自制氢气安全控制系统在高低温实验中的应用
文章出处： 责任编辑：正航仪器 发表时间：2014-01-22
自制氢气安全控制系统在高低温实验中的应用
结合高低温测试中所遇到的问题，设计工作主要包括整个系统的布局，各个部件的选择，如何设定系统的参数，以及如何验证系统的可靠性等等。整个系统的布局上面尽量的能够紧密结合在原有的实验条件上，不会对实验本身的结果产生影响。
高低温实验的重要性
随着科学技术经济贸易的迅猛发展,自然资源海洋宇宙开发与利用，各种产品在贮存、运输和使用过程中遇到的环境越来越复杂，越来越严酷。从热带到寒带，从平原到高原，从海洋到太空等等，这就使得用户和生产者双方都关心产品在上述环境中的性能、可靠性和安全性，以保证产品能满意地工作，这就必须要进行环境实验。
所谓环境实验，就是将产品暴露在自然环境或人工模拟环境中，从而对它们实际上会遇到的贮存、运输和使用条件下的性能做出评价。通过环境实验，可以提供设计质量和产品质量方面的信息，是质量保证的重要手段。高低温实验是环境实验中最常见的一种实验。它主要模拟在不同的地域环境下，在使用或者运输时候，产品本身能否维持正常工作的性能。
高低温实验对产品的影响
前面已经说到高低温实验主要模拟的是不同地域环境对产品的影响。具体来说，高低温实验中有三个效应可能会对产品的使用产生影响，为高温效应，低温效应，以及温变效应。
高温效应对产品的影响主要有：
1. 不同材料的不同膨胀特性而使零件卡死。
2. 润滑剂失去粘性, 使润滑剂流失而导致接点失去润滑。
3. 样品全体或部分改变尺寸。
4. 由于包装、垫圈、密封、轴承和主轴变得歪斜、卡死和失效而引起机械或全部的失效。
5. 垫圈变形 (胶状)。
6. 气密功能退化。
7. 电阻值改变。
8. 电路稳定状况随温度梯度和材料的不同膨胀特性而改变。
9. 变压器和机电组件过热。
10. 缩短操作寿命时限。
11. 固体材料内部晶体结构产生分离。
12. 密闭试件内部产生高压。
低温效应对产品的影响主要为：
1． 使材料硬化及脆化。
2. 不同材料的不同收缩特性而使零件卡死。
3. 由于润滑剂增加粘性而失去润滑作用。
4. 电性改变 (如电阻, 电容等) 。
5. 变压器和机电组件功能改变。
6. 冲击基座变硬。
7. 使样品产生裂痕、脆化并改变耐冲击强度及减低强度。
8. 玻璃产生靜力疲劳。
9. 使水凝结和冰冻。
温变效应对产品的影响有：
1. 玻璃产品和光学装备破裂。
2. 可动零件卡死或松动。
3. 结构产生分离。
4. 电性改变。
5. 由于急速凝结水或结冰造成电子或机械失效。
6. 以顆粒状或纹状产生破裂。
7. 不同材料之不同收缩或膨胀特性。
8. 组件变形或破裂。
9. 表面涂料产生裂纹。
10.密封出之出现漏气
高低温实验的设备
高低温实验最重要的设备就是高低温实验箱。选择高低温实验箱时有几个基本参考准则
1．温度条件能够再现
在实验室内完整而地再现自然界存在的温度条件是可望而不可及的事情。但是，在一定的容差范围之内，人们完全可以正确而近似地模拟工程产品在使用、贮存、运输等过程中所经受的外界温度条件，这段话用工程的语言概括，就是“实验设备所创造的围绕被试产品周边的温度条件（含平台环境）应该满足产品实验规范所规定的温度条件及其容差的要求”。如用于军工产品实验的高低温实验箱不仅要满足国军标 GJB150.3-86、GJB150.4-86中根据不同类型产品所规定的高温、低温的实验量值、实验时间，同时也应满足实验规范中对温度
场的均匀性和温度控制精度的要求。只有这样，才能保证实验样品在实验环境中温度条件能够再现。
2. 温度条件的可重复性
一台高低温实验箱/老化箱可能用于同一类型产品的多次实验，而一台被试的工程产品也可能在不同的高低温实验箱中进行实验，为了保证同一台产品在同一实验规范所规定的温度条件下所得实验结果的可比较性，必然要求高低温实验箱所提供的温度条件具有可重复性。这也就是说，高低温实验箱施用于被实验产品的热应力水平对于同一实验规范的要求是一致的。
高低温实验箱所提供温度条件的可重复性是由国家计量检定部门依据国家技术监督机构所制定的检定规程检定合格后提供保证。为此，必须要求高低温实验箱能满足检定规程中的各项技术指标及精度指标的要求，并且在使用时间上不超过检定周期所规定的时限。
3.温度条件参数的可控性
任何一台高低温实验箱所提供的温度条件必须是可观测的和可控制的，这不仅是为了使温度参数限制在一定的容差范围之内，保证实验条件的再现性和重复性要求，而且从产品实验的安全出发也是必须的，以便防止因温度条件失控导致被实验产品的损坏，带来不必要的损失。目前各种实验规范中大体要求参数测试的精度不应低于实验条件允许误差的三分之一。
4. 高低温实验箱/老化箱本身的安全可靠性
高低温实验，实验周期长，实验的对象有时是价值很高的产品，实验过程中，实验人员经常要在现场周围进行操作或测试工作，因此要求环境实验设备必须具有运行安全、操作方便、使用可靠、工作寿命长等特点，以确保实验本身的正常进行。实验设备的各种保护、告警措施及安全联锁装置应该完善可靠，以保证实验人员、被试产品和实验设备本身的安全可靠性。
5.高低温实验箱对于产品的适应度
这一点最主要的就是要考虑测试产品的大小来决定最后选择的高低温实验箱的容积大小。
一般来说将被试产品（元器件、组件、部件或整机）置入高低温实验箱进行实验时，为了保证被试产品周围环境能满足实验规范所规定的温度条件，高低温实验箱工作空间尺寸与被试产品外廓尺寸之间应遵循以下几点规定：
A． 被试产品的体积（W×D×H）不得超过实验箱有效工作空间的（20%-35%）（推荐选用 20%）。对于在实验中发热的产品推荐选用不大于 30% 。
B． 被试产品的迎风断面积与该断面上实验箱工作腔总面积之比不大于（35%-50%）（推荐选用 35%）。
C． 被试产品外廓表面距实验箱壁的距离至少应保持 100mm-150mm，（推荐选用 150mm）。
火焰离子检测器
1958 年 Mewillan 和 Harley 等分别研制成功火焰离子检侧器，它是典型的破坏性、质量型检测器，是以氢气和空气燃烧生成的火焰为能源当有机化合物进入以氢气和氧气燃烧的火焰，在高温下产生化学电离，电离产生比基流高几个数量级的离子，在高压电场的定向作用下，形成离子流，微弱的离子流（10-12～10-8A）经过高阻（106～1011Ω）放大，成为与进入火焰的有机化合物量成正比的电信号，因此可以根据信号的大小对有机物进行定量分析。火焰离子检测器由于结构简单、性能优异、稳定可靠、操作方便，所以经过 40 多年的发展，今天的主要结构仍无实质性的变化
火焰离子检测器的构造
火焰离子检测器的电离室由金属圆筒作外罩，底座中心有喷嘴;喷嘴附近有环状金属圈(极化极，又称发射极)，上端有一个金属圆简(收集极)。两者间加90～300V 的直流电压，形成电离电场加速电离的离子。收集极捕集的离子硫经放大器的高组产生信号、放大后物送至数据采集系统；燃烧气、辅助气和色谱柱由底座引入；燃烧气及水蒸气由外罩上方小孔逸出。
火焰离子检测器的操作条件
火焰温度，离子化程度和收集效率都与载气、氢气、空气的流量和相对比值有关。现在我们公司通常将火焰离子检测器的操作条件设定为：（见图 9，图 10）氢气流量：30 ml/min, 空气流量：400 ml/min, 氮气流量：25 ml/min.检测器温度设为 300 摄氏度。
氢气流量的影响：氢气作为燃烧气与氮气(载气)预混合后进入喷嘴当氮气流速固定时，随着氢气流速的蹭加，输出信号也随之增加，并达到一个值后迅速下降。如下图 12 所示。由图可见：通常氢气的流量为 30～60mL/min。有时是氢气作为载气，氮气作为补充气，其效果是一样的。
氢气安全控制系统的重要性
当进行高低温实验的搭建时，我们通常先将测试的气相色谱仪先置于高低温实验箱中，然后再进行电路，气路以及通讯的连接
所有的气管，电源线，以及通讯线均通过高低温实验箱侧面的小孔连接到实腔体内部的测试仪器
氢气安全控制系统的组成
它的主要技术参数如下
1.工作温度湿度范围为：（-20C）--（+50C）
2.工作湿度范围为：10%--90%
3.工作电源：24VDC（12-28VDC），250mA
4.防护等级：IP66
5.氢气传感器（单位是 ppm）： 显示代码为 H2， 量程 0-999， 分辨率 1标样气浓度 100，标气范围 0-300， 低报警 10，高报警为 20.
所有的技术参数均符合实验室里工作环境。此氢气探测器本身具有个 3 个继电器，分别为故障报警，低浓度报警，以及高浓度报警，我们可以利用了这 3 个继电器，将系统分为了：故障报警，疑似泄漏报警，以及泄漏报警
氢气安全控制系统的验证
氢气安全控制系统的验证，主要是通过向高低温实验箱/老化箱中的通入未知浓度的氢气和空气的混合样品气，然后通过我们预先设定的参数和系统的反应，可以估算出混合样品气中氢气的含量，然后我们采集这些混合样品气，通过专门的方法，送入我们的气相色谱仪进行定量分析，从而可以的得出混合样品气中氢气的含量，如果两者的结果吻合，那么就可以证明此氢气安全系统的准确性。
由于考虑到安全因素，我们无法将整个高低温实验箱通入大量氢气，因此为了让进样口能够采集到我们调配的样品气，我们将样品气直接通入气球中，将密闭状态的气球模拟成为有氢气泄漏的高低温实验箱。
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结合高低温测试中所遇到的问题，设计工作主要包括整个系统的布局，各个部件的选择，如何设定系统的参数，以及如何验证系统的可靠性等等。整个系统的布局上面尽量的能够紧密结合在原有的实验条件上，不会对实验本身的结果产生影响。
高低温实验的重要性
随着科学技术经济贸易的迅猛发展,自然资源海洋宇宙开发与利用，各种产品在贮存、运输和使用过程中遇到的环境越来越复杂，越来越严酷。从热带到寒带，从平原到高原，从海洋到太空等等，这就使得用户和生产者双方都关心产品在上述环境中的性能、可靠性和安全性，以保证产品能满意地工作，这就必须要进行环境实验。
所谓环境实验，就是将产品暴露在自然环境或人工模拟环境中，从而对它们实际上会遇到的贮存、运输和使用条件下的性能做出评价。通过环境实验，可以提供设计质量和产品质量方面的信息，是质量保证的重要手段。高低温实验是环境实验中最常见的一种实验。它主要模拟在不同的地域环境下，在使用或者运输时候，产品本身能否维持正常工作的性能。
高低温实验对产品的影响
前面已经说到高低温实验主要模拟的是不同地域环境对产品的影响。具体来说，高低温实验中有三个效应可能会对产品的使用产生影响，为高温效应，低温效应，以及温变效应。
高温效应对产品的影响主要有：
1. 不同材料的不同膨胀特性而使零件卡死。
2. 润滑剂失去粘性, 使润滑剂流失而导致接点失去润滑。
3. 样品全体或部分改变尺寸。
4. 由于包装、垫圈、密封、轴承和主轴变得歪斜、卡死和失效而引起机械或全部的失效。
5. 垫圈变形 (胶状)。
6. 气密功能退化。
7. 电阻值改变。
8. 电路稳定状况随温度梯度和材料的不同膨胀特性而改变。
9. 变压器和机电组件过热。
10. 缩短操作寿命时限。
11. 固体材料内部晶体结构产生分离。
12. 密闭试件内部产生高压。
低温效应对产品的影响主要为：
1． 使材料硬化及脆化。
2. 不同材料的不同收缩特性而使零件卡死。
3. 由于润滑剂增加粘性而失去润滑作用。
4. 电性改变 (如电阻, 电容等) 。
5. 变压器和机电组件功能改变。
6. 冲击基座变硬。
7. 使样品产生裂痕、脆化并改变耐冲击强度及减低强度。
8. 玻璃产生靜力疲劳。
9. 使水凝结和冰冻。
温变效应对产品的影响有：
1. 玻璃产品和光学装备破裂。
2. 可动零件卡死或松动。
3. 结构产生分离。
4. 电性改变。
5. 由于急速凝结水或结冰造成电子或机械失效。
6. 以顆粒状或纹状产生破裂。
7. 不同材料之不同收缩或膨胀特性。
8. 组件变形或破裂。
9. 表面涂料产生裂纹。
10.密封出之出现漏气
高低温实验的设备
高低温实验最重要的设备就是高低温实验箱。选择高低温实验箱时有几个基本参考准则
1．温度条件能够再现
在实验室内完整而地再现自然界存在的温度条件是可望而不可及的事情。但是，在一定的容差范围之内，人们完全可以正确而近似地模拟工程产品在使用、贮存、运输等过程中所经受的外界温度条件，这段话用工程的语言概括，就是“实验设备所创造的围绕被试产品周边的温度条件（含平台环境）应该满足产品实验规范所规定的温度条件及其容差的要求”。如用于军工产品实验的高低温实验箱不仅要满足国军标 GJB150.3-86、GJB150.4-86中根据不同类型产品所规定的高温、低温的实验量值、实验时间，同时也应满足实验规范中对温度
场的均匀性和温度控制精度的要求。只有这样，才能保证实验样品在实验环境中温度条件能够再现。
2. 温度条件的可重复性
一台高低温实验箱/老化箱可能用于同一类型产品的多次实验，而一台被试的工程产品也可能在不同的高低温实验箱中进行实验，为了保证同一台产品在同一实验规范所规定的温度条件下所得实验结果的可比较性，必然要求高低温实验箱所提供的温度条件具有可重复性。这也就是说，高低温实验箱施用于被实验产品的热应力水平对于同一实验规范的要求是一致的。
高低温实验箱所提供温度条件的可重复性是由国家计量检定部门依据国家技术监督机构所制定的检定规程检定合格后提供保证。为此，必须要求高低温实验箱能满足检定规程中的各项技术指标及精度指标的要求，并且在使用时间上不超过检定周期所规定的时限。
3.温度条件参数的可控性
任何一台高低温实验箱所提供的温度条件必须是可观测的和可控制的，这不仅是为了使温度参数限制在一定的容差范围之内，保证实验条件的再现性和重复性要求，而且从产品实验的安全出发也是必须的，以便防止因温度条件失控导致被实验产品的损坏，带来不必要的损失。目前各种实验规范中大体要求参数测试的精度不应低于实验条件允许误差的三分之一。
4. 高低温实验箱/老化箱本身的安全可靠性
高低温实验，实验周期长，实验的对象有时是价值很高的产品，实验过程中，实验人员经常要在现场周围进行操作或测试工作，因此要求环境实验设备必须具有运行安全、操作方便、使用可靠、工作寿命长等特点，以确保实验本身的正常进行。实验设备的各种保护、告警措施及安全联锁装置应该完善可靠，以保证实验人员、被试产品和实验设备本身的安全可靠性。
5.高低温实验箱对于产品的适应度
这一点最主要的就是要考虑测试产品的大小来决定最后选择的高低温实验箱的容积大小。
一般来说将被试产品（元器件、组件、部件或整机）置入高低温实验箱进行实验时，为了保证被试产品周围环境能满足实验规范所规定的温度条件，高低温实验箱工作空间尺寸与被试产品外廓尺寸之间应遵循以下几点规定：
A． 被试产品的体积（W×D×H）不得超过实验箱有效工作空间的（20%-35%）（推荐选用 20%）。对于在实验中发热的产品推荐选用不大于 30% 。
B． 被试产品的迎风断面积与该断面上实验箱工作腔总面积之比不大于（35%-50%）（推荐选用 35%）。
C． 被试产品外廓表面距实验箱壁的距离至少应保持 100mm-150mm，（推荐选用 150mm）。
火焰离子检测器
1958 年 Mewillan 和 Harley 等分别研制成功火焰离子检侧器，它是典型的破坏性、质量型检测器，是以氢气和空气燃烧生成的火焰为能源当有机化合物进入以氢气和氧气燃烧的火焰，在高温下产生化学电离，电离产生比基流高几个数量级的离子，在高压电场的定向作用下，形成离子流，微弱的离子流（10-12～10-8A）经过高阻（106～1011Ω）放大，成为与进入火焰的有机化合物量成正比的电信号，因此可以根据信号的大小对有机物进行定量分析。火焰离子检测器由于结构简单、性能优异、稳定可靠、操作方便，所以经过 40 多年的发展，今天的主要结构仍无实质性的变化
火焰离子检测器的构造
火焰离子检测器的电离室由金属圆筒作外罩，底座中心有喷嘴;喷嘴附近有环状金属圈(极化极，又称发射极)，上端有一个金属圆简(收集极)。两者间加90～300V 的直流电压，形成电离电场加速电离的离子。收集极捕集的离子硫经放大器的高组产生信号、放大后物送至数据采集系统；燃烧气、辅助气和色谱柱由底座引入；燃烧气及水蒸气由外罩上方小孔逸出。
火焰离子检测器的操作条件
火焰温度，离子化程度和收集效率都与载气、氢气、空气的流量和相对比值有关。现在我们公司通常将火焰离子检测器的操作条件设定为：（见图 9，图 10）氢气流量：30 ml/min, 空气流量：400 ml/min, 氮气流量：25 ml/min.检测器温度设为 300 摄氏度。
氢气流量的影响：氢气作为燃烧气与氮气(载气)预混合后进入喷嘴当氮气流速固定时，随着氢气流速的蹭加，输出信号也随之增加，并达到一个值后迅速下降。如下图 12 所示。由图可见：通常氢气的流量为 30～60mL/min。有时是氢气作为载气，氮气作为补充气，其效果是一样的。
氢气安全控制系统的重要性
当进行高低温实验的搭建时，我们通常先将测试的气相色谱仪先置于高低温实验箱中，然后再进行电路，气路以及通讯的连接
所有的气管，电源线，以及通讯线均通过高低温实验箱侧面的小孔连接到实腔体内部的测试仪器
氢气安全控制系统的组成
它的主要技术参数如下
1.工作温度湿度范围为：（-20C）--（+50C）
2.工作湿度范围为：10%--90%
3.工作电源：24VDC（12-28VDC），250mA
4.防护等级：IP66
5.氢气传感器（单位是 ppm）： 显示代码为 H2， 量程 0-999， 分辨率 1标样气浓度 100，标气范围 0-300， 低报警 10，高报警为 20.
所有的技术参数均符合实验室里工作环境。此氢气探测器本身具有个 3 个继电器，分别为故障报警，低浓度报警，以及高浓度报警，我们可以利用了这 3 个继电器，将系统分为了：故障报警，疑似泄漏报警，以及泄漏报警
氢气安全控制系统的验证
氢气安全控制系统的验证，主要是通过向高低温实验箱/老化箱中的通入未知浓度的氢气和空气的混合样品气，然后通过我们预先设定的参数和系统的反应，可以估算出混合样品气中氢气的含量，然后我们采集这些混合样品气，通过专门的方法，送入我们的气相色谱仪进行定量分析，从而可以的得出混合样品气中氢气的含量，如果两者的结果吻合，那么就可以证明此氢气安全系统的准确性。
由于考虑到安全因素，我们无法将整个高低温实验箱通入大量氢气，因此为了让进样口能够采集到我们调配的样品气，我们将样品气直接通入气球中，将密闭状态的气球模拟成为有氢气泄漏的高低温实验箱。
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