SAE J3089-2018
Характеристика бортовых автомобильных датчиков водорода

Стандартный №

SAE J3089-2018

Дата публикации

2018

Разместил

SAE - SAE International

Последняя версия

SAE J3089-2018

сфера применения

В этом отчете о технической информации SAE (TIR) представлены методы испытаний для оценки датчиков водорода, когда интегратор водородных систем и/или производитель транспортных средств решают использовать такие устройства на борту своих водородных транспортных средств@, включая электромобили на водородных топливных элементах (FCEV). Испытания, описанные в пункте 5.1 настоящего документа, основаны на характеристиках и разработаны для оценки метрологических параметров датчика водорода. Эти тесты были разработаны с учетом широкого спектра условий окружающей среды и эксплуатации с учетом различных возможных ситуаций и вариантов реализации датчиков внутри транспортного средства. В разделе 5.2 описаны дополнительные испытания на электробезопасность и физическую нагрузку. Они основаны на стандартных испытаниях, разработанных для квалификации электрических и других компонентов для использования на транспортных средствах, и не имеют прямого отношения к оценке метрологических характеристик газовых датчиков. Поскольку использование бортовых датчиков водорода не стандартизировано и не является обязательным, их реализация может сильно различаться от транспортного средства к транспортному средству и от потенциальных приложений или функций. Например@ бортовой датчик может быть расположен в относительно сухой среде, например, в пассажирском салоне или в ?? сильно увлажнено?? окружающая среда@, например, технологические выхлопы из системы топливных элементов. Поскольку это руководящий документ, а не стандарт, конкретное применение не указывается. Кроме того, @ в качестве руководящего документа @ не будут определены технические характеристики или критерии «прошел/не прошел». По этой причине@ интегратору водородных систем и/или производителю транспортных средств необходимо определить, какие испытания и соответствующие условия испытаний подходят для их применения(й). Таким образом, прерогативой интегратора водородных систем и/или производителя транспортного средства является определение конкретных критериев приемлемости испытаний, необходимых для достижения требуемых характеристик их систем управления технологическими процессами и систем защиты внутри транспортного средства. Производитель датчиков или испытательная лаборатория должны представить результаты каждого испытания интегратору водородных систем и/или производителю транспортных средств@, который затем будет использовать результаты для определения пригодности технологии датчиков для их применения. Справочная информация Методы испытаний, представленные в настоящем МДП, основаны на методах, первоначально разработанных исследователями Лаборатории испытаний датчиков безопасности водорода NREL [5]. Многие из них аналогичны процедурам испытаний, представленным в ISO 26142 [6]. В рамках разработки настоящего TIR@ первоначальные методы испытаний NREL были изменены, чтобы обеспечить большую совместимость с условиями окружающей среды и эксплуатации на борту транспортного средства и, соответственно, соответствовать стандартам компонентов SAE. Протоколы испытаний датчиков в версии 5.1 были адаптированы для обеспечения проведения процедур испытаний в течение более практичного периода времени, чем те, которые предоставляются методами, указанными в ISO 26142 или стандартными протоколами испытаний датчиков NREL, при сохранении строгого качества данных. Практическое руководство по проведению процедур испытаний представлено в Приложениях B и C. Единицы концентрации водорода Количество второстепенного компонента (MC) в фоновой матрице (например, @ водород в воздухе @ монооксид углерода в водороде @ соль, растворенная в воде). может быть выражено по-разному. В жидкостях@ второстепенный компонент называется растворенным веществом@, а фоновая матрица является растворителем. Жидкие растворы (растворитель + растворенное вещество) часто определяются в единицах концентрации (например, г растворенного вещества/L раствор или моль растворенного вещества/L раствор @, что является определением молярности) @ или как массовая доля или массовое соотношение (например, г растворенного вещества/[г растворителя + г растворенного вещества] ). Отношения безразмерны. Кроме того@, в зависимости от количества растворенного вещества@ соотношения часто представляются в виде частей на миллион (ppm)@, которые получаются путем умножения массовой доли на 106 (1 ppm) или процентов, которые получаются путем умножения массовой доли на 100 (например@). массовая доля 0,04 составит 4%). Символы ppmwt и wt% иногда используются для обозначения того, что выраженное количество основано на массовой доле. Альтернативно@ в газовых смесях@ количество второстепенного компонента (MC) обычно представляется как объемное отношение@ VMC/(VMATRIX + VMC)@, которое согласно закону идеального газа эквивалентно мольному соотношению (мольMC/[мольMATRIX + мольMC)@ ]). Объемные соотношения также часто выражаются в процентах или частях на миллион (ppm). Чтобы различать соотношения на основе массы, объемные соотношения иногда обозначаются как об.% или ppmv 1. Эквивалентное определение ppmv: ?? оле/моль. Количество горючего газа также обозначается долей нижнего предела воспламеняемости (LFL)@, которая представляет собой наименьшую концентрацию, при которой легковоспламеняющаяся смесь газа или пара в воздухе может воспламениться. Например, LFL водорода составляет 4 об.%; таким образом, 2 об.% H2 можно указать как 50% LFL. Это полезно, поскольку LFL различается для разных газов, но правила часто диктуются концентрацией конкретного газа по отношению к его LFL. В таблице 1 указаны предпочтительные единицы измерения концентрации водорода, указанные в различных источниках. Термин «нижняя взрывоопасная единица» (НПВ) часто используется как синоним НПВ@, хотя это неверно@, поскольку существуют различия между воспламеняемостью и взрывом и, следовательно, соответствующими НПВ и НПВ для конкретного газа [7] [8]. В этом документе, если не указано иное, количество водорода или других второстепенных компонентов в газовой смеси будет указано либо в объемных процентах, либо в ppmv. Фоновая матрица будет воздушной, если не указано иное. Кроме того, испытательная лаборатория должна сообщать результаты испытаний датчиков в числовом формате, эквивалентном объемным процентам H2. См. Приложение А для получения подробной информации об анализе данных и составлении отчетов о результатах испытаний. Описание датчика водорода Существует множество определений химических и физических датчиков. Одно из определений звучит следующим образом: Датчик — это небольшое устройство, которое @ в результате взаимодействия или процесса между химическим или физическим стимулом и сенсорным устройством @ преобразует химическую или физическую информацию количественного или качественного типа в аналитически полезный сигнал [ 9]. Датчик водорода — это особый случай, когда целевым стимулом является водород. Однако@ не существует общепризнанного определения химического сенсора@, и концепция того, что представляет собой химический сенсор, значительно различается в литературе. Соответственно@ будут даны некоторые разъяснения относительно значения ?? датчик водорода?? что касается настоящего МДП и потребностей интегратора водородных систем и/или производителя транспортных средств. На рисунке 1 показан функциональный дизайн ?? датчик?? поскольку этот термин используется в настоящем МДП. Датчик состоит из нескольких компонентов. Чувствительный элемент — это компонент, который выполняет основную операцию считывания и обеспечивает измеримый@ непрерывно меняющийся электрический сигнал в зависимости от присутствия или величины стимула@, такого как количество водорода. Чувствительный элемент может включать в себя рецептор и один или несколько преобразовательных элементов. Рецептор – это место взаимодействия со раздражителем. Для химических чувствительных элементов@ рецептор является местом химического взаимодействия@, которое затем преобразуется преобразователем в аналитическую величину, обычно имеющую электрическую природу. Таким образом, с чувствительным элементом связаны две различные функции; это место взаимодействия стимула с рецептором и генерации электрического сигнала (электрическим) преобразователем. Преобразователь и рецептор могут представлять собой один и тот же физический компонент внутри чувствительного элемента. Для обнаружения водорода коммерчески доступны чувствительные элементы, основанные на различных механизмах трансдукции. Хотя связано ли это с величиной раздражителя@чувствительного элемента?? Электрический сигнал часто имеет произвольную величину и имеет низкий выходной импеданс, что делает его легко искажаемым. Таким образом, для создания полезного электрического сигнала обычно требуется дополнительная схема. Как показано на рисунке 1@, датчик представляет собой интеграцию чувствительного элемента и соответствующей схемы управления для преобразования необработанного электрического отклика в полезный сигнал посредством электронной буферизации@ усиления@ или преобразования в более удобно измеримые электрические отклики (например, ток-ток -преобразование напряжения). Эта дополнительная схема может также управлять работой датчика, например, поддерживать рабочую температуру для датчиков с подогревом или рабочий потенциал для электрохимических датчиков. В датчик можно включить несколько чувствительных элементов, которые реагируют на различные целевые стимулы. Например@ могут существовать чувствительные элементы, которые можно использовать для независимого измерения параметров окружающей среды, таких как температура (T)@ давление (P)@ и относительная влажность (RH) внутри химического датчика. Хотя некоторые международные стандарты (например, ISO 26142 [6]) явно различают чувствительный элемент и датчик, термин ?? чувствительный элемент?? обычно не используется в научной, инженерной и коммерческой литературе. Вместо этого термин «датчик» часто используется для обозначения либо чувствительного элемента, либо датчика@, либо даже устройства обнаружения (как определено выше). Чувствительные элементы и датчики, показанные на рисунке 1, коммерчески доступны для обнаружения и количественного определения водорода. Однако @ использование чувствительных элементов потребует от конечного пользователя разработки электрической схемы для получения полезного сигнала @, тогда как датчику потребуется только электроэнергия. В таблице 2 перечислены основные типы чувствительных элементов, которые обычно доступны для обнаружения водорода, а также краткое описание механизма трансдукции и природы электрического сигнала. Иногда термин ?? сенсорная платформа?? используется для указания типа чувствительного элемента. Более подробную информацию о различных сенсорных платформах, разработанных для обнаружения водорода, можно найти в H?? Берт и др. [10]. Электрический выход датчика может быть интегрирован в детекторное устройство. Другие термины, используемые для устройства обнаружения: ?? инструмент?? или ?? система приборов@?? ?? устройство управления@?? и ?? анализатор.?? Детекторное устройство также может представлять собой интеграцию датчика со встроенным микропроцессором. Устройство обнаружения использует реакцию датчика для выполнения таких функций, как активация предупреждения и сигнализации@, реализация корректирующих мер, таких как усиление вентиляции@ отключение или изоляция подачи топлива или даже отключение системы@ и отображение преобладающих условий, таких как концентрация водорода в окружающей среде. среда. Однако@ не существует формального определения того, что отличает чувствительный элемент@датчик@ или систему управления друг от друга. Рабочее определение для ?? датчик водорода?? В контексте этого документа под ним понимается устройство, которое выдает сигнал, который либо напрямую связан с количеством водорода в тестовом газе, либо легко преобразуется в количество водорода посредством использования калибровочного выражения. Выходной сигнал датчика в ответ на водород Реакция датчика водорода обычно представляет собой изменение электрического сигнала (изменение тока, напряжения или частоты) в ответ на изменение концентрации водорода в среде, окружающей датчик. Электрический сигнал датчика водорода может быть выражен в различных форматах. Многие датчики имеют аналоговый выход, предварительно откалиброванный по водороду. Обычными типами калиброванных аналоговых выходов являются сигналы от 4 до 20 мА или от 0 до 5 В, которые считаются линейными в определенном диапазоне (например, от 0 до 2 об.% H2@ или от 0 до 4 об.% H2). Рисунок 2(A) иллюстрирует реакцию на 1 об.% H2 для датчика с выходным сигналом от 4 до 20 мА с диапазоном измерения от 0 до 4 об.% H2@, а на Рисунке 2(B) показано преобразование выходного сигнала датчика в объемный % H2 с использованием линейного преобразования, полученного на основе этого соотношения. Существуют также датчики водорода, выходной сигнал которых выражается в объемных процентах или других общепринятых единицах концентрации (например, ppmv или % LFL). Обычно@ это датчики с цифровым выходом@, такие как CAN (сеть контроллеров). Такие датчики обычно не могут быть повторно откалиброваны конечным пользователем@, но конечные пользователи должны подтвердить точность датчика@, например, выполнив проверку диапазона измерения, описанную в 5.1.2. Сигнал датчика зависит от величины и временного профиля стимула. Стандартный метод оценки производительности датчика водорода заключается в измерении сигнала датчика в ответ на то, что часто представляют как скачкообразное изменение концентрации водорода. Обычно@ это выполняется с определением других параметров (например, @ T@ P@ и RH). В этом идеализированном профиле воздействия нормализованный входной стимул (например, водород) определяется как: [H2] = 0 для t< t H2-ON [H2]=1 для t > t H2-ON и t < tH2-OFF [H2]=0 для t > t H2-OFF В приведенных выше выражениях@ t относится к времени испытания@, начиная с нулевого момента@, тогда как t H2-ON – это время, в которое поверочный газ подается или впрыскивается в испытательное приспособление, и t H2-OFF – это время при этом тест удаляется из испытательного приспособления. Этот протокол испытаний проиллюстрирован на рисунке 2. Профиль отклика датчика состоит из нескольких эмпирически наблюдаемых областей [10], связанных с воздействием водорода. Существует мертвое время (tdead)@, которое связано со временем, необходимым для того, чтобы водород достиг чувствительного элемента после установления заданного значения концентрации водорода в испытательном устройстве, и контролируется пневматической конструкцией испытательного приспособления. Мертвое время не влияет на основное время отклика датчика. Однако в правильно спроектированном испытательном оборудовании tdead может быть незначительным. Существует также время задержки (tdelay), которое представляет собой время после фактического воздействия тестового газа на датчик и наблюдения реакции датчика. По истечении времени задержки @ сигнал возрастает в ответ на водород (время регулировки @ ta), а затем выравнивается до не зависящего от времени отклика. Как показано на рисунке 2@, отклик хорошо работающего датчика достигнет или приблизится к неизменяемому во времени (стационарному) выходному сигналу для фиксированной концентрации водорода@, величина которого была названа ?? последнее указание?? (FI) датчика. FI — это аналитический отклик датчика, который чаще всего коррелирует с концентрацией водорода. Шум и дрейф сигнала связаны с каждым реальным откликом датчика. Таким образом, необходимо определить критерии для проверки того, что сигнал датчика достиг соответствующего инвариантного во времени состояния. Обычно он основан на определении приемлемого изменения отклика датчика в течение заданного периода. Для тех применений, где уровень водорода обычно равен нулю@, независимая от времени реакция может быть определена как ситуация, когда реакция датчика на постоянную концентрацию водорода не изменяется более чем на 5% от показаний в течение одной минуты@, что соответствует определению, приведенному в международных стандартах. (например, @ ISO 26142 [6]); более строгие требования могут предъявляться интегратором водородных систем и/или производителем транспортных средств для определенных приложений, где необходима точность в реальном времени. Введение изменения в состав тестового газа часто изображается как ступенчатое изменение, как описано выше и проиллюстрировано на рисунке 2 (пунктирные линии). Такое идеальное ступенчатое изменение состава испытательного газа невозможно@, хотя его можно аппроксимировать с помощью некоторых конструкций испытательного оборудования (например, проточного устройства@, такого как устройство, описанное в Приложении С). Однако @ мгновенное изменение состава поверочного газа не требуется для оценки характеристик датчика в соответствии с протоколами, представленными в 5.1. Между установлением параметров управления устройством для нового заданного значения контрольного газа и фактической подачей желаемого состава на датчик всегда будет задержка. Этот эффект проиллюстрирован на рисунке 3. Время задержки зависит от конструкции устройства. В 5.1@ протоколы испытаний представлены в виде серии отдельных этапов, в которых определяются условия испытаний (например, @ состав испытательного газа@ температура@ влажность@ давление@ ориентация@ или другие параметры). Ступенчатые изменения на рисунках протокола в 5.1 не подразумевают мгновенную регулировку состава поверочного газа на датчике@, а скорее определяют адаптацию к новому заданному значению состава газа@ и@, хотя это явно не указано на рисунках протокола. @ пройдет некоторое время, прежде чем состав поверочного газа на датчике достигнет нового заданного значения. Время стабилизации для достижения заданного значения состава газа на датчике явно не определено в протоколе, поскольку оно будет зависеть от конструкции устройства и рабочих параметров. Нет необходимости явно определять это время стабилизации. Напротив, протоколы требуют, чтобы каждый этап был достаточно продолжительным, чтобы позволить испытательному датчику достичь стабильного окончательного показания@, которое может произойти только тогда, когда испытательный газ, подвергаемый воздействию датчика, является инвариантным по составу. Однако ступенчатое изменение состава газа можно приблизительно оценить@, если пневматическую систему испытательного устройства можно быстро продуть. Этого можно достичь с помощью проточного устройства (см. С.2.2)@, при условии, что устройство оснащено быстродействующими клапанами или регуляторами массового расхода для быстрого регулирования состава входящего поверочного газа до желаемой заданной точки и небольшого внутреннего объема газа@ в сочетании с высокий расход газа для минимизации времени продувки пневмосистемы. Только определение времени реакции требует быстрого изменения состава поверочного газа (см. 5.1.1 и 5.1.10). Фактическое видимое (наблюдаемое) время отклика датчика будет представлять собой свертку основной кинетики отклика датчика и времени продувки газа, подвергающегося воздействию датчика. Хорошее приближение времени отклика основного датчика может быть достигнуто в проточной системе с быстрым временем продувки. В качестве альтернативы @ в испытательной камере @ кинетика реакции датчика часто будет зависеть от времени продувки камеры газом. В результате@ камерные методы не следует использовать для определения времени отклика датчика, но они очень полезны для измерения зависимости концентрации и стабильности датчика@, а также для количественной оценки воздействия параметров окружающей среды (например, @ T@ P@ RH@ и ориентация) на производительность датчика. Выходной сигнал большинства датчиков водорода представляет собой электрический сигнал, который постоянно изменяется в диапазоне измерения датчика в ответ на изменения величины содержания водорода. Другими словами, FI датчика является функцией концентрации водорода. При наличии соответствующей электроники и калибровки электрический сигнал можно использовать для определения концентрации водорода; калибровка обычно выполняется производителем. Протоколы испытаний для оценки работоспособности датчиков с электрическим сигналом, изменяющимся в зависимости от концентрации водорода, представлены в 5.1. Альтернативно, реакция некоторых датчиков может предоставлять только информацию о том, присутствует ли водород выше некоторого порогового значения. Пороговое значение обычно устанавливается производителем. Этот тип датчика будет называться ?? индикатор?? или ?? датчик индикатора.?? Реакция индикаторного датчика может быть либо визуальной (например, колориметрический индикатор), либо электрической. Датчики-индикаторы обычно имеют только два выходных состояния: соответствующее низкому уровню, когда уровень водорода ниже порогового значения@, и высокому, когда уровень водорода выше порогового значения. Хотя колориметрические индикаторы для водорода коммерчески доступны, надежные электронные индикаторные датчики в настоящее время не очень распространены. Индикаторные датчики требуют для оценки других протоколов испытаний, чем датчики с постоянно меняющимся выходным сигналом; МДП будет обновлен, если коммерческие датчики-индикаторы станут общедоступными. Цель Целью настоящего документа является согласование терминологии@ для определения общего набора тестов, которые можно использовать для оценки датчиков водорода@ и поощрения разработки датчиков, подходящих для бортовых транспортных средств. Область применения Этот документ применим к датчикам обнаружения водорода в электромобилях на водородных топливных элементах или транспортных средствах с водородными двигателями внутреннего сгорания (ДВС). 1 Массовые отношения не преобразуются напрямую в объемные соотношения. Например, если растворенное вещество в 1 л раствора растворенного водорода с концентрацией 1 ppm по массе улетучивается в 1 л воздуха @, состав водорода при комнатной температуре будет составлять около 12 000 ppmv.

SAE J3089-2018 История

• 2018 SAE J3089-2018 Характеристика бортовых автомобильных датчиков водорода