是通过电解过程产生的,或大多来源于炼油厂产出的副产品。

氢气压力传感器:需要考虑的因素

无论氢以何种方式产生和使用,而对这种元素的处理在技术解决方案方面都要求很高。尤其研究气态的氢是一个挑战。氢是密度最低、原子半径最小的元素。

这导致了处理气体的一个基本问题:它的极高的渗透率。金属材质易被氢气渗透,这对压力传感器的使用有着极大的影响。

氢离子穿过膜片后,会形成氢分子,留在压力变送器里面。氢分子会逐渐地溶解到压力变送器中的液态硅酮里面,时间一长,硅酮中的氢气会饱和,因而形成气泡。气泡会引起零点出现移动,影响测量结果,因而降低变送器的性能。随着氢气数量的增加,隔膜会向外扩张,引起裂纹,于是压力变送器会失效。

STS AG 的创始人提过 -即使膜片厚度加倍,氢气的扩散时间也最多是加倍。

然而,STS 压力变送器采用镀金膜片与氢气接触,就能够消除渗透现象。通过这种方式,我们大大提高了传感器的安全性和使用寿命。究其原因,就是因为金的渗透性比不锈钢低1万倍。

镀金膜片

STS 集研发、生产和销售于一体,并提供测量技术中的特定应用解决方案–

从单个零部件的生产到传感器的校准和最终产品的出厂检测。应用范围涉及工程机械、海事,气体,生命科学和氢等 。

由于氢气分子体积小,能够透过材料的结构间隙渗透出来,这种过程称之为渗透。.随着时间的推移,压力传感器会因为渗透过程而无法工作。STS公司使用镀金膜片用于氢气的应用,从而大大优化了产品的使用寿命。

工作原理

金的渗透性比不锈钢低10000倍左右。在50 μm不锈钢膜片上镀1μm的金,比将膜片厚度增加至100 μm更能有效的降低氢渗透。
压阻式压力传感器ATM.1ST 正是适合这种静态和动态压力测量的应用。

测量范围在0 … 50mbar 和 0 … 1000 bar之间任意可选,精度可达到0.05%FS。迟滞性和重复性小于0.01%。由于其模块化的设计,压力传感器ATM.1ST 可以单独适应诸多应用。

精确的压力测量是开发电动气油泵的关键

精确的压力测量是开发电动气油泵的关键

在全球排放目标不断升级的推动下,OEM厂商越来越多地转向电气化,以减少燃料消耗和温室气体排放。基于此由较小引擎驱动的混合动力汽车受到大众欢迎。

这些小型发动机的问题在于,动力消耗的辅助系统严重削弱了驾驶能力和性能。幸运的是,通过用电力驱动组件替换传统的机械部件,这些附加损失可以大大减少。正因为如此,电驱动泵正迅速地进入到一系列的生产中;尤其是驾驶驱动石油和水泵。

Image 1: 电动油泵示例 (图片来源: Rheinmetall Automotive)

但是,尽管这些好处显而易见,但在技术上很复杂,尤其是油泵:工程师不仅希望在特定的流量和压力下使石油流通,而且还希望能将之与发动机需求相匹配。

为了优化性能,很重要的一点是,通过小心地控制油流到不同的油循环分支来减少摩擦和泵气损失,并确保始终正常供压。

仿真依赖于精确的试验台油压和流量信息

一个电动油泵由三个子系统构成-泵、电机和电子控制器。因此,任何新应用开发的主要挑战是这些模块的高效集成,从而减少体积和重量以及组件的数量,同时优化性能。

油泵的主要功能是在最理想的压力下输送特定的油量。出于这个原因,他的设计是个迭代过程始于“泵齿轮”。对于大多数应用来说,泵的压力超过1到2巴,通常高达10巴。

正如在大多数引擎开发中一样,模拟和真实世界测试的结合可以加快设计的步伐。

回路设计开始于容积效率的初步评估并基于类似泵应用试验结果的收集。这些包含:泵速,油温,压力和流量。

用于评估的信息是准确的这一点很重要,因此数据收集必须使用高度可靠的精确测量设备能够在极端条件下在发动机内外提供精准读数。

为了确保精确性和可重复性,在测量压力时只采用最高质的传感器这点很重要。这些压力传感器不仅能在较大压力和温度跨度范围内提供可靠的数据,

并且他们还必须能够承受振动。

多年来,STS研发的压力传感器在发动机发展历程中能够满足OEM、一级供应商和专业发动机设计人员的需求。

开发一种比机械装置性能更出色的电动油泵

根据液压要求在不同流量、输出压力和油温所收集的信息,齿轮的初步设计最终确定。使用Matlab的模拟软件,关于物理系统行为的信息可以被合理地转化为一维代码。

在这一阶段,重要的是要注意,在特定压力下产生所需的流量,应该选择转速以促进电机和泵的最佳组合,而不会产生空穴或噪音问题:因此,标准的连续操作的速度范围通常在1500到3500转/分钟之间

接下来,使用LMS仿真软件生成几种设计 。这种仿真软件可以完善设计参数-在同时满足所有压力,流量和温度边界条件下的齿数和离心率。

在计算水力学的几何特性和过渡设计的最终确定后,在关键工作点驱动泵的总扭矩可以计算如下:

Mtot = MH + MCL + Mμ

一旦设计完成,工程样机就会在发动机测试台上进行评估。

油压、流量和温度再次在不同的发动机和泵速下进行测量,以验证通过模拟得到的结果。如果结果符合规格开发项目会最终确定,项目进入产业化阶段。

为了达到最佳的性能和耐久性,很明显所有的测量都是被精确记录的,但是压力传感器所产生的信息的重要性可能超过其他所有的数据——任何点上的压力不足都能导致灾难性故障。而超压浪费能源,并可能导致油封产生问题。

高压直喷式氢气发动机是否能代替涡轮柴油机?

高压直喷式氢气发动机是否能代替涡轮柴油机?

曾经荣誉一时的柴油发动机渐渐走向它的终结。

甚至于像巴黎这种曾经鼓励使用柴油机的城市也勒令在2025年前全部停止生产。

尽管看起来不会发生,但这也充分表达了世界民众对于全球变暖和空气污染的担心。

为了适应日益严格的排放法规,生产商不断进行研究和创新:从全电动到混合动力甚至氢燃料电池都被作为可能的解决方案而不断进行测试。

尤其是氢气已经吸引了全世界研究学者的注意-它被称为清洁的燃料最终将成为未来的动力燃料。

氢气和传统的碳氢化合物的不同之处在于氢在空气中4%-75%的可燃比和在理想状态下氢的燃烧速度可以达到百米每秒。 氢气作为内燃机燃料时,极易实现稀薄燃烧,排放污染物少,热效率高。

氢燃料的四十年发展历程

氢作为燃料出现在70年代,通过注入经过改良的内燃机中进行工作,而内燃机能够在动力足、

早期的低压系统现如今仍在使用。将氢在进入燃烧室之前先混合到空气中。氢燃烧的速度是柴油燃烧速度的10倍,一旦内燃室混入柴油,消耗速度增加的同时会产生很多问题。

最有效的方法为:

  • 放出系统中的气体
  • 提前点火或是自动点火

克服此类问题的最好办法是在压缩冲程里安装能能够提供燃料喷射的高压直喷式系统。

精确的压力测量确保了燃料的充分燃烧

为确保做到燃料的充分燃烧,必须准确的在发动机上标明注射的位置。而要想做到此点必须通过温度(排气管,排气温度和冷却剂),压力(气缸,管路和喷油器),歧管和燃烧室中的湍流,和气体成分等的数据采集来实现。

混合气体的形成,以及其燃烧过程通常通过两个不同的实验来研究。第一个实验的目的在于在注射过程中得到氢在瞬态间的浓度和分布信息。

在这个实验过程中,追踪器上的激光诱导荧光被用作研究压缩和点燃状态下氢的形态的主要工具。

使用和实际C.I.发动机尺寸一致的定容燃烧室,会发现定容燃烧室内的体积和上死点上的气缸内的体积一致。加压氢气通过液压控制的针阀注入到压缩空气中。

使用高端压力传感器, 使得我们可以研究在燃烧过程中喷射压力的高效性。 通过观察未燃尽的气体的容量和动态,可以大大降低并完善 一定数量和方位的喷射器嘴的注射压力和注射方位的时间。

使用专业软件-点火延迟取决于特定压力下的温度和空气中氢 的浓度。

在变化范围10…30MPa之间的压力数据的精确记录至关重要。此外,这种方法也顾及到注射喷嘴的区域中会存在自燃的条件,这种自燃的条件对发动机从柴油机燃料转化为氢燃料的改良的喷射系统的发展是很有帮助的。

最近根据知名制造商做的测试来看,优化后的高压氢气注入发动机后发现在油耗降低的同时,功率在不断增加,可以达到42%,可以与最先进的涡轮柴油机相媲美。

基于这种发现, 如果在这些30 MPa 系统上做出优化,未来将有望发现更清洁的发动机能源。

延长优化与氢物质接触的压力变送器的使用寿命

延长优化与氢物质接触的压力变送器的使用寿命

由于氢原子非常小,它可以在渗透过程中渗透固体材料。长时间的接触和渗透过程,使得压压力传感器性能和使用寿命降低。而这种情况是可以改善的。

压阻式压力变送器, 的芯片被包裹在液压油中油。该部件又由非常薄的15至50μm厚的钢膜包裹。由于氢原子尺寸极小,气体可以通过金属的晶格扩散(见图表)。 随着时间的推移,这种穿透性气体导致信号产生大于误差的零位偏移,钢膜向外弯曲。从而导致压力传感器损坏。

氢特性概述

Infographic: malachy120///AdobeStock

压力传感器在很多作业环境下与氢气接触,无论是监控氢气罐本身,或是潜艇和汽车行业。都十分常见。特别是在后一种情况下,氢气被越来越多地用于替代性驱动系统的开发。许多制造商已经致力合并燃料电池的模型开发好几年,一些城市已经选择了氢气车作为公共交通工具。其优点是不能被忽视的,因为只需要氢气和氧气作为源燃料。通过化学反应,产生电能,且完全不产生废气(燃烧产物是水蒸气)。此外,与化石燃料相反,氢气用之不竭。该技术发展已经很先进,现在的型号在100公里内只消耗3升氢气,而一次罐装的驾驶距离可达700公里。

因此,需要高性能、高精度的压力变送器来监控车辆的氢气罐和监视车辆的氢罐内的压力和温度。这里可能会产生高达700 bar的压力,但也应涵盖较大的温度范围。 当然,压力变送器必须长时间进行监测,并达到所需精度。 为了优化氢气作业环境下传感器的使用寿命,必须考虑几个影响因素:

  • 压力范围: 通过传感器膜的气体流量与气体压力的平方根成比例。 十倍以下的压力将传感器的使用寿命提高约3倍。
  • 温度: 通过传感器膜的气体流量在较高温度下增加,并取决于材料常数。
  • 膜片厚度: 气体流量与膜厚成反比。使用100μm而不是50μm厚的膜将传感器的使用寿命增加一倍。
  • 膜面积: 气体流量与膜表面积(膜直径的平方)成正比。 使用Ø13 mm而不是Ø18.5 mm膜,传感器的使用寿命加倍。

由于在车辆的氢罐内发生高压和剧烈的温度波动,传感器的寿命不能受这两个因素的影响。 膜厚度和膜面积的因素也只是有限的补救措施。 虽然这些因素可以改善寿命,但还不是最佳的。

黄金涂层(镀金):最有效的解决方案

黄金的渗透性比不锈钢的渗透性低10,000倍。 通过使用50μm的钢膜的金涂层(0.1〜1μm),与将膜厚度加倍至100μm相比,能够更有效地抑制氢渗透。 在第一种情况下,临界氢气体积积聚在压力传感器内部的时间可以增加10到100倍,而在第二个例子中,只有2倍。 其前提是无缝隙和优化焊接,以及大面积无缺陷的涂层。

Image 1:带镀金膜片的压力变送器的示例

由于一旦涉及到氢的渗透性,黄金具有这些优势,所以STS使用镀金不锈钢膜作为氢作业环境的变送器制造和生产标准。

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精确的压力测量对于安全、高性价比的机动车开发至关重要

精确的压力测量对于安全、高性价比的机动车开发至关重要

从古埃及以来,利用液压原理来承担劳动就被采用。但随着工具系统的发展,设计和开发这些复杂的,常常是关键的电路所需的原件也是如此。

从17世纪Evangelista Torricelli发明的最早的压力计到波尔登管式压力计,最后到今天的压阻式压力传感器,研发者一直在寻找测量压力和优化设计的最佳设备。最近,特别是汽车工程师,在进行汽车测试和开发时,已经开始依赖这些高质量、精确的压力传感器。

当今的这些压力传感器通常能够在-40℃至150℃的温度下记录350 mbar至700 bar的满量程范围;最重要的是,像STS生产的这种高质量的传感器,其迟滞和重复性通常在0.001%左右!

Image 1:高精度压力传感器 ATM.1ST 精度高达 0.05% FS

高质量的压力传感器用于关键汽车系统的开发

这种可重复性在冷却和燃料输送系统的设计和开发中至关重要。在开发过程中,工程师依靠稳定的压力测量设备来准确记录信息,这样即使最小的设计变化的影响也可以被记录下来,而不必担心传感器无法重复结果。

在最近的一次发动机冷却系统的重新设计中,一个强大的OEM的工程团队最初面临的泵压降约为250kPa,以利用电气化带来的压降。在重新设计新的电动泵之前,必须记录准确的压力测量,让工程师有机会识别到问题。在研究了压力传感器阵列记录的结果后,对设计进行了修改,将压降降低到100kPa以下,并将寄生损耗减少500W。

虽然电气化和电子控制在车辆系统中发挥着越来越重要的作用,但液压仍然是保证许多关键电路顺利运行的重要因素。

举例来说,在自动变速器的开发过程中,必须实时测量端口管路压力,然后与设计规范进行比较,以确定是否满足设计参数。同时,对换班时间和质量进行测量和主观评估,以确保驾驶性能满足客户的要求。

尽管高质量压力传感器在测试和开发过程中可以记录有价值的数据,但在未来技术的工业化过程中,这些工具也可以显著降低设计成本。

压力传感器确保未来技术达到预期

为了改善严重缩小的发动机的性能,制造商正在利用48V电气化提供的额外动力,用电动增压器取代涡轮增压器。

作为一个成熟的技术,没有太多的研究和测试数据可供工程师希望优化e充电增压器。尽管流体动力学和电气工程提供了一个可靠的平台,但理论在实际测试条件下验证仍然至关重要。

为了实现这一点,必须映射歧管压力,以优化发动机性能,同时最大限度地从废气中回收能量。为此,需要具有非常精确的压力传感器,能够在多种增压压力和温度范围内提供精确读数。这些传感器还必须耐振动和化学降解。

当世界各地的制造商继续开展电动汽车的研究时,一些组织正在考虑利用氢来发电,而不是依赖于蓄电池。

氢燃料电池采用质子交换膜,也被称为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池(PEMFC),已经在丰田的Mirai等汽车上看到了有限的系列生产。

虽然小型PEM燃料电池通常在正常气压下工作,但更高功率的燃料电池(10kW或更多)通常在高压下工作。与传统内燃机一样,增加燃料堆压力的目的是通过从相同尺寸的电池中提取更多的功率来增加比功率。

通常,PEM燃料电池的工作压力从接近大气压到大约3Bar,温度在50到90°C之间。虽然通过增加操作压力可以获得更高的功率密度,但由于压缩空气所需的功率,系统的净效率可能会降低;因此,平衡压力以满足特定燃料电池的要求是很重要的。

与内燃机增压一样,这只能通过使用高质量的压力传感器进行精确的压力测量来实现。这些测量然后与燃料堆栈输出进行比较,以最小化寄生损耗,同时优化电力输出的增益。

因此,无论汽车行业未来选择何种技术,精确的压力传感器仍将是安全高效汽车发展的关键。