CN106764418A - 一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统 - Google Patents

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Abstract

一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统，基于光纤光栅对气瓶在使用过程中的应力状态进行监控，并对应力过载进行现场声音报警。

Description

一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统
技术领域
本发明涉及复合材料高压储氢气瓶，具体说的是一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统。
背景技术
随着石油等不可再生资源的不断开采，发展相应的替代燃料势在必行。氢能因其具有来源多样、洁净环保、可储运、可被高效转换利用等优点被认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源，其在轿车、客车、摩托车和商业船等交通工具上的应用已经成为焦点，对解决国际上所面临的“能源短缺”和“环境污染”这两大难题具有重要意义。
在氢能利用系统中，氢气的储存技术是整个系统中最基本, 也是最重要的技术之一。目前，氢气的储存主要采用高压储氢的方式。传统钢制压力容器设计制造技术成熟、成本低、灌装速度快、能耗也较低, 但是单位质量储氢密度较小, 一般只用于大型储罐存储，已经不再应用到传统的能源领域, 而是紧密地和燃料电池联系在一起, 如现有的氢能汽车都采用了燃料电池技术移动式的氢气储存气瓶, 对储存容器的储氢密度提出了很高的要求, 常规钢制压力容器已经不能满足技术要求。目前，复合材料气瓶因其具有承压能力高、质量轻、耐腐蚀性强等优良性能，成为当前高压储氢气瓶的首选。
对于复合材料高压储氢气瓶，其使用过程中的安全性是首要考虑的因素。复合材料气瓶由内胆和复合材料层组成，其中复合材料层主要承载力的作用，如在使用过程中气瓶本身存在缺陷或充装不当，其可能会出现局部的应力过大，若持续处于应力过大的工况，气瓶的不安全性将会大大增加，并存在发生泄露甚至爆破的危险，进而造成严重的安全事故，这也是阻碍高压储氢气瓶推广应用的一个重要因素。目前，高压储氢气瓶的安全保障，主要依赖于设计时输入较高的安全系数。然而，由于气瓶在制造过程以及使用过程中的不确定性，仅仅从设计上进行保证是不完备的。如能实现对高压储氢气瓶的应力监控，实时的了解气瓶的应力状态，避免气瓶应力过载的出现，对于保证气瓶的安全和增强使用者的信心具有重要的意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统，复合材料高压储氢气瓶由左端封头、中间筒段和右端封头组成，监控系统包括贴合设置在复合材料高压储氢气瓶表面的一个或多个光纤布拉格光栅传感器，所述的光纤布拉格光栅传感器与便携式解调仪连接，所述的便携式解调仪包括光源、光纤耦合器、传导光纤、光电转换器、信号处理器，以及报警器，光源向光纤布拉格光栅传感器提供宽谱光源，光纤布拉格光栅传感器通过传导光纤与光纤耦合器连接，光纤耦合器通过光电转换器、信号处理器与报警器连接。
本发明多个所述的光纤布拉格光栅传感器串联设置。
本发明多个所述的光纤布拉格光栅传感器分别设置在左端封头、中间筒段和右端封头上。
本发明所述的多个光纤布拉格光栅传感器分别设置在左端封头、右端封头、左端封头和中间筒段的连接过渡区域、中间筒段的中部区域、中间筒段和右端封头的连接过渡区域。
本发明所述的左端封头和中间筒段的连接过渡区域的多个光纤布拉格光栅传感器由环向设置的光纤布拉格光栅传感器和纵向设置的光纤布拉格光栅传感器组成。
本发明所述的右端封头和中间筒段的连接过渡区域的多个光纤布拉格光栅传感器由环向设置的光纤布拉格光栅传感器和纵向设置的光纤布拉格光栅传感器组成。
本发明所述的中间筒段的中部区域的多个光纤布拉格光栅传感器由环向设置的光纤布拉格光栅传感器和纵向设置的光纤布拉格光栅传感器组成。
本发明所述的信号处理器上还连接有蓝牙模块。
本发明所述的监控系统还包括接收蓝牙信号的智能手环。
本发明有益效果是：
1、本发明对气瓶在使用过程中的应力状态进行监控，并对应力过载进行现场声音报警，此外通过与智能手环进行数据互联，可以实现对应力状态的智能显示以及对应力过载的智能提醒，进一步增强用户对气瓶状态的感知，最大程度的避免用户未察觉气瓶处于应力过载的现象，有效的预防气瓶发生意外失效的可能。本发明的智能型应力过载监控系统，将提升使用者对气瓶使用状态的感知，并通过双提醒的方式最大限度的避免使用者的意外疏忽，大大增强使用者对复合材料高压储氢气瓶的使用信心。
2、光纤布拉格光栅传感器可以以串联方式设置在所述复合材料高压储氢气瓶需要进行应力过载监控的位置。
3、应力监控的方向由光纤布拉格光栅传感器粘贴的方向决定。一般需要通过有限元分析确定工作状态下复合材料高压储氢气瓶应力较大的位置和方向。通过合理布置完成对整个氢气瓶的整体敏感监控。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的实施方式的结构示意图；
图中：1、复合材料高压储氢气瓶，2、光源，3、光纤耦合器，4、传导光纤，5、光纤布拉格光栅传感器，6、光电转换器，7、信号处理器，8、报警器，9、蓝牙模块，10、智能手环，11、左端封头，12、中间筒段，13、右端封头，14、便携式解调仪。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明提供了一种复合材料高压储氢气瓶的应力过载监控系统，该系统包括：光源2，用于提供宽谱光源；光纤耦合器3，用于实现光信号的分路/合路；传导光纤4，用于传导光信号；光纤布拉格光栅传感器5，粘贴在复合材料高压储氢气瓶1的外表面，用于监控所述复合材料高压储氢气瓶1的应力应变状态，其通过所述传导光纤4接收所述光源2发出的光信号，并根据所述复合材料高压储氢气瓶1的应力应变状态产生一定波长的反射光信号；光电转换器6，通过传导光纤3与所述光纤布拉格光栅传感器5相连，用于接收所述光纤布拉格光栅传感器5发出的反射光信号，并将光信号转化为电信号，为接下来的信号处理提供服务；信号处理器7，与所述光电转换器6相连，用于接收光电转换后的脉冲电信号，并从所述电信号中提取出待测的物理量，计算得出所述应力；报警器8，可以接收所述信号处理器6生成的数据，并与预设的应力安全阀值进行比较，判断是否应力过载，如判定应力过载，则进行声音报警；蓝牙模块9，可以与智能手环10实现互联，并将所述信号处理器6生成的数据通过蓝牙信号发送至所述智能手环10；智能手环10，接收所述蓝牙模块9发出的数据，并通过一定的转换，在小型显示屏上显示出各个检测点的应力值，且在出现应力过载时，激发振动器进行震动提示。
优选的，所述光纤布拉格光栅传感器通过胶黏剂粘接在所述复合材料高压储氢气瓶的复合材料层外表面，多个光纤布拉格光栅传感器可以串联在一根传导光纤上以实现对多个位置点的测量，光纤布拉格光栅传感器粘贴的方向根据需要监控的应力方向而定。
优选的，多个串联布拉格光栅传感器的同时解调采用波分复用技术。
优选的，所述光源可以是SLED光源、LED光源或ASE光源中的一种。
优选的，所述报警器采用声音报警器，可以通过声音报警告知使用者所述复合材料高压储氢气瓶处于应力过载状态。
优选的，所述光源、光电转换器、信号处理器、蓝牙模块和报警器可以集成在小型的便携式解调仪中。
所述光纤布拉格光栅传感器2可以以串联方式设置在所述复合材料高压储氢气瓶1需要进行应力过载监控的位置，应力监控的方向由光纤布拉格光栅传感器粘贴的方向决定。一般需要通过有限元分析确定工作状态下复合材料高压储氢气瓶应力较大的位置和方向。如图2所示，以8个光纤布拉格光栅传感器为例，本实施例的复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统包含8个串联的光纤布拉格光栅传感器，分别编号①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧。光纤布拉格光栅传感器①沿纵向粘贴在所述复合材料高压储氢气瓶1的左端封头11上，光纤布拉格光栅传感器②、③分别沿环向、纵向粘贴在所述左端封头11与中间筒段12的过渡区域，光纤布拉格光栅传感器④、⑤分别沿环向、纵向粘贴在所述中间筒段12的中间区域，传感器⑥、⑦分别沿环向、纵向粘贴在所述中间筒段12与右端封头13的过渡区域，传感器⑧沿纵向粘贴在所述右端封头13上。本实施例的复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统将会实现对两端封头的纵向应力，封头与中间筒段过渡区域的环向应力和纵向应力，中间筒段中心区域的环向应力和纵向应力的监控。
具体的，所述光源2、光电转换器6、信号处理器7、报警器8和蓝牙模块9集成在小型的便携式解调仪14中。
下面具体说明本实施例中的复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统安装和工作过程：将所述复合材料高压储氢气瓶1待进行应力过载监控的位置进行打磨处理，再将8个串联的所述光纤布拉格光栅传感器5通过胶黏剂粘接到待测位置，粘接方向与应力监控方向一致；工作时，所述光源2发出宽谱光，经所述传导光纤4和所述光耦合器3传输至所述光纤布拉格光栅传感器5，所述复合材料高压储氢气瓶1在充气和工作过程中，其复合材料层的应力出现变化，进而导致复合材料层产生不同的应变，所述光纤布拉格光栅传感器5感知应变的变化，并将其转换为一定波长的反射光信号，反射光信号经所述耦合器3传输至所述光电转换器6，所述光电转换器6在所述信号处理器7的控制下对反射光信号进行分析和提取，将其转换为脉冲电信号，并将该脉冲电信号发送到所述数据处理模块7，所述信号处理模块7对脉冲电信号进行提取、分析和计算，得出不同位置的应力数据。一方面该数据传输至所述报警器8，所述报警器8将数据与预设的应力安全阀值进行比较，若某位置出现应力过载，则激发扬声器进行声音报警；另一方面，所述蓝牙模块9将该数据通过蓝牙信号发送至所述智能手环10，所述智能手环10佩戴在用户的手腕上，实时的显示应力数据，并在有应力过载出现时进行震动提醒，有效的提示用户。本发明所述的系统，可以对应力过载进行双重提示，确保用户察觉应力过载的出现。

Claims (9)

1.一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统，复合材料高压储氢气瓶（1）由左端封头（11）、中间筒段（12）和右端封头（13）组成，其特征在于：监控系统包括贴合设置在复合材料高压储氢气瓶（1）表面的一个或多个光纤布拉格光栅传感器（5），所述的光纤布拉格光栅传感器（5）与便携式解调仪（14）连接，所述的便携式解调仪（14）包括光源（2）、光纤耦合器（3）、传导光纤（4）、光电转换器（6）、信号处理器（7），以及报警器（8），光源（2）向光纤布拉格光栅传感器（5）提供宽谱光源，光纤布拉格光栅传感器（5）通过传导光纤与光纤耦合器（3）连接，光纤耦合器（3）通过光电转换器（6）、信号处理器（7）与报警器（8）连接。
2.如权利要求1所述的一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统，其特征在于：多个所述的光纤布拉格光栅传感器（5）串联设置。
3.如权利要求1所述的一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统，其特征在于：多个所述的光纤布拉格光栅传感器（5）分别设置在左端封头（11）、中间筒段（12）和右端封头（12）上。
4.如权利要求1所述的一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统，其特征在于：所述的多个光纤布拉格光栅传感器（5）分别设置在左端封头（11）、右端封头（13）、左端封头（11）和中间筒段（12）的连接过渡区域、中间筒段（12）的中部区域、中间筒段（12）和右端封头（12）的连接过渡区域。
5.如权利要求4所述的一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统，其特征在于：所述的左端封头（11）和中间筒段（12）的连接过渡区域的多个光纤布拉格光栅传感器（5）由环向设置的光纤布拉格光栅传感器（5）和纵向设置的光纤布拉格光栅传感器（5）组成。
6.如权利要求4所述的一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统，其特征在于：所述的右端封头（11）和中间筒段（12）的连接过渡区域的多个光纤布拉格光栅传感器（5）由环向设置的光纤布拉格光栅传感器（5）和纵向设置的光纤布拉格光栅传感器（5）组成。
7.如权利要求4所述的一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统，其特征在于：所述的中间筒段（12）的中部区域的多个光纤布拉格光栅传感器（5）由环向设置的光纤布拉格光栅传感器（5）和纵向设置的光纤布拉格光栅传感器（5）组成。
8.如权利要求1所述的一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统，其特征在于：所述的信号处理器（7）上还连接有蓝牙模块。
9.如权利要求1所述的一种复合材料高压储氢气瓶应力过载监控系统，其特征在于：所述的监控系统还包括接收蓝牙信号的智能手环（10）。
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