车载氢传感器的特性

[中文适用范围]： 本 SAE 技术信息报告 (TIR) 提供了当氢系统集成商和/或汽车制造商选择在其氢动力汽车（包括氢燃料电池电动汽车 (FCEV)）上使用氢传感器时评估氢传感器的测试方法。本文件 5.1 中描述的测试是基于性能的，旨在评估氢传感器计量参数。这些测试旨在根据车辆内不同的可能情况和传感器实施情况来适应各种环境和操作条件。第 5.2 节涵盖补充电气安全和物理压力测试。这些是基于为验证车辆上使用的电气和其他部件而开发的标准测试，并不明确涉及气体传感器计量性能评估。由于车载氢传感器的使用没有标准化或强制要求，因此不同车辆以及潜在应用或功能之间的实施可能存在很大差异。例如，车载传感器可以位于相对干燥的环境中，例如乘客舱或 ??高度潮湿？？环境@，例如燃料电池系统的工艺废气内。由于这是指导文件而不是标准@，因此不会确定具体应用。另外@作为指导文件@不会定义性能规范或通过/失败标准。因此，氢系统集成商和/或车辆制造商需要确定哪些测试和相关测试条件与其应用相关。因此，氢系统集成商和/或车辆制造商有权定义实现车辆内过程控制和保护系统所需性能所需的特定测试验收标准。传感器制造商或测试实验室将向氢系统集成商和/或车辆制造商提供每次测试的结果，然后他们将使用这些结果来确定传感器技术对其应用的适用性。背景 本 TIR 中提供的测试方法源自 NREL 氢安全传感器测试实验室的研究人员最初开发的方法 [5]。许多测试程序类似于 ISO 26142 [6] 中提出的测试程序。作为 TIR@ 开发的一部分，对原始 NREL 测试方法进行了修改，使其更适合车载车辆环境和操作条件，并相应地符合 SAE 组件标准。5.1 中的传感器测试协议经过调整，允许在比 ISO 26142 或标准 NREL 传感器测试协议中指定的方法更实际的时间段内执行测试程序，同时保持严格的数据质量。附录 B 和 C 中提供了实施测试程序的实用指南。 氢浓度单位 背景基质中次要成分 (MC) 的量（例如@空气中的氢气@氢气中的一氧化碳@溶解在水中的盐）可以用不同的方式表达。在液体@中，次要成分称为溶质@，而背景基质是溶剂。液体溶液（溶剂+溶质）通常以浓度单位定义（例如@ gsolute/Lsolution 或 molessolute/Lsolution@，这是摩尔浓度的定义）@或质量分数或质量比（例如@ gsolute/[gsolvent + gsolute] ）。比率是无单位的。另外@取决于溶质的量@比率通常以百万分率(ppm)@表示，它是通过将质量分数乘以106（即1 ppm）产生的，或者是通过将质量分数乘以100产生的（例如@ 0.04 的质量分数为 4%）。符号 ppmwt 和 wt% 有时用于表示所表达的量基于质量分数。或者，在气体混合物中，次要成分 (MC) 的量通常以体积比表示：VMC/(VMATRIX + VMC)@，根据理想气体定律，其等于摩尔比 (molesMC/[molesMATRIX +molesMC) ]）。体积比通常也表示为百分比或百万分率 (ppm)。为了区分基于质量@体积比的比率，有时会表示为 vol% 或 ppmv 1。 ppmv 的等效定义是 ??奥莱/摩尔。可燃气体的量也用可燃下限 (LFL)@ 的分数表示，它是空气中气体或蒸气的可燃混合物可被点燃的最低浓度。例如@氢气的LFL为4vol%；因此，2 vol% H2 可以表示为 50% LFL。这很有用，因为不同气体的 LFL 不同，但法规通常由特定气体相对于其 LFL 的浓度决定。表 1 列出了各种来源中指定的表示氢浓度的首选单位。术语下爆炸单位 (LEL) 通常用作 LFL@ 的同义词，尽管这是不正确的@，因为可燃性和爆炸之间存在区别，因此特定气体的相应 LEL 和 LFL [7] [8]。在本文件中，除非另有说明，气体混合物中氢气或其他微量成分的量将表示为 vol% 或 ppmv。除非另有说明，背景矩阵将为空气。另外，测试实验室将以相当于 vol% H2 的数字格式报告传感器测试结果。有关数据分析和测试结果报告的详细信息，请参阅附录 A。氢传感器的描述 化学或物理传感器有多种定义。一个定义如下：传感器是一种小型设备，作为化学或物理刺激与传感器设备之间相互作用或过程的结果，将定量或定性类型的化学或物理信息转换为分析上有用的信号。 9]。氢传感器是一种特殊情况，其中目标刺激物是氢。然而，化学传感器没有普遍接受的定义，并且化学传感器的构成概念在文献中差异很大。因此@将会对 ?? 的含义进行一些澄清。氢传感器??因为它涉及本 TIR 以及氢气系统集成商和/或车辆制造商的需求。图 1 说明了 ?? 的功能设计。传感器？？该术语在本 TIR 中使用。传感器由多个组件组成。传感元件是执行基本传感操作的组件，并提供与刺激的存在或强度相关的可测量的连续变化的电信号，例如氢气的量。感测元件可包括接收器和一个或多个换能器元件。受体是与刺激物相互作用的部位。对于化学传感元件@，受体是化学相互作用的位点@，然后由传感器将其转换为分析量，通常是电性质的。因此，两个不同的功能与传感元件相关联；它是受体处的刺激相互作用以及（电）传感器产生电信号的场所。换能器和接收器可以是感测元件内的相同物理组件。基于不同转导机制的传感元件在商业上可用于检测氢。虽然与刺激的大小有关@传感元件??电信号通常具有任意幅度且具有低输出阻抗，因此很容易被破坏。因此，通常需要额外的电路来产生可用的电信号。如图 1 所示，传感器集成了传感元件和适当的控制电路，通过电子缓冲放大将原始电响应转换为有用信号，或转换为更方便可测量的电响应（例如，电流到-电压传导）。该补充电路还可以控制传感器操作，例如维持加热传感器的操作温度或电化学传感器的操作电位。可以将响应不同目标刺激的多个传感元件集成到传感器中。例如，化学传感器内可能有可用于独立测量环境参数的传感元件，例如温度 (T)、压力 (P) 和相对湿度 (RH)。尽管一些国际标准（例如@ ISO 26142 [6]）明确区分了传感元件和传感器@术语？传感元件??在科学@工程@和商业文献中不常用。相反，术语“传感器”通常用于指代传感元件或传感器，甚至指检测装置（如上文所定义）。如图 1 所示的传感元件和传感器可在市场上买到，用于氢的检测和定量。然而，传感元件的使用需要最终用户开发电路才能获得有用的信号，而传感器只需要电力。表 2 列出了通常可用于检测氢的主要传感元件类型，并简要描述了转导机制和电信号的性质。有时这个词??传感器平台？？用于指示传感元件类型。有关为检测氢而开发的不同传感器平台的更多详细信息，请参阅 H??伯特等人[10]。传感器的电输出可以集成到检测器装置中。用于检测装置的其他术语是？乐器？？或者 ？？仪器系统@?? ??控制单元@??和 ？？分析仪。??检测器装置还可以是传感器与机载微处理器的集成。检测装置利用传感器响应来执行诸如警告和警报激活等功能@实施纠正措施，例如增加通风@关闭或隔离燃料供应甚至系统关闭@并显示当前状况，例如周围的氢气浓度环境。然而，对于传感元件@传感器@或控制系统之间的区别，并没有正式的定义。 ?? 的工作定义氢传感器??在本文件的上下文中，将提供一种输出信号的装置，该信号或者与测试气体中的氢气量直接相关，或者通过使用校准表达式很容易地转换为氢气量。对氢气响应的传感器输出 氢气传感器的响应通常是响应于传感器周围环境中氢气浓度变化的电信号变化（电流@电压@或频率变化）。氢传感器的电信号可以多种格式表示。许多传感器具有预先校准为氢气的模拟输出。校准模拟输出的常见类型为 4 至 20 mA@ 或 0 至 5 V，假定在指定范围内呈线性（例如@ 0 至 2 vol% H2@ 或 0 至 4 vol% H2）。图 2(A) 说明了传感器对 1 vol% H2 的响应，输出为 4 至 20 mA，测量范围为 0 至 4 vol% H2@，而图 2(B) 显示了传感器输出到 vol% 的转换% H2 使用从该关系导出的线性变换。还有一些氢气传感器，其输出信号以vol%或其他常见浓度单位（例如@ ppmv或% LFL）为单位。通常，这些传感器是具有数字输出的传感器，例如 CAN（控制器局域网）。此类传感器通常无法由最终用户@重新校准，但最终用户应确认传感器精度@，例如通过执行 5.1.2 中所述的测量范围测试。传感器信号取决于刺激的幅度和时间曲线。评估氢传感器性能的标准方法是测量响应于氢浓度阶跃变化的传感器信号。通常，这是通过定义的其他参数（例如，T@ P@ 和 RH）来执行的。在这个理想化的暴露曲线中，归一化的输入刺激（例如氢）由下式给出： [H2] = 0，对于 t < 1。当t＞1时，t H2-ON[H2]＝1。 t H2-ON且t＜1 t>H2-OFF[H2]=0 t H2-OFF 在上述表达式中@ t 指的是从时间零@开始的测试时间@，而 t H2-ON 是测试气体施加或注入测试夹具的时间，t H2-OFF 是时间此时将测试从测试夹具上移除。该测试方案如图 2 所示。传感器响应曲线由几个与氢气暴露相关的经验观察区域 [10] 组成。死区时间 (tdead)@ 与在测试设备中建立氢气浓度设定点后氢气到达传感元件所需的时间相关，并由测试夹具的气动设计控制。死区时间对基本传感器响应时间没有影响。然而，在正确设计的测试设备中，tdead 可以忽略不计。还有延迟时间 (tdelay)，它是实际测试气体暴露于传感器和观察传感器响应之后的时间。在延迟时间@之后，信号响应氢气而上升（调整时间@ ta），然后趋于平稳，形成时不变响应。如图 2 所示，对于固定的氢气浓度，性能良好的传感器的响应将达到或接近时不变（稳态）输出，其大小被称为 ??最终指示？？ (FI) 的传感器。 FI 是传感器的分析响应，通常与氢浓度相关。信号噪声和漂移与每个实际传感器响应相关。因此，必须定义用于验证传感器信号已达到适当的时不变状态的标准。它通常基于定义规定时间内传感器响应的可接受变化。对于氢气水平通常为零的应用，时不变响应可以定义为传感器对恒定氢气浓度的响应在一分钟内变化不超过读数的 5%，这与国际标准中提供的定义一致（例如@ISO 26142 [6]）；对于需要实时精度的某些应用，氢系统集成商和/或车辆制造商可能会提出更严格的要求。测试气体成分的变化通常被描述为阶跃变化@，如上所述并如图 2 所示（虚线）。测试气体成分的这种理想的阶跃变化是不可能的，尽管它可以通过一些测试设备设计（例如流通设备，如附录 C 中描述的设备）来近似。然而，根据 5.1 中提出的协议，不需要测试气体成分的瞬时变化来评估传感器性能。在建立新的测试气体设定点的设备控制参数与在传感器处实际供应所需成分之间总是存在滞后时间。这种效应如图 3 所示。滞后时间将随设备设计的不同而变化。在5.1@中，测试协议以一系列离散步骤的形式呈现，其中定义了测试条件（例如@测试气体成分@温度@湿度@压力@方向@或其他参数）。5.1 中协议图中的步骤变化并不意味着传感器@处测试气体成分的瞬时调整，而是定义对新气体成分设定点@和@的调整，尽管协议图中没有明确指出@ 传感器处的测试气体成分需要一段稳定时间才能达到新的设定点。协议中没有明确定义传感器处达到气体成分设定点的稳定时间，因为它会随着设备设计和操作参数的变化而变化。没有必要明确定义该稳定时间。相反，协议要求每个步骤足够长，以允许测试传感器达到稳定的最终指示，这只有在暴露于传感器的测试气体成分不变时才会发生。然而，如果测试设备的气动系统能够快速净化，则可以近似地估计气体成分的阶跃变化。这可以通过流通装置（见 C.2.2）@ 来实现，前提是该装置设计有快速阀门或质量流量控制器，以快速将进入的测试气体成分调整到所需的设定点和较小的内部气体体积@，再加上高气体流速可最大限度地缩短气动系统的吹扫时间。仅响应时间测定要求快速改变试验气体成分（见5.1.1和5.1.10）。实际表观（观察到的）传感器响应时间将是基本传感器响应动力学和暴露于传感器的气体的吹扫时间的卷积。在具有快速吹扫时间的流通系统中可以实现基本传感器响应时间的良好近似。或者，在腔室测试设备中，传感器响应的动力学通常由腔室的气体吹扫时间决定。因此@室方法不应用于确定传感器响应时间，但对于测量传感器浓度依赖性和稳定性@以及量化环境参数的影响非常有用（例如@T@P@RH@和方向）对传感器性能的影响。大多数氢气传感器的输出是电信号，该信号在传感器测量范围内连续变化，以响应氢气量的变化。换句话说，传感器的 FI 是氢气浓度的函数。通过适当的电子设备和校准@，电信号可用于确定氢气浓度；校准通常由制造商执行。5.1 中介绍了用随氢气浓度变化的电信号评估传感器性能的测试协议。或者，一些传感器的响应可能仅提供与氢是否存在于某个阈值以上有关的信息。该阈值通常由制造商设置。这种传感器类型应称为 ??指标？？或者 ？？指示传感器。??指示器传感器的响应可以是视觉的（例如比色指示器）或电的。指示传感器通常仅具有两种输出状态：当氢气水平低于阈值时对应于低输出状态，并且当氢气水平高于阈值时对应于高输出状态。虽然商业上可用于氢的比色指示器，但可靠的电子指示器传感器目前并不常见。与输出连续变化的传感器相比，指示传感器需要不同的测试协议进行评估；如果商业指示传感器变得普遍可用，TIR 将进行更新。目的 本文件的目的是协调术语@，定义一组可用于评估氢传感器@的通用测试，并鼓励开发适合车载车辆应用的传感器。应用领域本文件适用于氢动力燃料电池电动汽车或氢内燃机（ICE）驱动的车辆中检测氢气的传感器。 1 质量比不直接转换为体积比。例如，如果 1 L 1 ppmwt 溶解氢溶液中的溶质挥发到 1 L 空气中，则室温氢成分约为 12000 ppmv。 [外文原描述]： This SAE Technical Information Report (TIR) provides test methods for evaluating hydrogen sensors when the hydrogen system integrator and/or vehicle manufacturer elect to use such devices on board their hydrogen vehicles, including hydrogen fuel cell electric vehicles (FCEV).The tests described in 5.1 of this document are performance-based and were developed to assess hydrogen sensor metrological parameters. These tests were designed to accommodate a wide range of environmental and operating conditions based on different possible situations and sensor implementations within the vehicle. Section 5.2 covers supplemental electrical safety and physical stress tests. These are based upon standard tests developed for qualifying electrical and other components for use on vehicles and do not explicitly pertain to gas sensor metrological performance assessment. Since the use of on-board hydrogen sensors is not standardized or mandated, their implementation can vary greatly from vehicle to vehicle and among potential applications or functions. For example, an on-board sensor could be located in a relatively dry environment such as in the passenger compartment or in a “highly humidifed” environment, such as within the process exhaust from the fuel cell system. As this is a guidance document and not a standard, no specific application will be identified. Also, as a guidance document, no performance specification or pass/fail criteria will be defined. For this reason, the hydrogen system integrator and/or vehicle manufacturer need to determine which tests and associated test conditions are relevant for their application(s). Thus, it is the prerogative of the hydrogen system integrator and/or vehicle manufacturer to define specific test acceptance criteria necessary to achieve the required performance of their process control and protective systems within the vehicle. The sensor manufacturer or testing laboratory is to present results of each test to the hydrogen system integrator and/or vehicle manufacturer, who will then use the results to ascertain the suitability of a sensor technology for their application.Cross Reference: