CN101571472A - 一种透气性测试夹具、测试仪及测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透气性测试夹具，包括上模(30)、下模(31)和气缸(27)，其中所述的上模(30)中间开一通孔(47)，通孔(47)另一端与内壁设有螺纹的空腔(45)通过锁母快插(24)相连接；所述的下模(31)上表面上设有第一凹面(44)，第一凹面(44)中间开一通孔(39)，通孔(39)另一端与内壁设有螺纹的空腔(37)通过锁母快插(24)相连接，所述第一凹面(44)外侧设有第二凹面(41)，其上设有O型密封圈(40)；所述的上模(30)通过压力杆(23)与气缸(27)相连接。并公开了一种包含上述测试夹具的透气性测试仪以及测试系统。本发明具有易于操作、简单、方便等特点。

Description

一种透气性测试夹具、测试仪及测试系统

技术领域

本发明涉及一种透气性测试夹具、测试仪及测试系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是作为继碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)之后发展起来的第五代燃料电池。由于采用了固态电解质高分子膜作为电解质，因此具有能量转换率高、低温启动、无电解质泄漏等特点，也因此被公认为最有希望成为航天、军事、运输和便携式备用电源的首选理想电源。

气体扩散层是质子交换膜燃料电池的重要组成部分，它是由导电的多孔材料组成的，起到支撑催化层、收集电流、排出水和传导气体等重要作用。为了提供良好的水、气传输通道，气体扩散层需要进行疏水处理。透气度是气体扩散层重要的表征参数之一。目前气体扩散层的孔隙率一般在70％以上，透气性非常好，而市面上可用的透气度测试设备，除了价格昂贵，测试费用较高外，一般采用气缸或者真空泵的方式供气，不太适合高透气量材料的透气度测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种透气性测试夹具，具有易于操作、简单、方便等特点。

本发明的另一目的是提供一种透气性测试仪。

本发明的又一目的是提供一种透气性测试系统。

其具体技术方案如下：一种透气性测试夹具包括上模、下模和气缸，其中所述的上模中间开一通孔，通孔另一端与内壁设有螺纹的空腔通过锁母快插相连接；所述的下模上表面上设有第一凹面，第一凹面中间开一通孔，通孔另一端与内壁设有螺纹的空腔通过锁母快插相连接，所述第一凹面外侧设有第二凹面，其上设有O型密封圈；所述的上模通过压力杆与气缸相连接。所述的下模上设有O型密封圈，可以防止气体从待测样品的边缘泄漏。

所述的通孔可以是直角通孔。

所述的第一凹面可以是圆形凹面，所述的第二凹面可以是环形凹面；所述的第一凹面与第二凹面之间设有一环形凸台，其相对第一凹面与第二凹面高一定尺寸。

所述的上模与下模表面平整，上下模对接后，所述的通孔相应对接吻合，通过气缸施加压力实现夹具的密封。

一种透气性测试仪，包括支架以及设于支架上的压力测试仪、流量测试仪和测试夹具，其中所述的测试夹具与压力测试仪以及流量测试仪之间均通过气路连接。

所述的压力测试仪可以是精密压力表、差压式压力表或压力传感器，所述的流量测试仪为质量流量计或流量传感器，其通过螺母转接头固定于支架上，并且使其气体入口朝向支架外部，以方便气路连接。

所述的支架上还设有普通压力表、手动减压阀和电磁阀，其通过螺栓或螺母固定于支架上。

所述的电磁阀通过导线与电源线相连，且电路中设有电源开关，用于对电磁阀进行控制。

所述的电磁阀与外接气路相连接，构成管路一，所述的手动减压阀与外接气路相连接，构成管路二。

所述的管路一中的电磁阀为五通电磁阀，用于控制气缸与压力杆的升降。

所述的五通电磁阀包括与外接气路相连接的气体入口，与气缸的升起管路相连接的常开通路，与气缸的降落管路相连接的电源开启通路以及两个卸压口，用于电磁阀变换气流方向时的卸压；通过电磁阀压力的气流方向的变化，从而进行测试夹具上下模的开启和闭合。

所述的两个卸压口通过软管进行连接，且所述软管上设有小孔，这样可以控制测试夹具的开启和闭合速度，防止上下模的开启速度过快，所述小孔的数量根据实验情况而定，小孔的数量越多，则测试夹具的开合速度越快。

所述的管路二中，所述的手动减压阀的气体进口与外接气路相连接，其气体出口与直通电磁阀相连接，然后用软管延长；在测试夹具下模处设有一三通，三通的一端与下模的锁母快插相连接，另一端与精密压力表相连接，用于采集气体压力；在测试夹具上模处也设有一三通，其与锁母快插相连，三通的一端与质量流量计的相连，另一端与精密压力表相连接。气体在上下模闭合后，经过测试样品后从上模通孔中流出，经质量流量计采集流量参数后排空。

一种透气性测试系统，包括透气性测试仪及其测控单元，其中所述的测控单元与透气性测试仪之间为电连接。

所述的测控单元包括控制部分、信号采集部分、数据处理部分以及结果输出部分。

所述的控制部分分别与电磁阀以及压力测试仪相连接，用于控制系统气路的通断；所述的控制部分与压力测试仪之间还设有模具开合控制器，用于测试仪的开合。

本发明依据达西渗透定律，固定气体扩散层，在气体扩散层一侧通入一定压力的空气，并在另一侧用空气质量流量计测定通过的空气流量，从而计算气体扩散层的透气度。对于不同工艺处理的气体扩散层，固定样品的测试面积，通过比较在一定压力差下，空气流量的大小就可以对其透气度性能进行比较。同等压力下，空气流量越大，透气度越大。也可以通过达西渗透定律，计算准确的气体渗透系数，整个测试过程简单，具有实用性。其中达西渗透定律为：

$V=k_d\frac{a}{\mathrm{\μl}}\mathrm{\ΔP}---\left(1\right)$

其中V为单位时间内的体积流量，k_a为达西渗透系数，a为气体通过的横截面积，μ为气体黏度，l为样品厚度，ΔP为样品两端压力降。

因为μ是常数，定义K＝kd/μ来表征气体扩散层的透气性，公式(1)即可转化为：

$K=\frac{V\·l}{a\·\mathrm{\ΔP}}---\left(2\right)$

与现有技术相比，本发明的透气性测试仪操作简单，快速，方便。

附图说明

图1是本发明透气性测试夹具装配总图；

图2是本发明透气性测试夹具装配图；

图3是本发明透气性测试夹具下模剖视图；

图4是本发明透气性测试夹具下模俯视图；

图5是本发明透气性测试夹具上模剖视图；

图6是本发明透气性测试仪正面装配图；

图7是本发明透气性测试仪背面装配图；

图8是本发明的电磁阀的管路分布图；

图9是本发明透气性测试系统示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细的说明，但不限于本实施例的内容。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种透气性测试夹具，包括气缸27、上模30和下模31，其中所述的上模30的中间开一通孔47，通孔47另一端与内壁设有螺纹的空腔45相连，用于安装锁母快插24；而且所述的上模30的下表面除通孔47外，表面平整；所述的下模31上表面上设有圆形凹面44，其中间开一通孔39，通孔39另一端与内壁设有螺纹的空腔37处用锁母快插25相连；圆形凹面44外侧有一个环形凹面41，其上设有O型密封圈40，所述的上模30通过压力杆23与气缸27相连接；所述的下模31的上表面除凹面44和密封圈40外，整体上表面非常平整并且与上模30的下表面非常吻合，上下夹具30、31对接后，通孔相接，通过气缸27施力实现夹具的密封。

按照由下向上的组装方式，首先在底板26上安装4个高度一致的支腿33，并分别用四个螺母32拧紧，然后用四个螺栓通过所述下模31的安装孔42将下模31固定在底板上，再安装四个长度一致的连接杆35，之后用螺母36将顶板22和底板固定在连接杆上。再将气缸27用四个螺栓28固定在顶板上，最后将所述的上模30通过气缸27的压力杆23连接，连接时，先在压力杆上拧入一个螺母29，再将压力杆旋入到上模的内螺纹46中，最后向下拧紧螺母29，完成整个透气性测试夹具的安装。安装完成后，用高精度高度尺以及塞尺测量上下模之间的紧密程度，若是两模间的缝隙较大，则需要重新加工连接件。为安装气路方便，可以先在上下模上拧入两个锁母快插37和45。

如图6和图7所示，一种透气性测试仪，包括支架1以及设于支架1上的两个精密压力表2、质量流量计7(北京七星华创电子股份有限公司生产，其包括质量流量控制器11)和测试夹具，其中所述的测试夹具与精密压力表2之间通过气路连接，所述的测试夹具与质量流量计7之间通过数据线进行连接，二者为一体结构。

安装时，用四个螺栓5将质量流量计7固定在支架1上；将普通压力表19用三个一致的螺栓18固定；将手动减压阀14的旋柄由里向外安装到支架1上，用自身附带的螺母固定；将两个精密压力表2通过螺母转接头10固定在支架1上，并且使得转接头10上的精密压力表2的气体入口6朝向支架1外部；将电源开关15、16分别焊接两根电源线51后，直接从支架1正面卡入支架即可。

各主体部分连接完后，开始气路连接，将外接气路分别与电磁阀3和手动减压阀14相连接构成管路一和管路二。

管路一中的电磁阀3为五通道电磁阀，用于控制气缸27的压力杆23的升降，如图8所示。管路一与电磁阀3的气体入口53相连接，经过电磁阀常开通路49与压机气缸的压力杆升起管路21相连，而电磁阀3的电源开启通路50则与压机气缸的压力杆降落管路20相连。通过电磁阀3压力的气流方向的变化开启闭合测试样品夹具的上下模。而电磁阀3的卸压口52和54用于电磁阀变换气流方向时的卸压，并且用软管将52和54相连接，其中软管上设有小孔。安装完管路后，将电磁阀3用螺栓4固定在支架上即可。

在管路二中，首先外接气路与手动减压阀14的气体进口12连接，由气体出口13转出后与直通电磁阀9相连，然后用软管延长后，在测试夹具下模31的气体入口前安装一个三通，三通的一端与下模31的锁母快插25相连，三通的另一端与精密压力表2的气体入口6连接，在所述上模30处也用一个三通与锁母快插25相连，三通的一端与质量流量7的气体入口8相连，气体在上下模闭合后，经过测试样品后从上模通孔47中流出，并流经质量流量计，采集流量参数后经其气体出口17排空，三通的另一端与精密压力表2连接即可。至此完成整个测试仪器的气路连接。

最后，直接采用质量流量计的电源线51作为电源，从该处引出电源线两路供电磁阀3使用，电源开关15用于控制电磁阀3，其中当电磁阀3处于断电状态时，通气后所述上模30升起，通电后所述上模30闭合。而电源开关16用于控制直通电磁阀9，不通电时电磁阀关闭，通电后电磁阀开启，向测试夹具下模31供气，并且进行测试。

如图9所示，一种透气性测试系统，包括透气性测试仪及其测控单元，其中所述的测控单元与透气性测试仪之间为电连接。

所述的测控单元包括控制部分、信号采集部分、数据处理部分以及结果输出部分。

所述的控制部分分别与电磁阀以及压力测试仪相连接；所述的控制部分与压力测试仪之间还设有模具开合控制器。

本发明的透气性测试系统在使用时，先将透气性测试仪的电源开关15、16置于断路状态，调整手动减压阀14的压力为最低，再将测试仪气路连接到气体分配台上，并调整压力为0.3Mpa，这时所述上模30会自动升起，最后打开质量流量计7的电源。

将待测碳纸裁成Φ10mm大小，装入所述下模31的圆形凹面44中，其中通孔39的直径为Φ6mm。然后按下电源开关15，闭合所述上下模后，按下电源开关16，开启直通电磁阀9，同时调整手动电磁阀14的压力，直到两个精密压力表2上的数值达到测试要求为止，为保证每次测试的重现性可以用秒表计时，时间设定为1min，检测气体为空气。记录1min时的压力值，并取其差值，通过质量流量计7采集通过样品的气体流量，得到不同压差下的气体流量值；若是对透气度精度要求不高，可以调整到同一压力后，仅记录气体流量即可，同等压力下，气体流量越大，则透气度越高。最后进行数据处理，先在数据处理单元中输入测试样品厚度，再根据用达西渗透定律计算，并最终在输出单元输出结果。

但是，本发明所述的透气性测试夹具、测试仪以及测试系统不限于上述实施例的内容，凡是适于本发明所述透气性测试夹具、测试仪以及测试系统的实施方式均落在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种透气性测试夹具，包括上模(30)、下模(31)和气缸(27)，其特征在于所述的上模(30)中间开一通孔(47)，通孔(47)另一端与内壁设有螺纹的空腔(45)通过锁母快插(24)相连接；所述的下模(31)上表面上设有第一凹面(44)，第一凹面(44)中间开一通孔(39)，通孔(39)另一端与内壁设有螺纹的空腔(37)通过锁母快插(24)相连接，所述第一凹面(44)外侧设有第二凹面(41)，其上设有O型密封圈(40)；所述的上模(30)通过压力杆(23)与气缸(27)相连接。

2.根据权利要求1所述的透气性测试夹具，其特征在于所述的通孔(47)和通孔(39)是直角通孔。

3.根据权利要求1所述的透气性测试夹具，其特征在于所述的第一凹面(44)是圆形凹面，所述的第二凹面(41)是环形凹面；所述的第一凹面(44)与第二凹面(41)之间设有一环形凸台(43)，其相对第一凹面(44)与第二凹面(41)高一定尺寸。

4.一种透气性测试仪，包括支架以及设于支架(1)上的压力测试仪(2)、流量测试仪(7)和测试夹具，其特征在于所述的测试夹具与压力测试仪(2)以及流量测试仪(7)之间均通过气路连接。

5.根据权利要求4所述的透气性测试仪，其特征在于所述压力测试仪(2)为精密压力表、差压式压力表或压力传感器，其通过螺母转接头(10)固定于支架(1)上。

6.根据权利要求4所述的透气性测试仪，其特征在于所述的流量测试仪(7)是质量流量计或流量传感器。

7.根据权利要求4所述的透气性测试仪，其特征在于所述的支架(1)上设有普通压力表(19)、手动减压阀(14)和电磁阀(3)，其通过螺栓或螺母固定于支架(1)上。

8.根据权利要求7所述的透气性测试仪，其特征在于所述的电磁阀(3)和手动减压阀(14)分别与外接气路相连接，构成管路一和管路二。

9.根据权利要求8所述的透气性测试仪，其特征在于所述的管路一中的电磁阀(3)为五通电磁阀，包括与外接气路相连接的气体入口(53)，与气缸(27)的升起管路(21)相连接的常开通路(49)，与气缸(27)的降落管路(20)相连接的电源开启通路(50)以及两个卸压口(52)和(54)。

10.根据权利要求9所述的透气性测试仪，其特征在于所述的两个卸压口(52)和(54)通过软管进行连接，且所述软管上设有小孔。

11.根据权利要求10所述的透气性测试仪，其特征在于所述的管路二中，所述的手动减压阀(14)的气体进口(12)与外接气路相连接，其气体出口(13)与直通电磁阀(9)相连接。

12.一种透气性测试系统，其特征在于包括透气性测试仪及其测控单元，其中所述的测控单元与透气性测试仪之间为电连接。

13.根据权利要求12所述的透气性测试系统，其特征在于所述的测控单元包括控制部分、信号采集部分、数据处理部分以及结果输出部分。

14.根据权利要求13所述的透气性测试系统，其特征在于所述的控制部分分别与电磁阀以及压力测试仪相连接；所述的控制部分与压力测试仪之间设有模具开合控制器。

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