专利名称：全自动高压容器气体循环充放疲劳测试系统的制作方法
技术领域：
本发明属于新能源领域，涉及高压储气容器测试系统，特别是适合于复合材料高压容器 在工作介质气体(通常为燃料气体)条件下循环充放引起的疲劳试验和检测系统。
背景技术：
人类主要能源利用形式的重大转变一方面有力地促进了人类经济社会的大发展，同时也 对人类赖以生存的环境产生重要影响。在石油资源日趋紧缺和环境污染日趋严重的双重压力 下，迫使人们不断追求能源利用效率的最大化和排放的最小化。由于低碳燃料的高能效、低 排放等特点，气态燃料在不久的将来必将会占有越来越重要的地位，从液化石油气、煤气化 合成气、天然气，最终发展到氢气，氢能作为一种高效、清洁、可持续的"无碳"能源未来必 将会成为一种重要的二次能源，在未来的能源结构中将占有重要地位。高压容器作为一种气体的重要存储介质，已经与气体燃料的发展密切相关，从现在已大 量使用的天然气汽车到目前正处于研发、示范阶段的燃料电池汽车，无不展示着高压容器与 气体经济发展关系越来越密切。其中，复合材料压力容器(主要是碳纤维缠绕复合材料容器) 因其轻质、高强以及安全性高等特点，已经成为了高压、超高压容器发展的方向。该类高压 容器已从航空、航天、导弹等飞行器的应用上，发展成为了天然气汽车、氢气汽车的燃料存 储介质。作为车用的燃料存储容器与航天、航空等飞行器上使用的最大不同在于车用高压容 器需要频繁充放工作气体，而在飞行器上则为一次或少次数充放气体的工作特点，因此，对 车用高压容器的疲劳特性有着更高的要求。实际上，这类压力容器在开发和生产时，都要经 过水压疲劳测试， 一般要求要8000次以上，但需要注意的是气体充放与水压充放有着明显的 不同，水压充放过程中由于水的不可压縮性而不产生热效应，而气体充放过程有着明显的热 效应——焦汤效应，而且对复合气瓶而言， 一般传热性能较差，高压容器需要在温度变化很 快的条件下经受压力变化冲击，其疲劳特性必然会大幅下降，因此，开展高压容器气体循环 充放疲劳试验和疲劳性能检测具有重要意义，从测试效率和安全性上考虑，建立集试验和检 测于一体的全自动无人值守的高压容器气体充放循环疲劳测试系统应该是最佳选择。浙江大学申请的申请号为200810060100.8的储氢容器氢环境疲劳试验系统，说明了一种 储氢容器的氢气充放疲劳试验系统的设计，仅能从事简单的氢气充放试验，不仅不能对充放 过程准确控制，而且对充放过程中容器的疲劳情况也无法获得准确信息(仅从容器的压力保 持情况来判断是否失效)。同时该专利提到的疲劳试验系统需要人工操作，不方便。发明内容本发明的目的在于提供一种全自动高压容器气体循环充放疲劳测试系统，该系统不仅能 够实现高压气体循环充放疲劳试验的全自动控制，而且还可以对高压容器的疲劳情况进行在 线自动检测。为达到以上目的，本发明的解决方案是一种全自动高压容器气体循环充放疲劳测试系统，其包括高压气体循环加注模块、疲劳 测试区、自动控制系统，加注系统由自动控制系统控制对被测容器自动循环充放，同时在充放过程检测被测容器的疲劳测试。所述的高压气体循环加注模块包括高压储气容器、气体压縮机、低压储气容器、低压氮 气瓶、气动阀、电磁阀、单向阀、气体压力调节器、流量调节阀、压力传感器，通过管路连 接而成，高压储气容器通过依次打开的气体压力调节器、气动阀、流量调节阀，然后经过常 通截止阀而进入被测容器进行充气；气体通过被测容器的常通截止阀依次经过打开的气体压 力调节器、电磁阀进入低压储气容器进行放气。所述的低压储气容器压力达到设定值或者高 压储气容器压力降到设定值，打开电磁阀，低压储气容器的气体经电磁阀流入压縮机，由压 縮机压縮经单向阀压入高压储气容器进行重复利用。所述的压力传感器分别安装于高压储气 容器的出口，被测容器的进口及低压储气容器的进口。所述的高压气体循环加注模块还包括用于系统调试或故障排除时紧急放气之需的常关截 至阀，其设于与低压储气容器相连的电磁阀前。所述的疲劳测试区包括被测试高压容器、截止阀、电磁阀、气体压力调节器、气体压力 传感器、温度传感器、气体泄漏传感器、应变传感器、密封舱，密封舱将被测容器包覆于其 内，通过处于密封舱及被测容器之间的气体泄漏传感器和贴于被测容器表面的应变传感器的 信号反馈确认气体泄漏浓度和容器材料应变量，并在达到设定值时系统认为被测容器已疲劳 失效，疲劳测试系统自动关闭。所述的疲劳测试系统安装在四周装有安全隔离墙的区域内，且自控系统应与高压气体循 环加注模块之间安装有安全隔离墙。所述的自动控制系统包括数据采集系统、应力/应变测试系统、交流/直流供电系统、微型 计算机系统以及主体控制程序，其通过被测容器中的温度传感器及加注模块中的压力传感器 的反馈信号控制电磁阀开闭进行自动控制。由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果本发明系统集高压容器气体循环 充放疲劳试验和检测于一体，并且能够实现无人值守的全自动控制，而且循环充放过程中气 体介质通过泄压接受罐和气体压縮机增压后循环使用，不会造成气体浪费和环境污染。
图1全自动高压容器气体循环充放疲劳测试系统的结构示意图。图中各部分说明如下l.被测高压储气容器，2.应变传感器，3.温度传感器，4.气体传感 器，5.密封舱，6.常通截止阀，7.常关截止阀，8.放气电磁阀，9.压力调节器，IO.放气压力传 感器，ll.放气压力传感器，12.高压加注系统压力传感器，13.气动阀，14.压力调节器，15.驱 动氮气电磁阀，16.驱动氮气电磁阀，17.电磁阀，18.氮气瓶，19.低压储气罐，20.气体压縮 机，21.气动阀，22.高压储气容器，23.单向阀，.24数据采集与控制系统，25.安全隔离墙，26. 气体流量调节阀，图中实线代表高压管路，虚线代表电源线或信号线。图2实施例中自动循环充放过程中被测复合储氢瓶中压力与时间的关系图。 图3实施例中自动循环充放过程中被测复合储氢瓶中温度与时间的关系图。 图4实施例中自动循环充放过程中被测复合储氢瓶的应变随时间的变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。该系统由三个功能模块区组成， 一个是高压气体循环加注模块，包括高压储气容器22、 气体压縮机20、低压储气容器19、低压氮气瓶18、气动阀13、电磁阀8、单向阀23、气体 压力调节器9、 14、流量调节阀26、压力传感器12以及耐压不锈钢管和管接头等部件；另一个功能模块区为疲劳测试区，包括被测试高压容器l、截止阀6、电磁阀8、气体压力传感器 11、温度传感器3、气体泄漏传感器4、应变传感器2、密封舱5以及耐压不锈钢管和管接头 等部件；还有一功能区为自动控制系统，包括数据采集系统24、应力/应变测试系统、交流/ 直流供电系统、微型计算机系统以及主体控制程序。一个充放循环测试按下述步骤进行高压气体经高压储气容器22、气体压力调节器14、 气动阀13、气体流量调节阀26、常通截止阀6进入被测容器1，当被测容器中压力达到预定 测试压力时，电磁阀15关闭，电磁阀15控制气动阀13随之关闭，充气过程结束；保持一时 间间隔后开始执行放气过程，高压气体经被测容器l、常通截止阀6、气体压力调节器9、电 磁阀8进入低压储气容器19，当压力达到一定值时或高压储气容器压力降到一定值时，电磁 阀17、 16打开，随之气动阀21打开，同时压縮机工作，气体经单向阀23压縮到高压容器中， 至此完成一个充放循环。充放过程的自动控制是通过被测容器中的温度传感器3和多处压力 传感器IO、 11、 12的反馈控制几个电磁阀的开关实现的，同时充放过程中被测容器的疲劳情 况是通过被测容器密封舱5内气体传感器4响应信号和贴于被测容器表面的应变传感器2响 应信号的变化反馈来获得，当泄露气体浓度达到设定值时或充放过程中容器材料应变超过设 定值时，系统认为被测容器已疲劳失效，疲劳测试系统自动关闭。手动截至阀7是用于系统 调试或故障排除时紧急放气之需。其中氮气18是用于驱动两个气动阀13和21的，目的是避 免电磁阀直接与高压氢气接触，以提高系统的氢安全性。疲劳测试系统应安装在四周装有安全隔离墙25的区域内，并且自控系统应与高压试验系 统之间安装有安全隔离墙25。本发明以全自动碳纤维缠绕铝内胆复合储氢瓶氢气循环充放疲劳测试系统为例，对氢气 循环充放过程中被测试储氢瓶的压力、温度、应变随着测试时间的变化情况进行简要说明。 图2是自动循环充放测试过程中截取的一段复合储氢瓶中温度、压力的周期性变化情况，在 本试验中设定的截止充气压力为315bar，放气截止压力为30bar，从这两张图上可以清楚看出 温度与压力的一致性变化，而且压力和温度波动还比较平稳。图3是循环充放测试过程中截 取的一段复合储氢瓶应变的周期性变化情况，可以看出应变随着氢气充放过程的变化也相应 做着规律性的变化，而且重现性也比较好，不过可能应变片粘贴的不均匀性以及采样频率较 高导致了采样数据有些波动。本发明系统集高压容器气体循环充放疲劳试验和检测于一体，并且能够实现无人值守的 全自动控制，且适合于多种高压容器的多种工作气体循环充放疲劳测试，特别适合于复合材 料高压容器的氢气或天然气循环充放疲劳试验和检测。同时，循环充放过程中气体介质通过 泄压接受罐和气体压縮机增压后循环使用，不会造成气体浪费和环境污染。循环充放过程中 高压容器的动态疲劳情况则是通过被测容器密封舱内氢气传感器响应信号和贴于被测容器表 面的应变传感器响应信号的变化来获得，当泄露氢气浓度达到设定值时或充放过程中容器材 料应变超过设定值时，疲劳测试系统自动关闭。测试过程中的有关数据自动记录并保存，以 备以后分析使用。该系统除了以上这些功能外，还可以利用充放过程中容器内温度的变化情 况来研究高压气体的加注策略。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉 本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应 用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术 人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种全自动高压容器气体循环充放疲劳测试系统，其特征在于其包括高压气体循环加注模块、疲劳测试区、自动控制系统，加注系统由自动控制系统控制对被测容器自动循环充放，同时在充放过程检测被测容器的疲劳测试。
2、 如权利要求1所述的全自动高压容器气体循环充放疲劳测试系统，其特征在于高压 气体循环加注模块包括高压储气容器、气体压縮机、低压储气容器、低压氮气瓶、气动阀、电 磁阀、单向阀、气体压力调节器、流量调节阀、压力传感器，通过管路连接而成，高压储气容 器通过依次打开的气体压力调节器、气动阀、流量调节阀，然后经过常通截止阀而进入被测容 器进行充气；气体通过被测容器的常通截止阀依次经过打开的气体压力调节器、电磁阀进入低 压储气容器进行放气。
3、 如权利要求2所述的全自动高压容器气体循环充放疲劳测试系统，其特征在于所述 的低压储气容器压力达到设定值或者高压储气容器压力降到设定值，打开电磁阔，低压储气容 器的气体经电磁阀流入压縮机，由压縮机压縮经单向阀压入高压储气容器进行重复利用。
4、 如权利要求2所述的全自动高压容器气体循环充放疲劳测试系统，其特征在于所述 的压力传感器分别安装于高压储气容器的出口，被测容器的进口及低压储气容器的进口。
5、 如权利要求2所述的全自动高压容器气体循环充放疲劳测试系统，其特征在于所述 的高压气体循环加注模块还包括用于系统调试或故障排除时紧急放气之需的常关截至阀，其设 于与低压储气容器相连的电磁阀前。
6、 如权利要求1所述的全自动高压容器气体循环充放疲劳测试系统，其特征在于所述 的疲劳测试区包括被测试高压容器、截止阀、电磁阀、气体压力调节器、气体压力传感器、温 度传感器、气体泄漏传感器、应变传感器、密封舱，密封舱将被测容器包覆于其内，通过处于 密封舱及被测容器之间的气体泄漏传感器和贴于被测容器表面的应变传感器的信号反馈确认 气体泄漏浓度和容器材料应变量，并在达到设定值时系统认为被测容器已疲劳失效，疲劳测试 系统自动关闭。
7、 如权利要求6所述的全自动高压容器气体循环充放疲劳测试系统，其特征在于所述 的疲劳测试系统安装在四周装有安全隔离墙的区域内，且自控系统应与高压气体循环加注模块 之间安装有安全隔离墙。
8、 如权利要求l所述的所述的全自动高压容器气体循环充放疲劳测试系统，其特征在于 所述的自动控制系统包括数据采集系统、应力/应变测试系统、交流/直流供电系统、微型计算 机系统以及主体控制程序，其通过被测容器中的温度传感器及加注模块中的压力传感器的反馈 信号控制电磁阀开闭进行自动控制。
全文摘要
本发明公开了一种全自动高压容器气体循环充放疲劳测试系统，该系统不仅能够实现高压气体循环充放疲劳试验的全自动控制，而且还可以对高压容器的疲劳情况进行在线自动检测。循环充放的自动控制是通过被测容器内温度传感器动态响应信号、高压管路中各压力传感器动态响应信号以及控制策略控制电磁阀的开闭状态实现的，循环充放过程中气体介质通过泄压接受罐和气体压缩机增压后循环使用，不会造成气体浪费和环境污染。循环充放过程中高压容器的动态疲劳情况则是通过被测容器密封舱内氢气传感器响应信号和贴于被测容器表面的应变传感器响应信号的变化来获得，当泄露氢气浓度达到设定值时或充放过程中容器材料应变超过设定值时，疲劳测试系统自动关闭。
文档编号G01N3/10GK101403669SQ200810202630
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月12日 优先权日2008年11月12日
发明者伟 周, 宫振华, 剑 张, 张存满, 潘相敏, 邬敏忠, 陈华强, 马建新, 鑫 高 申请人:同济大学