LabVIEW軟件在多通道金屬氫化物儲氫罐活化裝置中的應用

張明軒，陳東雷，程宏輝，劉晶晶，徐林華，惠志文

（1.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127；2.揚州大學 電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引 言

氫能是21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，越來越受到人們的關注[1-2]。在整個氫能體系中，儲運是當下制約氫能發(fā)展的主要環(huán)節(jié)。金屬氫化物儲氫具有安全性高，體積儲氫密度大等優(yōu)點，已成為一種重要的儲氫方式[3]。在金屬容器中填裝儲氫材料的儲氫罐，是目前正在發(fā)展的新型固態(tài)儲氫技術[4-5]。然而，儲氫合金起初既不能吸氫，也不能放氫，通常需要與高溫高壓下的氫氣氛接觸，高壓吸氫，恒定一段時間，再進行減壓脫氫，這樣反復進行多次，才能獲得穩(wěn)定的吸放氫性能，這個過程稱為活化處理[6]。安泰創(chuàng)明新能源材料（常州）研究院有限公司正在建設一條金屬氫化物儲氫罐生產線，其中，重要環(huán)節(jié)是對儲氫罐進行批量活化處理。

LabVIEW是由美國NI公司開發(fā)的一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言，為實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了便捷途徑[7-8]。使用該語言進行開發(fā)、調試并最終實現(xiàn)儀器系統(tǒng)，可顯著縮短開發(fā)周期，提高工作效率。

現(xiàn)有金屬氫化物儲氫罐活化設備存在操作性能差、效率低、能耗大等缺點。本文根據(jù)用戶實際生產需求，研制基于LabVIEW的多通道金屬氫化物儲氫罐活化裝置，可實現(xiàn)對20個金屬氫化物儲氫罐同時進行熱耦合循環(huán)活化，放氫容量性能檢測，氮氣封裝以及程序的自啟動等功能。

1 活化裝置的硬件結構設計

金屬氫化物儲氫罐活化裝置硬件結構由氣路系統(tǒng)，恒溫系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成（見圖1）。整套氣路采用不銹鋼氬弧焊完成焊接加工，呈現(xiàn)兩列對稱結構，最高可承受20 MPa的壓力，并采用雙關斷快速接頭與金屬氫化物儲氫罐相連接。通過氣動隔膜閥的開關控制氣體流向，并利用壓力傳感器和指針式壓力表同時監(jiān)測系統(tǒng)壓力。金屬氫化物儲氫罐活化裝置配有可制冷的高低溫水浴槽，溫控范圍在10～90℃，可滿足常規(guī)稀土金屬氫化物儲氫罐循環(huán)活化的恒溫需求?？刂葡到y(tǒng)的硬件主要包括計算機、USB-6003數(shù)據(jù)采集卡、傳感器、質量流量控制器、電磁閥組以及氣動隔膜閥等。傳感器輸出信號經變送器送入USB-6003數(shù)據(jù)采集卡AI端，由LabVIEW軟件將溫度、壓力數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在程序的前面板上。氣動隔膜閥的開關則是由計算機發(fā)出指令，經數(shù)據(jù)采集卡，通過電磁閥驅動板控制電磁閥組的狀態(tài)，從而驅動氣動隔膜閥。質量流量控制器所測流量信號，經數(shù)據(jù)采集卡AI端進行模/數(shù)轉換[9]，然后送至上位機處理。同時數(shù)據(jù)采集卡DO端還可以對質量流量控制器信號的輸入端進行設定，從而調節(jié)其內部電磁閥開口大小，以控制氫氣流量。

圖1 多通道金屬氫化物儲氫罐活化裝置結構示意圖

2 測試系統(tǒng)軟件的編寫

在利用LabVIEW軟件編程之前，對多通道金屬氫化物儲氫罐循環(huán)活化的過程進行系統(tǒng)的分析，設計出如下流程（見圖2）。

圖2 循環(huán)活化流程圖

首先設定循環(huán)次數(shù)，充氫時間，抽真空時間和恒溫溫度。當水浴溫度達到恒溫溫度時，先打開V2，使壓力傳感器14實時監(jiān)測儲氫罐內壓力。接著打開V6和V7，對兩列金屬氫化物儲氫罐進行抽真空，去除儲氫罐內雜質氣體，避免對儲氫材料造成毒化[10]。該過程由設定的抽真空時間控制。抽真空完成后，進入充氫步驟，兩列金屬氫化物儲氫罐按先后順序進行充氫。首先打開V4，對第一列儲氫罐進行充氫，利用設定的時間控制充氫過程，使金屬氫化物儲氫罐吸氫飽和。接著關閉V4，打開V5和V9，對第二列金屬氫化物儲氫罐充氫，同時第一列儲氫罐對外高壓放氫。

由于金屬氫化物儲氫罐吸氫時會放出大量的熱，而放氫時則要吸收大量的熱[11]。在活化過程中，吸放熱量大小基本相等，即形成熱耦合，從而顯著降低高低溫水浴槽能耗。當?shù)谝涣袃涔迚毫抵?.12 MPa時，關閉V5，打開V6，對該列金屬氫化物儲氫罐低壓脫氫。采用分壓式脫氫，即通過高壓放氫、低壓抽真空的方式，可快速完成金屬氫化物儲氫罐脫氫，同時避免了連續(xù)過快的高壓氣流直接進入真空泵，造成泵的損傷。接著，對第一列金屬氫化物儲氫罐進行充氫，同時對第二列儲氫罐進行放氫。最后，判斷循環(huán)活化次數(shù)是否滿足設定次數(shù)。當達到設定次數(shù)，活化結束，否則，兩列金屬氫化物儲氫罐繼續(xù)進行循環(huán)吸放氫。

圖3為該循環(huán)活化測試的程序框圖，是整個測控程序的核心部分，分為四個模塊[12]：

圖3 循環(huán)活化測試程序框圖

1）初始化模塊。該模塊對數(shù)據(jù)對象或局部變量賦予初始值，設定軟件系統(tǒng)的初始化狀態(tài)。

2）數(shù)據(jù)采集與存儲模塊。主要實現(xiàn)對傳感器和質量流量控制器所測信號的采集、壓縮，并將原始數(shù)據(jù)與結果存儲在txt文件中。

3）閥控模塊。該模塊決定了整個循環(huán)活化的順序流程。該模塊主要以“For循環(huán)+條件結構+移位寄存器”構成，依據(jù)實時的壓力與時間數(shù)據(jù)，對閥門的開關狀態(tài)進行控制。創(chuàng)建枚舉常量，設置“充氫”“高壓放氫”“低壓抽真空”三種狀態(tài)，并利用移位寄存器，完成各個狀態(tài)間的切換。

LabVIEW具有數(shù)據(jù)流驅動的特點，可自動進行多線程操作，實現(xiàn)兩路循環(huán)同時進行。

4）顯示模塊。該模塊將采集返回的數(shù)據(jù)以字符串和波形圖的方式在前面板中顯示。

金屬氫化物儲氫罐循環(huán)活化需要在高溫下進行，而高低溫水浴槽升溫過程需要很長時間，因此設計了循環(huán)活化的自啟動功能，即通過監(jiān)測高低溫水浴槽內溫度，并在波形圖表中實時顯示溫度-時間圖像，利用“數(shù)組最大值與最小值”函數(shù)，求出圖表區(qū)域內的波峰值和波谷值，并實時與設定溫度值相比較。當溫差小于0.2℃，并維持10 min，則系統(tǒng)判定高低溫水浴槽內溫度已恒定，開始循環(huán)活化測試，避免了操作者在循環(huán)活化測試前反復查看高低溫水浴槽溫度，實現(xiàn)循環(huán)活化測試從啟動、運行到結束的全流程無人值守，顯著提高了金屬氫化物儲氫罐循環(huán)活化的生產效率。

對已完成活化處理的金屬氫化物儲氫罐，需要檢測其放氫性能。同一批次儲氫罐的放氫性能基本一致，因此，采用隨機抽檢其中一個儲氫罐的方式，既可實現(xiàn)儲氫罐的質量控制，又可降低檢測強度。放氫測試程序主要模塊如圖4所示。該測試程序對壓力和流量數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，利用質量流量控制器對單個金屬氫化物儲氫罐進行放氫性能測試，實時記錄金屬氫化物儲氫罐壓力、溫度和放氫流量的變化。放氫測試階段，首先將質量流量控制器的閥控開關置到“關閉”位，利用此方法可有效避免在放氫測試初始階段，由于質量流量控制器內部電磁調節(jié)閥未完全關閉，而導致的流量過沖現(xiàn)象。接著打開V1，待質量流量控制器預熱至零點穩(wěn)定后，再將開關切換至“閥控”位，最后設定放氫流量，控制質量流量控制器開始工作，利用“時域數(shù)學Express VI”函數(shù)，對瞬時流量數(shù)據(jù)進行連續(xù)積分運算，獲得累積放氫流量，其計算公式為：

圖4 放氫測試程序框圖

式中：1.01表示氫氣的轉換系數(shù)；qm表示質量流量控制器測試獲得的瞬時放氫流量。當瞬時放氫流量降至0.4 SLM（2%FS），程序判定金屬氫化物儲氫罐放氫完畢，并將質量流量控制器內部電磁調節(jié)閥調至關閉狀態(tài)，放氫測試結束。操作者在使用過程中，只需設定放氫流量，其余工作均由程序自動完成。

將循環(huán)活化程序和放氫測試程序集成在一個主程序上，并通過動態(tài)調用VI的方式實現(xiàn)多程序界面的切換功能。以調用循環(huán)活化程序為例（見圖5）。該部分首先在while循環(huán)里創(chuàng)建事件結構，接著通過“標簽文本”屬性節(jié)點和“連接字符串”，形成文本字符串常量“..循環(huán)活化.vi”，以它作為“創(chuàng)建路徑”函數(shù)的相對路徑。接著，獲取循環(huán)活化程序的引用，判斷“循環(huán)活化.vi”的狀態(tài)，如果位于內存中但沒有運行（Idle），則采用“Run VI”調用節(jié)點運行處于內存中的循環(huán)活化程序，并把程序的前面板在子面板中顯示出來。

圖5 界面調用程序框圖

3 測試結果分析

為了驗證金屬氫化物儲氫罐活化裝置的性能以及測試程序的使用效果，對20個金屬氫化物儲氫罐進行活化處理?；罨瘲l件：水浴溫度80℃，吸氫時間3 600 s，抽真空時間3 600 s，循環(huán)5次。儲氫合金為La0.75Mg0.25Ni3.05Co0.2Al0.05Mo0.2，所測兩列金屬氫化物儲氫罐壓力-時間曲線如圖6所示。

圖6 循環(huán)活化測試曲線圖

對單個金屬氫化物儲氫罐進行放氫容量測試，獲得瞬時流量和累積流量隨時間的曲線如圖7所示。可得，經過104.7 min，累積放氫流量為247.44 SL。通過對文獻[13]中的相關曲線分析，可以得出在同等條件下，與完全活化的儲氫合金累積放氫量基本一致。因此，研制的活化裝置性能良好，可完成多通道金屬氫化物儲氫罐批量活化處理。

圖7 放氫流量測試結果

4 結 論

本文利用LabVIEW軟件編寫循環(huán)活化測試程序和放氫測試程序，可實現(xiàn)20通道金屬氫化物儲氫罐循環(huán)活化及其放氫性能檢測，滿足企業(yè)對金屬氫化物儲氫罐的實際生產需求。實驗結果表明，所編測試程序，工作性能穩(wěn)定，操作簡單，具有多程序界面切換功能，采用“一列充氫，一列放氫”的循環(huán)活化方式，實現(xiàn)熱耦合，顯著降低能耗，自動化程度高；同時，采用同批次抽檢機制，降低了檢測評價的工作量，顯著提高金屬氫化物儲氫罐的活化生產效率。