一种电控泄压制氢装置的制作方法

本实用新型涉及一种制氢装置，具体涉及一种电控泄压制氢装置，属于电子制氢设备领域。

背景技术：

目前，现有技术中常使用的制取氢气的装置，在电解水制取氢气的过程中，由于制取氢气装置内存在部分氧气不能完全排出，难以制取纯净的氢气。由于制取的氢气纯度不高，导致进行氢气和氧气混合时容易发生爆炸，导致制取氢气的发生装置发生连锁反应，而产生爆炸，存在安全隐患。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供的电控泄压制氢装置能够防爆炸，确保制氢安全，同时装配简单，成本较低；可以广泛适应各种使用场景。

本实用新型的技术方案如下：

一种电控泄压制氢装置，包括制氢杯和制氢安全电路；所述制氢杯包括用于容纳液体的杯身、用于密封所述杯身的杯盖和用于支撑所述杯身的底座，所述杯盖设置有电磁泄压阀，所述杯身的外侧面贴有带背胶的铜箔，所述杯身底部设置有一探针；所述制氢安全电路包括用于获取所述探针与所述铜箔之间的电压值的液体容量检测模块，用于获取所述液体的TDS值的TDS检测模块，用于检测所述液体的温度值的温度检测模块，主控模块，所述主控模块连接所述液体容量检测模块、TDS检测模块、温度检测模块，用于控制所述电磁泄压阀的开启与关闭的电磁泄压阀驱动模块，所述电磁泄压阀驱动模块连接所述主控模块，以及分别连接所述主控模块以及TDS检测模块的电极驱动模块。

其中，所述液体容量检测模块包括第二接线端子、第一MOS管、第二MOS管、第一电阻和第二电阻；所述第一MOS管与第二MOS管串联组成开关电路，第一MOS管与第二MOS管串联的公共节点连接第二接线端子的第一端口，第一MOS管与第二MOS管的栅极经第一电阻连接主控模块的脉冲信号输出端；所述铜箔与第二接线端子的第二端口连接，所述探针与第二接线端子的第一端口连接，第二接线端子的第二端口经第二电阻接地。

其中，所述电极驱动模块包括制氢电极负极、制氢电极正极、二极管、升压芯片和MOS放大电路；所述制氢电极正极经二极管连接所述升压芯片的脉冲输出调节端，所述升压芯片的脉冲输入调节端经MOS放大电路连接主控模块的电压采样输入端。

其中，所述TDS检测模块包括集成运算放大器和TDS采样端子ES，所述TDS采样端子ES分别连接制氢电极负极与所述集成运算放大器的电压输入端，并采集制氢电极负极与制氢电极正极之间的电压值，所述集成运算放大器的电压输出端连接主控模块的TDS值采样输入端。

其中，所述温度检测模块包括数字温度传感器，所述数字温度传感器的数据信号输出端与主控模块的温度采样端连接。

其中，所述制氢安全电路还包括充电模块；所述充电模块包括充电端子、充电管控芯片、电池以及滤波电路，充电端子连接外部电源，充电端子经滤波电路连接充电管控芯片的BAT端子，所述滤波电路为第一滤波电容、第二滤波电容、极性滤波电容并联的电路，滤波电路的一端与充电管控芯片的BAT端子连接的节点连接电池，滤波电路的另一端接地；所述充电管控芯片的CHG端子连接主控模块的电池供电电压值采样输入端。

其中，所述电磁泄压阀驱动模块包括第一接线端子、第三电阻、第三MOS管和第四电阻，所述第一接线端子连接电磁泄压阀；第一接线端子经第三电阻连接第三MOS管的源级，第三MOS管的栅极串联第四电阻后连接主控模块的电磁泄压阀控制信号输出端, 第三MOS管的漏极接地。

其中，所述制氢安全电路还包括：连接所述主控模块的音频报警模块；所述音频报警模块连接主控模块的音频报警信号输出端。

其中，所述主控模块包括单片机和下载端口；所述单片机的数据收发端与下载端口连接。

本实用新型具有如下有益效果：

一、本实用新型装配简单，成本较低；抗干扰性能好；功耗低。

二、本实用新型测量精度较高，对测量环境适应性好。

三、本实用新型可以广泛适应各种使用场景，即使容器倾斜，也能实现准确测量。

附图说明

图1为本实用新型电控泄压制氢装置的结构示意图；

图2为本实用新型的制氢安全电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本实用新型进行详细的说明。

实施例1

一种电控泄压制氢装置，包括制氢杯1和制氢安全电路2；

参见图1，所述制氢杯包括杯身11、用于密封所述杯身11的杯盖和用于支撑所述杯身11的底座。其中，所述杯盖上设置有电磁泄压阀14，所述杯身11的外侧面贴有带背胶的铜箔12，所述杯身11底部设置有一探针13，所述杯身11内容纳制备氢气的液体。举例来说，该制氢杯包括的探针13可为金属探针。本实施例不限定探针13的材质，根据实际需求设置。

参见图2，所述制氢安全电路2包括用于获取所述探针13与所述铜箔12之间的电压值的液体容量检测模块，用于获取所述液体的TDS值的TDS检测模块，用于检测所述液体的温度值T的温度检测模块，主控模块，所述主控模块连接所述液体容量检测模块、TDS检测模块、温度检测模块，用于控制所述电磁泄压阀14的开启与关闭的电磁泄压阀驱动模块，所述电磁泄压阀驱动模块连接所述主控模块，以及分别连接所述主控模块以及TDS检测模块的电极驱动模块。

具体地，所述液体容量检测模块接收探针13发送的探针13与铜箔12之间的电压值Ui并向主控模块发送，所述TDS检测模块检测液体的TDS值并向主控模块发送，所述温度检测模块检测液体的温度值T并向主控模块发送，所述主控模块分别接收液体容量检测模块发送的电压值Ui，TDS检测模块发送的液体的TDS值以及温度检测模块的液体的温度值T，根据电压值Ui、TDS值、温度值T产生TTL电平信号，将该TTL电平信号发送给电磁泄压阀驱动模块，进而使所述电磁泄压阀驱动模块实现电磁泄压阀的开启或关闭。

针对制氢安全电路2的液体容量检测模块，在一种可选的实现方式中，该液体容量检测模块可包括第二接线端子J2、第一MOS管Q2、第二MOS管Q5、第一电阻R6和第二电阻R15；

所述第一MOS管Q2与第二MOS管Q5串联组成开关电路，第一MOS管Q2与第二MOS管Q5串联的公共节点连接第二接线端子J2的第一端口，第一MOS管Q2与第二MOS管Q5的栅极经第一电阻R6连接主控模块的脉冲信号输出端；所述铜箔12与第二接线端子J2的第二端口连接，所述探针13与第二接线端子J2的第一端口连接，第二接线端子J2的第二端口经第二电阻R15接地。

可选的，前述的温度检测模块可包括数字温度传感器，所述数字温度传感器的数据信号输出端与主控模块的温度采样端连接。

另外，前述的电磁泄压阀驱动模块可包括第一接线端子J1、第三电阻R12、第三MOS管Q4和第四电阻R1；其中，第一接线端子J1连接电磁泄压阀；第一接线端子J1经第三电阻R12连接第三MOS管Q4的源级，第三MOS管Q4的栅极串联第四电阻R1后连接主控模块的电磁泄压阀控制信号输出端, 第三MOS管Q4的漏极接地。

在具体使用过程中，前述的电极驱动模块包括制氢电极负极J5、制氢电极正极J6、二极管D1、升压芯片和MOS放大电路；所述制氢电极正极J6经二极管D1连接所述升压芯片的脉冲输出调节端，所述升压芯片的脉冲输入调节端经MOS放大电路连接主控模块的电压采样输入端。

在实际应用中，所述TDS检测模块包括集成运算放大器和TDS采样端子ES，所述TDS采样端子ES分别连接制氢电极负极J5与所述集成运算放大器的电压输入端，并采集制氢电极负极J5与制氢电极正极J6之间的电压值，所述集成运算放大器的电压输出端连接主控模块的TDS值采样输入端。

另外，前述的主控模块可包括单片机和下载端口J4；该单片机设有前述的脉冲信号输出端、温度采样端、电磁泄压阀控制信号输出端、电压采样输入端、TDS值采样输入端、数据收发端等，本实施例中单片机的数据收发端可与下载端口J4连接。本实施例不限定单片机的端口设置。

上述的电控泄压制氢装置可通过制氢安全电路2实现氢气的制备，并降低成本，提高制备氢气过程中的抗干扰性，进而实现功耗的降低，并能够适应各种场景，且能够保证实验精度。

优选的，前述实施例中的制氢安全电路2还可包括充电模块；该充电模块可包括充电端子J3、充电管控芯片、电池以及滤波电路，充电端子J3连接外部电源，充电端子J3经滤波电路连接充电管控芯片的BAT端子，滤波电路可为第一滤波电容C3、第二滤波电容C6、极性滤波电容C5并联的电路，滤波电路的一端与充电管控芯片的BAT端子连接的节点连接电池，滤波电路的另一端接地；所述充电管控芯片的CHG端子连接主控模块的电池供电电压值采样输入端。

第一接线端子J1第一接线端子J1第一接线端子J1优选的，所述制氢安全电路2还可包括：连接所述主控模块的音频报警模块；所述音频报警模块连接主控模块的音频报警信号输出端，进一步保证操作人员的安全。

实施例2

参照图1，一种电控泄压制氢装置，包括制氢杯1和制氢安全电路2，所述制氢杯包括杯盖、杯身11和底座；所述杯盖设置有电磁泄压阀14；所述杯身11的外侧面贴有带背胶的铜箔12，所述杯身11底部设置有一探针13，通常，该探针13可为金属探针，所述杯身11内容纳液体。

参照图2，所述制氢安全电路2包括液体容量检测模块、TDS检测模块、温度检测模块、电磁泄压阀驱动模块和主控模块；所述液体容量检测模块接收探针13发送的探针13与铜箔12之间的电压值Ui并向主控模块发送，所述TDS检测模块检测液体的TDS值并向主控模块发送，所述温度检测模块检测液体的温度值T并向主控模块发送，所述主控模块分别接收液体容量检测模块发送的电压值Ui，TDS检测模块发送的所述液体的TDS（总溶解固体又称溶解性固体总量，英文：Total dissolved solids，缩写TDS）值以及温度检测模块的液体的温度值T并发送TTL（晶体管-晶体管逻辑）电平信号给电磁泄压阀驱动模块；所述电磁泄压阀驱动模块实现电磁泄压阀14的启闭。在具体应用中，该制氢安全电路2还包括分别连接所述主控模块以及TDS检测模块的电极驱动模块。

所述制氢安全电路2的可采用外部电源或者电池供电。

其中，所述液体容量检测模块接收探针13发送的探针13与铜箔12之间的电压值Ui并向主控模块发送，液体容量检测模块包括第二接线端子J2、第一MOS管Q2、第二MOS管Q5、第一电阻R6和第二电阻R15；所述液体容量检测模块的供电电源电压采用3.0V。

所述铜箔12与第二接线端子J2的端口2连接，所述探针13与第二接线端子J2的端口1连接，MOS管Q1的漏极与3.0V电源正极连接，第一MOS管Q2的栅极与第一电阻R6一端连接，第一MOS管Q2的源极与第二接线端子J2的端口1连接，第二MOS管Q5漏极与第二接线端子J2的端口1连接，第二MOS管Q5的栅极与第一MOS管Q2的栅极连接，第二MOS管Q5的源极与电源负极连接，第二电阻R15一端与第二接线端子J2的端口2连接，第二电阻R15另一端与电源负极连接。

其中，所述TDS检测模块检测液体的TDS值并向主控模块发送，TDS检测模块在实际应用中还可包括旁路电容C8、旁路电容C9、旁路电容C10、集成运算放大器、采样端子ES、电阻R17、电阻R18和电阻R19；所述TDS检测模块的供电电源电压采用3.0V；所述集成运算放大器优选的型号为LM321。

旁路电容C8一端与3.0V电源正极连接，旁路电容C8另一端与电源负极连接，旁路电容C9一端与集成运算放大器的同相信号输入端连接，旁路电容C3的另一端与电源负极连接，电阻R18一端连接3.0V电源正极，电阻R18另一端与电阻R17连接，电阻R17的另一端与电源负极连接，电阻R18与电阻R17之间与集成运算放大器的反相输入端连接，所述采样端子ES与集成运算放大器的同相信号输入端连接，电阻R19的一端与集成运算放大器的同相信号输入端连接，电阻R19的另一端与电源负极连接，集成运算放大器的接地端与电源负极连接，集成运算放大器的电源端与3.0V电源正极连接，采样端子J3与3.0V电源正极连接，集成运算放大器输出端与旁路电容C10连接，旁路电容C10的另一端与电源负极连接。

其中，所述温度检测模块检测液体的温度值T并向主控模块发送, 所述温度检测模块包括数字温度传感器和电阻R9；所述数字温度传感器优选的型号为DS18B20，所述温度检测模块的供电电源电压采用3.0V，所述数字温度传感器的GND端与电源负极连接，数字温度传感器的数据信号输出端与电阻R9一端连接，电阻R9的另一端与3.0V电源正极连接，数字温度传感器的电源端与3.0V电源正极连接。

可选的，前述的电极驱动模块采用4.5V电源供电给制氢电极制氢，所述电极驱动模块包括制氢电极负极J5、制氢电极正极J6、旁路电容C2、极性电容C4、电阻R4、电阻R2、电阻R3、电阻R5、电阻R14、、电阻R8、电阻R9、升压芯片、肖特基二极管D1、功率电感L1、电容C1、MOS管Q1和MOS管Q3；所述升压芯片优选的型号为SDB628，制氢电极负极J5与电源负极连接，制氢电极正极J6与4.5V电源端正极相连，旁路电容C2一端与4.5V电源正极相连，旁路电容C2另一端与电源负极相连，极性电容C4的正极与4.5V电源正极相连，极性电容C4的负极与电源的负极相连，电阻R14的一端与4.5V电源正极相连，电阻R14的另一端与电阻R4的一端相连，电阻R14与电阻R4的公共端与升压芯片的升压参数调节端FB相连，电阻R4的另一端与电源负极相连，肖特基二极管D1的阴极端与4.5V电源正极相连，肖特基二极管D1的阳极端与功率电感L1相连，功率电感L1另一端与升压芯片的脉冲输入调节端IN相连，肖特基二极管D1的阳极和功率电感L1的公共端与升压芯片的脉冲输出调节端SW相连，电容C1一端与升压芯片的脉冲输入调节端IN相连，电容C1的另一端与电源负极相连，MOS管Q1的漏极与电源正极相连，MOS管Q1的栅极与MOS管Q3的漏极相连，MOS管Q1的栅极和MOS管Q3的漏极的公共端与电阻R8相连，电阻R8的另一端与电源正极相连，MOS管Q3的栅极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与电阻R3相连， MOS管Q3的源极与电源负极相连，电阻R5一端与升压芯片的芯片使能端EN相连，电阻R2和电阻R3的公共端与电阻R5的另一端相连。

在具体应用中，前述的主控模块包括单片机；所述单片机优选的型号为STC12C5204AD。

可选的，上述的制氢安全电路2还可包括充电模块；所述充电模块包括电池、充电端子J3、滤波电容C3、滤波电容C6、极性滤波电容C5、充电管控芯片、电阻R11、肖特基二极管D4、旁路电容C7和电阻R16；所述充电管控芯片优选的型号可为BX8521，充电端子J3的引脚1接电池正极，充电端子J3的引脚2接电池负极，滤波电容C3一端接电池正极，滤波电容C3的另一端接电池负极，滤波电容C6一端接电池正极，滤波电容C6接电池负极，极性滤波电容C5的正极接电池正极，极性滤波电容C5的负极接电池负极，充电管控芯片的充电控制端与电阻R11一端相连，电阻R11的另一端与电源正极相连，充电管控芯片的充电控制端与单片机的P1.5端口相连，充电管控芯片的充电电池输出端与电池的正极相连，充电管控芯片的GND端与电源负极相连，充电管控芯片的电源正极与肖特基二极管D4的阴极相连，肖特基二极管D4的阳极与电源正极相连，充电管控芯片的电源端与旁路电容C7的一端相连，旁路电容C7的另一端与电源负极相连，充电管控芯片的可编程输入端与电阻R16一端相连，电阻R16的另一端与电源负极相连。

可选的，上述的制氢安全电路2还可包括：连接所述主控模块的音频报警模块；所述音频报警模块接收主控模块的报警信号并发出报警音频，其包括有源蜂鸣器B1、肖特基二极管D3、电阻R13、MOS管Q6和电阻R7；有源蜂鸣器B1的正极与电源正极相连，有源蜂鸣器B1的负极与肖特基二极管D3的阳极相连,肖特基二极管D3的阴极与电源正极相连，电阻R13一端与有源蜂鸣器B1负极相连，电阻R13的另一端与MOS管Q6的漏极相连，MOS管的栅极与电阻R7一端相连，电阻R7的另一端与单片机P1.1端口相连，MOS管Q6的源极与电源负极相连。

优选的，所述电磁泄压阀驱动模块实现电磁泄压阀14的启闭，所述电磁泄压阀驱动模块包括第一接线端子J1、肖特基二极管D2、电阻R12、MOS管Q4和电阻R1；电磁泄压阀14的正极与第一接线端子J1的1端口连接，电磁泄压阀14的负极与第一接线端子J1的2端口相连，肖特基二极管D2的阴极与电源的正极相连，肖特基二极管D2的阳极与接线端口J1的2端口连接，电阻R12一端与肖特基二极管D2的阳极相连，电阻R12的另一端与MOS管Q4的漏极相连，MOS管Q4的栅极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与单片机的P3.2端口相连，MOS管Q4的源极与电源负极相连。

优选的，所述单片机包括数据收发端J4；电阻R6的另一端与单片机的 P3.7端口连接，第二接线端子J2的端口1与单片机的P3.5端口连接，单片机的P3.7端口输出方波信号，单片机的P3.5端口实时监测第二接线端子J2的端口1处电压值；集成运算放大器LM321的信号输出端与单片机的ADC端口P3.4连接；数字温度传感器的数据信号输出端与单片机的端口P3.3连接；电阻R3与单片机的P1.3端口相连；充电管控芯片的充电控制端与单片机的P1.5端口相连，电阻R7与单片机P1.1端口相连，电阻R1与单片机的P3.2端口相连。

本实用新型的工作原理如下：

所述液体容量检测模块接收探针13发送的探针13与铜箔12之间的电压值Ui并向主控模块发送，所述TDS采样端子ES采集制氢电极负极J5与制氢电极正极J6之间的电压值，并向主控模块发送液体的TDS值，所述温度检测模块检测液体的温度值T并向主控模块发送，所述主控模块分别接收液体容量检测模块发送的电压值Ui和所述时间差X，TDS检测模块发送的液体的TDS值以及温度检测模块的液体的温度值T并输出液体容量值。

将探针13与铜箔12接入液体容量检测模块的第二接线端子J2，由单片机端口驱动电路产生固定频率的方波信号向脉冲信号输出端PWS输出，（该固定频率以容器内最大容量为准，380ml±50ml的测试频率为10KHz）并激励液体容量检测模块的MOS管Q2的栅极，单片机采样输入端连接液体容量检测模块的第二接线端子J2的端口1，单片机采样输入端ADC监测第二接线端子J2的端口1输出的电压值Ui从0V至最大电压值5V时单片机输出脉冲个数，通过脉冲个数计算出从0V至最大电压5V所需的时间差t，由RC电容串联充/放电原理式计算出液体容量检测模块的电参数C：

C = X/(R*ln(U/Ui))

其中R为电路中电阻R7的阻值，ln为以e为底数的对数，U为电源电压值5V，Ui为单片机从液体容量检测模块的第二接线端子J2的端口读取的探针13与铜箔12之间的电压值。

计算出液体容量检测模块参数C后，由单片机得出对应的液体容量值。由于电信号值与液体的温度值和液体的TDS值有关联，因此为了避免液体温度及液体的TDS值的干扰，在测量过程中必须加入温度值和液体的TDS值进行修正，从而得出容器内液体实际体积，由实测温度值以及液体的TDS值通过MATLAB线性拟合后得出的修正关系式，经由温度监测模块向主控模块输出实测温度值，经由TDS监测模块向主控模块输出液体的TDS值：

Cx=x(1)+x(2)*sin(2)+ TDS *cos(T)+ TDS *sin(TDS)^3；

其中x(n)为实测介电系数ε，TDS为液体电导率浓度的实测试值，T为液体温度值,Cx为修正后的电参数值；最后，根据修正后的电参数值Cx换算出液体容量值。

换算出的液体容量可由单片机的数据收发端RXD/TXD经下载端子J4连接外部的显示操作模块进行显示，所述显示操作模块可以为电子显示屏等。所述显示操作模块还可以连接单片机的复位端子RST进行复位操作。

得出液体容量值后，根据容器固有容量可推算出密闭容器内混合空气的体积，由于混合空气的一般组分中氧气含量为20.9%，即可推算出密闭容器内氧气，由于该容器在制氢过程中有一部分氢气会从液体中溢出散发到容器内，当氧气与所新增的氢气的含量比达到氢、氧混合爆炸点时，只要该混合气体遇到明火甚至是火星都会发生爆炸危险，因此该制氢装置在电解制氢电极开始工作后，记录电解所产生总的氢气量，同时，根据测得的液体容量体积推算出密闭容器内所含氧气量，当氢气产量达到爆炸点的时候，单片机经过数据处理当数值达到混合氢氧爆炸临界点时，在实施例中，通过单片机的P3.2端口发送TTL电平信号控制与第一接线端子J1连接的电池泄压阀14开启，把混合气体从密闭容器中释放出，以达到安全制氢目的。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。