CN108333185A - 高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器 - Google Patents

高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域。目的在于提供能够实现全方位检测的高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器。本发明所采用的技术方案是：高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器，包括呈轴承状的安装环和设置在安装环上的传感器主体；安装环套设在储氢燃料罐外。还包括驱动机构，驱动机构包括轴向驱动组件和旋转驱动组件，安装环在轴向驱动组件的驱动下整体可沿储氢燃料罐的轴向往复移动，安装环的内圈在旋转驱动组件的驱动下可绕储氢燃料罐周面旋转。本发明能够实时的、全方位的对储氢燃料罐的外表面质量进行检测，从而对储氢燃料罐的工况进行及时反馈，自动化程度高，能够有效的降低储氢燃料罐在使用过程中的安全风险。

Description

高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域,具体涉及高压储氢燃料罐外表面检测装置。
背景技术
燃料电池的实质是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。目前的燃料电池主要是氢-氧燃料电池。在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e-经由外部的负荷回路，再返回到空气极侧，参与空气极侧的反应。由于在一系列的反应中e-不间断地流经外部回路，因而就构成了发电。
在燃料电池的应用中，储氢罐用于储存并供给燃料氢，由于储氢罐内储存的氢为高度压缩状态的氢，因此储氢罐需要随时承受巨大的压力，一旦储氢罐发生泄漏、变形等情况极易造成巨大的安全事故，为此，必须随时对储氢罐的工况进行监测。现有技术中主要通过安装在储氢罐内部的压力传感器对储氢罐内部的压力进行监测，当压力传感器检测到压力值超过储氢罐的安全压力值时，将该信息反馈至总控系统，配合其他设备对罐内压力进行控制，然而这种检测方式是基于储氢罐额定安全压力值进行检测。在实际使用过程中，长期使用后的储氢罐可能由于变形导致其额定安全值发生较大的改变，例如：在装载在车辆上以后，由于长期的抖动造成储氢罐变形；在温差较大时，由于热胀冷缩导致的变形；在车辆遭受碰撞时也可能造成变形。而这些变形情况都有可能导致储氢罐的额定安全压力值发生较大变化，从而无法实现有效的监测。
为此，发明人提出了一种能够对高压储氢燃料罐的外表面质量实时的、全方位的进行检测的传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供能够实现全方位检测的高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器，包括呈轴承状的安装环和设置在安装环上的传感器主体，所述安装环套设在储氢燃料罐外。还包括驱动机构，所述驱动机构包括轴向驱动组件和旋转驱动组件，安装环在轴向驱动组件的驱动下整体可沿储氢燃料罐的轴向往复移动，安装环的内圈在旋转驱动组件的驱动下可绕储氢燃料罐周面旋转。所述传感器主体固定设置在安装环内圈朝内的表面上。
优选的，所述轴向驱动组件包括沿储氢燃料罐轴向延伸的丝杆和导向杆。所述安装环的外部设置与丝杆相垂直的连接板，所述连接板与安装环的外圈固接，所述连接板上设置与丝杆相配合的螺纹通孔和与导向杆相配合的导向通孔，所述丝杆穿设在螺纹通孔内，所述导向杆穿设在导向通孔内。所述丝杆由步进电机驱动。
优选的，所述旋转驱动组件包括传动轴，所述传动轴包括內轴和管状的外轴，所述內轴的一端伸入外轴内，另一端与设置在连接板一板面上的旋转接头连接。內轴的表面上设置沿內轴长度方向延伸的外花键，所述外轴的内表面设置与外花键相啮合的内花键。所述传动轴上还设置有第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮位于外轴远离內轴的一端，所述第二齿轮位于內轴远离外轴的一端。所述第一齿轮与设置在丝杆上的第三齿轮相啮合。所述安装环的内圈朝第三齿轮所在的一侧延伸构成延伸部，所述延伸部的周面上设置与第二齿轮相啮合的齿环。还包括外管固定轴承，所述固定轴承套设在外轴的中部，固定轴承两侧的外轴上分别设置抵挡环。
优选的，所述连接板的数量为两个，且两连接板以安装环的中心对称分布，两连接板中的一个设置螺纹通孔，另一个设置导向通孔。
优选的，所述第一齿轮和第三齿轮之间还设置有变速齿轮组。
优选的，所述内花键沿外轴的长度贯通设置。
优选的，所述内花键位于外轴靠近內轴的一端。
优选的，所述內轴靠近外轴一端的端部设置防脱落挡头。
优选的，所述传感器主体包括一个激光光源和一个CCD传感器，所述激光光源和CCD传感器对称布置在安装环内圈朝内的表面上。所述CCD传感器的信号输出线路上沿信号传输方向依次设置有前置放大器、滤波器、自动增益控制、A/D转换器和DSP图像处理。所述DSP图像处理器与控制系统连接。
优选的，所述內轴和外轴均由耐磨材料制成，所述耐磨材料由如下重量份的原材料构成：碳7％，硅3％，锆6％，镁4％，钒1.5％，锰2％，镍1％，铯2％，稀土元素3％，余量为铁及熔炼工艺中产生的不可避免的杂质；所述稀土元素为配比为3:1:1的镧、铈和钬。
本发明的有益效果集中体现在，能够实时的、全方位的对储氢燃料罐的外表面质量进行检测，从而对储氢燃料罐的工况进行及时反馈，自动化程度高，能够有效的降低储氢燃料罐在使用过程中的安全风险。具体而言，本发明在使用过程中，传感器主体作为检测部件固定设置在安装环内圈朝内的表面上，而安装环又可在轴向驱动组件的带动下沿储氢燃料罐轴向往复移动，实现了对储氢燃料罐长度方向上不同位置的检测，而安装环的内圈又可在旋转驱动组件的带动下沿储氢燃料罐周向旋转，实现了对储氢燃料罐周面上360°的检测。两者相互结合，从而实现了对储氢燃料罐的全方位的实时检测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明一种使用状态结构示意图；
图3为本发明另一种使用状态结构示意图；
图4为安装环的结构示意图；
图5为图4的左视图；
图6为图4的右视图；
图7为图1中所示结构的A-A向视图；
图8为传动轴的结构示意图。
具体实施方式
结合图1-8所示的高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器，包括呈轴承状的安装环1和设置在安装环1上的传感器主体，也就是说所述安装环1如同轴承一样，包括外圈21和内圈22，内圈22和外圈21之间设置有滚子，内圈22和外圈21之间可相对转动。所述安装环1整体套设在储氢燃料罐2外。还包括驱动机构，所述驱动机构包括轴向驱动组件和旋转驱动组件，安装环1在轴向驱动组件的驱动下整体可沿储氢燃料罐2的轴向往复移动，如图2和3所示，也就是安装环1在轴向驱动组件驱动下整体可以左右来回移动，所述轴向驱动组件的构成方式较多，例如所述轴向驱动组件就是一个与安装环1外圈21连接的可沿储氢燃料罐2轴向伸缩的电动推杆、气动推杆等。
同时，所述安装环1的内圈22在旋转驱动组件的驱动下可绕储氢燃料罐2周面旋转。也就是说，旋转驱动组件的具体构成方式也较多，例如所述旋转驱动组件就是一根绕安装环1中心所在直线旋转的曲轴，曲轴的一端与安装环1的内圈22连接，曲轴的另一端由电机驱动。曲轴的弯曲角度以其自身在旋转时不和储氢燃料罐2相互干扰为准，电机通过连杆与安装环1的外圈21固定连接。还可以是安装环1的内圈22朝一侧延伸构成延伸部，并在延伸部的周面上设置齿环72，所述旋转驱动组件就是一个由电机带动的齿轮，齿轮与齿环72啮合，电机固定在安装环1的外圈21上从而驱动内圈22转动。总之，无论是轴向驱动组件还是旋转驱动组件，其具体的结构形式多种多样，此处不再一一赘述。
所述传感器主体固定设置在安装环1内圈22朝内的表面上。通过传感器主体1对储氢燃料罐2的外表面质量情况进行实时的检测。所述传感器主体可以是常规的摄像头，摄像头直接采集储氢燃料罐2的图像信息，经过后续的图像处理设备对图像信息进行分析，获取储氢燃料罐2的轮廓尺寸信息。当然更好的做法是，所述传感器主体包括一个激光光源17和一个CCD传感器18，所述激光光源17和CCD传感器18对称布置在安装环1内圈22朝内的表面上。所述CCD传感器18的信号输出线路上沿信号传输方向依次设置有前置放大器、滤波器、自动增益控制、A/D转换器和DSP图像处理。所述DSP图像处理器与控制系统连接。通过CCD传感器18上接收到的带有坐标信息的衍射波和阴影的分析,经过后续的处理，得出储氢燃料罐2的圆周值。由于曝光时间极短，通常为0.2微秒,在瞬间就取得信号,因此不会受被检测目标抖动的影响,实现在线高速实时检测的要求。CCD传感器18检测到的信号通过前置放大器进行信号的放大，再通过滤波器进行剔除过滤，有效的保证了信号强度。避免了譬如激光光源17和CCD传感器18蒙尘，或其他特殊情况下导致的信号过弱等问题，进一步提高了检测性能，同时也具有较好的防干扰效果。所述激光光源17和传感器18通常采用阵列式结构。
本发明在使用过程中，传感器主体作为检测部件固定设置在安装环1内圈22朝内的表面上，而安装环1又可在轴向驱动组件的带动下沿储氢燃料罐2轴向往复移动，实现了对储氢燃料罐2长度方向上不同位置的检测，而安装环1的内圈22又可在旋转驱动组件的带动下沿储氢燃料罐2周向旋转，实现了对储氢燃料罐2周面上360°的检测。两者相互结合，从而实现了对储氢燃料罐2的全方位的实时检测。本发明能够及时全面的反馈储氢燃料罐2的工况，自动化程度高，能够有效的降低储氢燃料罐2在使用过程中的安全风险。
为了进一步提高本发明的性能，更好的做法是所述轴向驱动组件包括沿储氢燃料罐2轴向延伸的丝杆3和导向杆4。所述安装环1的外部设置与丝杆3相垂直的连接板5，所述连接板5与安装环1的外圈21固接，所述连接板5上设置与丝杆3相配合的螺纹通孔和与导向杆4相配合的导向通孔，所述丝杆3穿设在螺纹通孔内，螺纹通孔与丝杆3配合构成丝杆副，也就是说，连接板5自身就构成了丝杆副的螺母。所述导向杆4穿设在导向通孔内，主要起到导向作用。所述丝杆3由步进电机6驱动，通过控制步进电机6正转或反转，实现连接板5沿丝杆3和导向杆4来回运动，从而带动安装环1整体沿丝杆3和导向杆4来回运动。这样一来，由于具有更好的导向作用，本发明在安装环1移动时，更加的稳定、可靠。当然，为了进一步提高本发明的稳定性，更好的做法还可以是结合图1-6所示，所述连接板5的数量为两个，且两连接板5以安装环1的中心对称分布，两连接板5中的一个设置螺纹通孔，另一个设置导向通孔。
本发明的旋转驱动组件和轴向驱动组件的原动机可以采用两台，也就是说轴向驱动组件的丝杆3由步进电机6驱动，而旋转驱动组件则由另一台电机驱动。当然，更好的做法还可以是，所述旋转驱动组件和轴向驱动组件的原动机均是步进电机6。这种情况下，结合图2、3和8所示，所述旋转驱动组件包括传动轴，传动轴用于将丝杆3的扭矩传送至安装环1的内圈22。所述传动轴包括內轴7和管状的外轴8，所述內轴7的一端伸入外轴8内，另一端与设置在连接板5一板面上的旋转接头9连接。內轴7的表面上设置沿內轴7长度方向延伸的外花键，所述外轴8的内表面设置与外花键相啮合的内花键。所述内花键既可以是沿外轴8的长度贯通设置，也可以是只设置外轴8靠近內轴7的一端。当内花键设置在外轴8靠近內轴7的一端时，所述內轴7靠近外轴8一端的端部设置防脱落挡头。也就是防脱落挡头位于外轴8中，用于防止內轴7从外轴8内脱出，防脱落挡头可以是设置在內轴7端部的大尺寸圆盘，也可以是设置在內轴7端部的杆体，杆体与內轴7构成T字形结构。这样一来，通过內轴7和外轴8相互配合，既可以实现传动轴长度的调整，也不影响传动轴对扭矩的传递。
所述传动轴上还设置有第一齿轮81和第二齿轮71，所述第一齿轮81位于外轴8远离內轴7的一端，所述第二齿轮71位于內轴7远离外轴8的一端。所述第一齿轮81与设置在丝杆3上的第三齿轮31相啮合。所述安装环1的内圈22朝第三齿轮31所在的一侧延伸构成延伸部，所述延伸部的周面上设置与第二齿轮71相啮合的齿环72。在使用状态下，外轴8的位置相对固定，外轴8单纯通过转动将扭矩传送至內轴7上。因此，还包括外管固定轴承15，所述固定轴承15套设在外轴8的中部，固定轴承15两侧的外轴8上分别设置抵挡环16。在工作时，如图2和3所示，第三齿轮31驱动第一齿轮81，第一齿轮81带动外轴8，外轴8带动內轴7，內轴7带动第二齿轮71，第二齿轮71又带动齿环72旋转，从而驱动安装环1的内圈22绕储氢燃料罐2旋转。
为了使本发明的检测范围得到进一步的提高，更好的做法是，所述第一齿轮81和第三齿轮31之间还设置有变速齿轮组。变速齿轮组通常由多个大小不同的调速齿轮构成，通过不同的调速齿轮与第一齿轮81和第三齿轮31啮合，实现第一齿轮81不同转速的控制。
本发明由于內轴7和外轴8不仅需要作长度方向上的相对移动，同时还要保证内花键和外花键的啮合度，要求其必须具有较高的耐磨性能，因此，更好的做法是所述內轴7和外轴8均由耐磨材料制成，所述耐磨材料由如下重量份的原材料构成：碳7％，硅3％，锆6％，镁4％，钒1.5％，锰2％，镍1％，铯2％，稀土元素3％，余量为铁及熔炼工艺中产生的不可避免的杂质；所述稀土元素为配比为3:1:1的镧、铈和钬。
所述耐磨材料按以下步骤加工制成：
a、将铁投入炉中熔化至熔融状态；
b、接着分三个批向炉内投入合金元素进行合金化，第一批：钒、铯；第二批：硅、锰、镧、铈、钬；第三批：其他剩余成分；各批次投入元素的时间间隔为60-70分钟，投料后搅拌均匀。
c、检测并调整化学元素成分含量至合格后进行浇铸，成型后进行热处理。
将本发明所述的耐磨稀土材料与申请号为201510409506.2的专利文件公布的对比材料进行性能测试，所得性能指标如下表：
摩擦系数 抗拉强度 HB
本发明 0.02 1320 440
对比例 0.08 1210 410
结合上表可以看出，本发明采用的耐磨材料，其性能指标优异。尤其是其摩擦系数大大的低于市面上常规的合金材料，也低于对比例中的合金材料，因此，其耐摩擦性能优异，同时其具有极高的抗拉强度和硬度，不易发生变形。从而使得本发明工作的稳定性极大的提升。

Claims (10)

1.高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器，其特征在于：包括呈轴承状的安装环(1)和设置在安装环(1)上的传感器主体，所述安装环(1)套设在储氢燃料罐(2)外；还包括驱动机构，所述驱动机构包括轴向驱动组件和旋转驱动组件，安装环(1)在轴向驱动组件的驱动下整体可沿储氢燃料罐(2)的轴向往复移动，安装环(1)的内圈(22)在旋转驱动组件的驱动下可绕储氢燃料罐(2)周面旋转；所述传感器主体固定设置在安装环(1)内圈(22)朝内的表面上。
2.根据权利要求1所述的高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器，其特征在于：所述轴向驱动组件包括沿储氢燃料罐(2)轴向延伸的丝杆(3)和导向杆(4)；所述安装环(1)的外部设置与丝杆(3)相垂直的连接板(5)，所述连接板(5)与安装环(1)的外圈(21)固接，所述连接板(5)上设置与丝杆(3)相配合的螺纹通孔和与导向杆(4)相配合的导向通孔，所述丝杆(3)穿设在螺纹通孔内，所述导向杆(4)穿设在导向通孔内；所述丝杆(3)由步进电机(6)驱动。
3.根据权利要求2所述的高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器，其特征在于：所述旋转驱动组件包括传动轴，所述传动轴包括內轴(7)和管状的外轴(8)，所述內轴(7)的一端伸入外轴(8)内，另一端与设置在连接板(5)一板面上的旋转接头(9)连接；內轴(7)的表面上设置沿內轴(7)长度方向延伸的外花键，所述外轴(8)的内表面设置与外花键相啮合的内花键；所述传动轴上还设置有第一齿轮(81)和第二齿轮(71)，所述第一齿轮(81)位于外轴(8)远离內轴(7)的一端，所述第二齿轮(71)位于內轴(7)远离外轴(8)的一端；所述第一齿轮(81)与设置在丝杆(3)上的第三齿轮(31)相啮合；所述安装环(1)的内圈(22)朝第三齿轮(31)所在的一侧延伸构成延伸部，所述延伸部的周面上设置与第二齿轮(71)相啮合的齿环(72)；还包括外管固定轴承(15)，所述固定轴承(15)套设在外轴(8)的中部，固定轴承(15)两侧的外轴(8)上分别设置抵挡环(16)。
4.根据权利要求3所述的高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器，其特征在于：所述连接板(5)的数量为两个，且两连接板(5)以安装环(1)的中心对称分布，两连接板(5)中的一个设置螺纹通孔，另一个设置导向通孔。
5.根据权利要求4所述的高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器，其特征在于：所述第一齿轮(81)和第三齿轮(31)之间还设置有变速齿轮组。
6.根据权利要求5所述的高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器，其特征在于：所述内花键沿外轴(8)的长度贯通设置。
7.根据权利要求5所述的高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器，其特征在于：所述内花键位于外轴(8)靠近內轴(7)的一端。
8.根据权利要求7所述的高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器，其特征在于：所述內轴(7)靠近外轴(8)一端的端部设置防脱落挡头。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器，其特征在于：所述传感器主体包括一个激光光源(17)和一个CCD传感器(18)，所述激光光源(17)和CCD传感器(18)对称布置在安装环(1)内圈(22)朝内的表面上；所述CCD传感器(18)的信号输出线路上沿信号传输方向依次设置有前置放大器、滤波器、自动增益控制、A/D转换器和DSP图像处理；所述DSP图像处理器与控制系统连接。
10.根据权利要求3-8中任意一项所述的高压储氢燃料罐外表面质量实时检测传感器，其特征在于：所述內轴(7)和外轴(8)均由耐磨材料制成，所述耐磨材料由如下重量份的原材料构成：碳7％，硅3％，锆6％，镁4％，钒1.5％，锰2％，镍1％，铯2％，稀土元素3％，余量为铁及熔炼工艺中产生的不可避免的杂质；所述稀土元素为配比为3:1:1的镧、铈和钬。
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