SAE J3089-2018
Caracterización de sensores de hidrógeno vehiculares a bordo
- Estándar No.
- SAE J3089-2018
- Fecha de publicación
- 2018
- Organización
- SAE - SAE International
- Ultima versión
- SAE J3089-2018
- Alcance
- Este Informe de información técnica (TIR) de SAE proporciona métodos de prueba para evaluar sensores de hidrógeno cuando el integrador del sistema de hidrógeno y/o el fabricante del vehículo eligen utilizar dichos dispositivos a bordo de sus vehículos de hidrógeno, incluidos los vehículos eléctricos de pila de combustible de hidrógeno (FCEV). Las pruebas descritas en 5.1 de este documento se basan en el rendimiento y fueron desarrolladas para evaluar los parámetros metrológicos del sensor de hidrógeno. Estas pruebas fueron diseñadas para adaptarse a una amplia gama de condiciones ambientales y operativas basadas en diferentes situaciones posibles e implementaciones de sensores dentro del vehículo. La Sección 5.2 cubre pruebas suplementarias de seguridad eléctrica y estrés físico. Estos se basan en pruebas estándar desarrolladas para calificar componentes eléctricos y de otro tipo para su uso en vehículos y no pertenecen explícitamente a la evaluación del desempeño metrológico del sensor de gas. Dado que el uso de sensores de hidrógeno a bordo no está estandarizado ni es obligatorio, su implementación puede variar mucho de un vehículo a otro y entre aplicaciones o funciones potenciales. Por ejemplo@ un sensor a bordo podría estar ubicado en un ambiente relativamente seco como en el compartimiento de pasajeros o en un ?? ¿Muy humidificado? ambiental@, como dentro del proceso de escape del sistema de pila de combustible. Como se trata de un documento de orientación y no de una norma, no se identificará ninguna aplicación específica. Además, como documento de orientación, no se definirán especificaciones de rendimiento ni criterios de aprobación/rechazo. Por esta razón, el integrador del sistema de hidrógeno y/o el fabricante del vehículo deben determinar qué pruebas y condiciones de prueba asociadas son relevantes para su(s) aplicación(es). Por lo tanto, es prerrogativa del integrador del sistema de hidrógeno y/o del fabricante del vehículo definir criterios específicos de aceptación de pruebas necesarios para lograr el rendimiento requerido de sus sistemas de protección y control de procesos dentro del vehículo. El fabricante del sensor o el laboratorio de pruebas debe presentar los resultados de cada prueba al integrador del sistema de hidrógeno y/o al fabricante del vehículo, quien luego utilizará los resultados para determinar la idoneidad de una tecnología de sensor para su aplicación. Antecedentes Los métodos de prueba proporcionados en este TIR se derivaron de métodos desarrollados originalmente por investigadores del Laboratorio de pruebas de sensores de seguridad de hidrógeno del NREL [5]. Muchos son análogos a los procedimientos de prueba presentados en ISO 26142 [6]. Como parte del desarrollo de este TIR@, los métodos de prueba NREL originales se modificaron para que sean más compatibles con las condiciones ambientales y operativas de los vehículos a bordo y, en consecuencia, sean consistentes con los estándares de componentes SAE. Los protocolos de prueba de sensores en 5.1 se adaptaron para permitir procedimientos de prueba que se puedan realizar dentro de un período de tiempo más práctico que el proporcionado por los métodos especificados en ISO 26142 o los protocolos de prueba de sensores estándar NREL manteniendo al mismo tiempo una calidad de datos rigurosa. En los Apéndices B y C se presenta orientación práctica sobre la implementación de los procedimientos de prueba. Unidades de concentración de hidrógeno La cantidad de un constituyente menor (MC) en una matriz de fondo (por ejemplo, hidrógeno en el aire, monóxido de carbono en hidrógeno, sal disuelta en agua). se puede expresar de diferentes maneras. En los líquidos, el componente menor se llama soluto, mientras que la matriz de fondo es el disolvente. Las soluciones líquidas (solvente + soluto) a menudo se definen en unidades de concentración (p. ej., gsoluto/Lsolución o molessoluto/Lsolución@, que es la definición de molaridad)@ o como una fracción de masa o relación de masa (p.ej., gsoluto/[gsolvente + gsoluto] ). Las proporciones no tienen unidades. Además, dependiendo de la cantidad de soluto, las proporciones a menudo se presentan como partes por millón (ppm) @ que se genera multiplicando la fracción de masa por 106 (sea 1 ppm) o porcentaje que se genera multiplicando la fracción de masa por 100 (por ejemplo, @ una fracción de masa de 0,04 sería 4%). Los símbolos ppmwt y % en peso se utilizan a veces para indicar que la cantidad expresada se basa en una fracción de masa. Alternativamente, en mezclas de gases, la cantidad de un componente menor (MC) se presenta comúnmente como una relación en volumen VMC/(VMATRIX + VMC) que, según la ley de los gases ideales, es equivalente a la relación molar (molesMC/[molesMATRIX + molesMC). ]). Las proporciones de volumen también suelen representarse como porcentaje o partes por millón (ppm). Para diferenciar entre proporciones basadas en relaciones masa@volumen, a veces se indicará como vol% o ppmv 1. Una definición equivalente de ppmv es ?? ole/topo. La cantidad de un gas inflamable también se indica mediante la fracción del límite inferior de inflamabilidad (LFL), que es la concentración más baja que una mezcla inflamable de gas o vapor en el aire puede encenderse. Por ejemplo, el LFL del hidrógeno es 4% en volumen; por lo tanto @ 2 vol% H2 puede indicarse como 50% LFL. Esto es útil porque el LFL varía entre diferentes gases, pero las regulaciones a menudo vienen dictadas por la concentración de un gas específico en relación con su LFL. La Tabla 1 indica la unidad preferida para expresar concentraciones de hidrógeno como se especifica en una variedad de fuentes. El término unidad de explosión inferior (LEL) se utiliza a menudo como sinónimo de LFL@, aunque esto no es correcto@ ya que existen distinciones entre inflamabilidad y explosión y, por lo tanto, el LEL y LFL correspondientes para un gas específico [7] [8]. En este documento, a menos que se indique lo contrario, la cantidad de hidrógeno u otros componentes menores en una mezcla de gases se indicará como % en volumen o ppmv. La matriz de fondo será aire a menos que se indique lo contrario. Además, el laboratorio de pruebas debe informar los resultados de las pruebas del sensor en un formato numérico equivalente al % en volumen de H2. Consulte el Apéndice A para obtener detalles sobre el análisis de datos y la presentación de informes de los resultados de las pruebas. Descripción de un sensor de hidrógeno Existen numerosas definiciones para sensores químicos o físicos. Una definición es la siguiente: Un sensor es un pequeño dispositivo que, como resultado de una interacción o proceso entre un estímulo químico o físico y el dispositivo sensor, transforma información química o física de tipo cuantitativo o cualitativo en una señal analíticamente útil. 9]. Un sensor de hidrógeno es el caso especial en el que el estímulo objetivo es el hidrógeno. Sin embargo, no existe una definición universalmente aceptada de sensor químico y el concepto de lo que constituye un sensor químico varía considerablemente en la literatura. En consecuencia@ se proporcionará alguna aclaración sobre el significado de ?? sensor de hidrogeno?? en lo que respecta al presente TIR y a las necesidades del integrador del sistema de hidrógeno y/o del fabricante del vehículo. La Figura 1 ilustra el diseño funcional de un ?? ¿¿sensor?? tal como se utiliza el término en este TIR. Un sensor consta de varios componentes. El elemento sensor es el componente que realiza la operación de detección básica y proporciona una señal eléctrica mensurable@ que cambia continuamente en correlación con la presencia o magnitud del estímulo@ tal como la cantidad de hidrógeno. El elemento sensor puede incluir un receptor y uno o más elementos transductores. El receptor es el lugar de interacción con el estímulo. Para los elementos sensores químicos, el receptor es el sitio de la interacción química, que luego el transductor convierte en una cantidad analítica que generalmente es de naturaleza eléctrica. Así, dos funciones distintas están asociadas con el elemento sensor; es el sitio para la interacción del estímulo en el receptor y la generación de una señal eléctrica por parte del transductor (eléctrico). El transductor y el receptor pueden ser el mismo componente físico dentro del elemento sensor. Para la detección de hidrógeno se encuentran disponibles comercialmente elementos sensores basados en diferentes mecanismos de transducción. ¿Aunque relacionado con la magnitud del estímulo @ el elemento sensor? La señal eléctrica de un dispositivo suele ser de una magnitud arbitraria con una impedancia de salida baja para que se corrompa fácilmente. Por lo tanto, normalmente se requieren circuitos adicionales para producir una señal eléctrica utilizable. Como se ilustra en la Figura 1@, un sensor es la integración del elemento sensor y un circuito de control apropiado para transducir una respuesta eléctrica bruta en una señal útil mediante amortiguación electrónica@ amplificación@ o transducción en respuestas eléctricas más convenientemente medibles (por ejemplo, una corriente a -transducción de voltaje). Este circuito suplementario también puede controlar el funcionamiento del sensor, como por ejemplo para mantener la temperatura de funcionamiento de los sensores calentados o el potencial de funcionamiento de los sensores electroquímicos. Se pueden incorporar a un sensor múltiples elementos sensores que responden a diferentes estímulos objetivo. Por ejemplo, puede haber elementos sensores que se pueden usar para medir de forma independiente parámetros ambientales tales como la temperatura (T)@, la presión (P)@ y la humedad relativa (RH) dentro de un sensor químico. Aunque algunas normas internacionales (por ejemplo @ISO 26142 [6]) distinguen explícitamente entre el elemento sensor y el sensor@ el término ?? elemento sensor?? no se utiliza comúnmente en la literatura científica@ de ingeniería@ y comercial. En cambio, el término sensor se utiliza a menudo para referirse a un elemento sensor o a un sensor o incluso a un aparato de detección (como se definió anteriormente). Los elementos sensores y sensores ilustrados en la Figura 1 están disponibles comercialmente para la detección y cuantificación de hidrógeno. Sin embargo, el uso de elementos sensores requerirá que el usuario final desarrolle circuitos eléctricos para obtener una señal útil, mientras que un sensor solo necesitará energía eléctrica. La Tabla 2 enumera los principales tipos de elementos sensores que comúnmente están disponibles para la detección de hidrógeno junto con una breve descripción del mecanismo de transducción y la naturaleza de la señal eléctrica. A veces el término ?? ¿Plataforma de sensores? se utiliza para indicar el tipo de elemento sensor. Se pueden encontrar más detalles sobre las diferentes plataformas de sensores desarrolladas para la detección de hidrógeno en H?? Bert et al [10]. La salida eléctrica de un sensor puede integrarse en un aparato detector. Otros términos utilizados para el aparato de detección son ?? ¿¿instrumento?? o ?? sistema de instrumentos@?? ?? unidad de control@?? y ?? analizador.?? El aparato detector también puede ser la integración del sensor con un microprocesador incorporado. Un aparato de detección utiliza la respuesta del sensor para realizar funciones tales como advertencia y activación de alarma @ implementar medidas correctivas como aumento de ventilación @ cierre o aislamiento del suministro de combustible o incluso apagado del sistema @ y visualización de las condiciones predominantes como la concentración de hidrógeno en el entorno ambiente. Sin embargo@ no existe una definición formal de lo que distingue a un elemento sensor@ sensor@ o sistema de control entre sí. ¿La definición funcional de ?? sensor de hidrogeno?? dentro del contexto de este documento habrá un dispositivo que emite una señal que está directamente relacionada con la cantidad de hidrógeno en un gas de prueba o se transforma fácilmente en la cantidad de hidrógeno mediante el uso de una expresión de calibración. Salida del sensor en respuesta al hidrógeno La respuesta de un sensor de hidrógeno suele ser un cambio en la señal eléctrica (corriente@voltaje@ o cambio de frecuencia) en respuesta a un cambio en la concentración de hidrógeno en el entorno que rodea al sensor. La señal eléctrica de un sensor de hidrógeno se puede expresar en diversos formatos. Muchos sensores tienen una salida analógica precalibrada para hidrógeno. Los tipos comunes de salidas analógicas calibradas son de 4 a 20 mA@ o de 0 a 5 V, que se supone que son lineales en un rango específico (por ejemplo, de 0 a 2 vol% H2@ o de 0 a 4 vol% H2). La Figura 2(A) ilustra la respuesta a 1 vol% H2 para un sensor con una salida de 4 a 20 mA con un rango de medición de 0 a 4 vol% H2@ mientras que la Figura 2(B) muestra la conversión de la salida del sensor a vol % H2 usando la transformación lineal derivada de esta relación. También hay sensores de hidrógeno cuya señal de salida está en unidades de vol% u otras unidades de concentración comunes (por ejemplo, @ ppmv o % LFL). Normalmente@ estos serán sensores con una salida digital@ como CAN (Controller Area Network). Por lo general, el usuario final no puede recalibrar dichos sensores, pero debe confirmar la precisión del sensor, por ejemplo realizando la prueba del rango de medición descrita en 5.1.2. La señal de un sensor depende de la magnitud y el perfil temporal del estímulo. Un método estándar para evaluar el rendimiento de un sensor de hidrógeno es medir la señal del sensor en respuesta a lo que a menudo se representa como un cambio radical en la concentración de hidrógeno. Normalmente@ esto se realiza con otros parámetros (por ejemplo, @ T@ P@ y RH) definidos. En este perfil de exposición idealizado, el estímulo de entrada normalizado (por ejemplo, hidrógeno) viene dado por: [H2] = 0 para t < t H2-ON [H2] = 1 para t > t H2-ON yt < tH2-OFF [H2] = 0 para t > t H2-OFF En las expresiones anteriores @ t se refiere al tiempo de prueba @ comenzando en el tiempo cero @ mientras que t H2-ON es el momento en el que se aplica o inyecta el gas de prueba en el dispositivo de prueba y t H2-OFF es el tiempo en el que se retira la prueba del dispositivo de prueba. Este protocolo de prueba se ilustra en la Figura 2. El perfil de respuesta del sensor consta de varias regiones observadas empíricamente [10] asociadas con la exposición al hidrógeno. Hay un tiempo muerto (tdead)@ que está asociado con el tiempo requerido para que el hidrógeno alcance el elemento sensor luego del establecimiento del punto de referencia de concentración de hidrógeno en el aparato de prueba y está controlado por el diseño neumático del dispositivo de prueba. El tiempo muerto no contribuye al tiempo de respuesta fundamental del sensor. Sin embargo, en un aparato de prueba diseñado adecuadamente, las muertes pueden ser insignificantes. También existe el tiempo de retardo (tdelay), que es el tiempo que sigue a la exposición real del gas de prueba al sensor y a la observación de la respuesta del sensor. Después del tiempo de retraso@ la señal aumenta en respuesta al hidrógeno (el tiempo de ajuste@ ta) y luego se nivela hasta una respuesta invariante en el tiempo. Como se ilustra en la Figura 2@, la respuesta de un sensor con buen comportamiento alcanzará o se aproximará a una salida invariante en el tiempo (estado estable) para una concentración fija de hidrógeno@ cuya magnitud se ha denominado ?? indicación final?? (FI) del sensor. El FI es la respuesta analítica del sensor que más a menudo se correlaciona con la concentración de hidrógeno. El ruido y la deriva de la señal están asociados con cada respuesta real del sensor. Por lo tanto, deben definirse criterios para verificar que una señal de sensor ha alcanzado un estado invariante en el tiempo apropiado. Por lo general, se basa en la definición de un cambio aceptable en la respuesta del sensor durante un período prescrito. Para aquellas aplicaciones donde el nivel de hidrógeno es normalmente cero, la respuesta invariante en el tiempo se puede definir como cuando la respuesta del sensor a una concentración de hidrógeno constante no cambia más del 5% de la lectura en un minuto, lo cual es consistente con la definición proporcionada en los estándares internacionales. (por ejemplo, @ ISO 26142 [6]); El integrador del sistema de hidrógeno y/o el fabricante del vehículo podrán imponer un requisito más estricto para determinadas aplicaciones en las que sea necesaria la precisión en tiempo real. La imposición de un cambio en la composición del gas de prueba a menudo se representa como un cambio gradual@ como se describió anteriormente y se ilustra en la Figura 2 (las líneas discontinuas). Un cambio tan ideal en la composición del gas de prueba no es posible, aunque puede aproximarse con algunos diseños de aparatos de prueba (por ejemplo, un aparato de flujo continuo como el descrito en el Apéndice C). Sin embargo, no se requiere un cambio instantáneo en la composición del gas de prueba para evaluar el rendimiento del sensor según los protocolos presentados en 5.1. Siempre habrá un desfase entre el establecimiento de los parámetros de control del aparato hasta un nuevo punto de ajuste del gas de prueba y el suministro real de la composición deseada al sensor. Este efecto se ilustra en la Figura 3. El tiempo de retraso variará según el diseño del aparato. En 5.1@, los protocolos de prueba se presentan como una serie de pasos discretos en los que se definen las condiciones de prueba (por ejemplo, composición del gas de prueba, temperatura, humedad, presión, orientación u otros parámetros). Los cambios de paso en las figuras del protocolo en 5.1 no pretenden implicar un ajuste instantáneo de la composición del gas de prueba en el sensor@ sino más bien definir el ajuste a un nuevo punto de ajuste de la composición del gas@ y@ aunque no se indica explícitamente en las figuras del protocolo. @ Habrá un tiempo de estabilización para que la composición del gas de prueba en el sensor alcance el nuevo punto de ajuste. El tiempo de estabilización para alcanzar el punto de ajuste de la composición del gas en el sensor no está definido explícitamente en el protocolo porque variará según el diseño del aparato y los parámetros operativos. No es necesario definir explícitamente este tiempo de estabilización. Más bien, los protocolos requieren que cada paso sea lo suficientemente largo para permitir que el sensor de prueba alcance una indicación final estable, lo que sólo puede ocurrir cuando el gas de prueba expuesto al sensor tiene una composición invariable. Sin embargo, se puede aproximar un cambio radical en la composición del gas si el sistema neumático del aparato de prueba se puede purgar rápidamente. Esto se puede lograr con un aparato de flujo continuo (ver C.2.2) @ siempre que el aparato esté diseñado con válvulas rápidas o controladores de flujo másico para ajustar rápidamente la composición del gas de prueba entrante al punto de ajuste deseado y un pequeño volumen de gas interno @ junto con un alto caudal de gas para minimizar el tiempo de purga del sistema neumático. Sólo la determinación del tiempo de respuesta requiere que la composición del gas de prueba se cambie rápidamente (véanse 5.1.1 y 5.1.10). El tiempo de respuesta real aparente (observado) del sensor será una convolución de la cinética de respuesta fundamental del sensor y el tiempo de purga del gas que está expuesto al sensor. Se puede lograr una buena aproximación del tiempo de respuesta fundamental del sensor en un sistema de flujo continuo con un tiempo de purga rápido. Alternativamente, en un aparato de prueba de cámara, la cinética de la respuesta del sensor estará a menudo dominada por el tiempo de purga de gas de la cámara. Como resultado@ los métodos de cámara no deben usarse para determinar el tiempo de respuesta del sensor, pero son muy útiles para medir la dependencia y estabilidad de la concentración del sensor@ así como para cuantificar el impacto de los parámetros ambientales (p. ej. @ T@ P@ RH@ y orientación) sobre el rendimiento del sensor. La salida de la mayoría de los sensores de hidrógeno es una señal eléctrica que cambia continuamente en el rango de medición del sensor en respuesta a cambios en la magnitud del hidrógeno. En otras palabras, el FI del sensor es función de la concentración de hidrógeno. Con una electrónica adecuada y con calibración @ la señal eléctrica se puede utilizar para determinar la concentración de hidrógeno; La calibración normalmente la realiza el fabricante. Los protocolos de prueba para la evaluación del desempeño de sensores con una señal eléctrica que varía con la concentración de hidrógeno se presentan en 5.1. Alternativamente, la respuesta de algunos sensores sólo puede proporcionar información relativa a si el hidrógeno está presente por encima de algún valor umbral. El valor umbral normalmente lo establece el fabricante. Este tipo de sensor se denominará ?? ¿¿indicador?? o ?? sensor indicador.?? La respuesta de un sensor indicador puede ser visual (por ejemplo, un indicador colorimétrico) o eléctrica. Los sensores indicadores normalmente tienen solo dos estados de salida: correspondiente a bajo cuando el nivel de hidrógeno está por debajo de un valor umbral y alto cuando el nivel de hidrógeno está por encima de un valor umbral. Si bien los indicadores colorimétricos están disponibles comercialmente para el hidrógeno, los sensores indicadores electrónicos confiables actualmente no son muy comunes. Los sensores indicadores requieren protocolos de prueba diferentes para su evaluación que los sensores con una salida que varía continuamente; El TIR se actualizará en caso de que los sensores indicadores comerciales estén comúnmente disponibles. Propósito El propósito de este documento es alinear la terminología@ para definir un conjunto común de pruebas que pueden usarse para evaluar sensores de hidrógeno@ y fomentar el desarrollo de sensores adecuados para aplicaciones vehiculares a bordo. Campo de aplicación Este documento es aplicable a sensores para la detección de hidrógeno en vehículos eléctricos de pila de combustible propulsados por hidrógeno o vehículos propulsados por motores de combustión interna (ICE) de hidrógeno. 1 Las proporciones de masa no se convierten directamente en proporciones de volumen. Por ejemplo, si el soluto en 1 litro de una solución de 1 ppm en peso de hidrógeno disuelto se volatilizara en 1 litro de aire, la composición de hidrógeno a temperatura ambiente sería de aproximadamente 12 000 ppm en volumen.
SAE J3089-2018 Historia
- 2018 SAE J3089-2018 Caracterización de sensores de hidrógeno vehiculares a bordo
