基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统的制作方法

本发明属于泄露检测，具体涉及基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统。

背景技术：

1、在氢气阀门综合测试中，检测阀门泄漏与调控氢气流量是一项关键任务。在诸多工业应用场景中，如氢气输送、燃料电池系统、化工流程等，氢气阀门的密封性和流量控制直接关系到系统的安全性和运行效率。因此，对氢气阀门的泄漏检测和流量控制进行精确管理，确保阀门的密封性能和流量可调性，具有极高的实际价值。然而，现有技术中仍然存在着许多挑战，使得氢气阀门的综合测试变得困难且不够精确。本文将详细阐述现有技术并指出其不足。

2、在现有技术中，针对阀门泄漏检测的传统方法通常基于压力衰减检测、皂液检测以及直接质量流量计检测等方式。这些方法依赖于通过测量阀门两侧的压力变化、利用皂液观察泄漏或使用流量计监测气体流动来判断阀门是否存在泄漏。然而，这些传统检测方法往往存在一定局限性。例如，压力衰减检测方法需要长时间的等待才能观测到阀门两侧压力的变化，且其检测灵敏度较低，难以精确地识别微小泄漏；皂液检测需要人工操作，不仅效率低，而且检测的准确性和稳定性依赖于操作人员的经验；而质量流量计检测虽然可以直接测量流量变化，但流量计的精度和响应时间在高真空环境中可能受到限制，且对氢气这种分子量小、渗透性强的气体，其检测灵敏度往往不高。因此，这些传统检测手段在高精度、快速检测氢气阀门泄漏方面的应用受到了限制。为了解决上述检测灵敏度和效率问题，氦质谱检漏仪成为了泄漏检测的一个重要工具。由于氦气分子体积小、扩散速度快、化学性质惰性且在空气中含量低，因此其作为示踪气体用于泄漏检测具有极高的灵敏度和精确度。氦质谱检漏仪能够检测微量氦气泄漏，并通过分析氦气通量推断出氢气阀门的泄漏情况。然而，在氦质谱检漏仪的应用中，仍然存在一些技术问题需要解决。首先，氦气的流动特性复杂，且容易受到温度、真空度以及阀门结构特性的影响，这使得氦气泄漏通量难以直接转换为氢气泄漏通量，从而导致泄漏检测精度受限。其次，氦质谱检漏仪所检测到的泄漏通量需要与系统的压力、流量状态相结合，才能准确判断泄漏位置和泄漏程度，这对系统的动态分析能力提出了更高要求。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统，实现了对氢气阀门泄漏和流量的精确检测和控制。该发明提高了检测的灵敏度和精度，确保了流量的跟踪，同时有效降低了泄漏通量的累积影响，为氢气阀门性能评估和流量调节提供了一种高效、稳定、可靠的技术解决方案。

2、为了解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：

3、基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统，所述系统包括：建模部分、分析处理部分、实时控制部分和预测控制部分；所述建模部分，用于根据测试环境的初始参数建立真空舱内的气体状态方程和真空舱的热力平衡方程；所述分析处理部分，用于考虑温度变化对真空度的影响，使用流体动力学方程描述抽真空过程中的压力变化，结合氦质谱检漏仪检测到的氦气通量计算泄漏通量；所述实时控制部分，用于根据泄漏通量和系统温度，调节氢气阀门开度，调整氢气流量；所述预测控制部分，用于对系统温度、压力和氢气流量进行卡尔曼滤波，根据卡尔曼滤波后的结果，得到预测氢气泄漏率，基于预测氢气泄漏率，建立优化问题，优化问题的目标是最小化流量偏差，求解优化问题得到优化结果，基于优化结果，设计反馈控制器调节氢气阀门开度，以确保设定氢气流量的跟踪。

4、进一步的，所述测试环境的初始参数包括：真空舱的热容、真空舱内气体分子数密度、初始压力、真空舱体积、真空舱温度、外界热输入值、系统固有泄漏通量和散热系数。

5、进一步的，所述建模部分，建立的真空舱内的气体状态方程的公式如下：

6、；

7、其中，为时刻的真空舱内气体分子数密度；为初始压力；为真空舱体积；为玻尔兹曼常数；为时刻的真空舱温度；为系统固有泄漏通量；为热膨胀系数。

8、进一步的，所述建模部分，建立的真空舱内的热力平衡方程的公式如下：

9、；

10、其中，为真空舱的热容；为散热系数；为时刻的外界热输入值；为气体的比热容。

11、进一步的，所述分析处理部分，通过如下公式，考虑温度变化对真空度的影响，使用流体动力学方程描述抽真空过程中的压力变化：

12、；

13、其中，为时刻的抽真空过程中的压力；为真空泵的抽气流量；为注入氦气压力；为气体常数；

14、进一步的，所述分析处理部分，通过如下公式，结合氦质谱检漏仪检测到的氦气通量计算泄漏通量：

15、；

16、其中，为泄漏通量；为氦气质谱仪检测的时刻的氦气通量；为泄漏面积。

17、进一步的，所述实时控制部分，根据泄漏通量和系统温度，调节氢气阀门开度，调整氢气流量：

18、；

19、其中，为调整后的氢气流量；为时刻的氢气阀门两侧的压差；为阀门阻尼系数。

20、进一步的，所述预测控制部分，对系统温度、压力和氢气流量进行卡尔曼滤波的过程包括：将系统温度、压力和氢气流量作为向量元素，构建一个状态向量，通过一个卡尔曼滤波器进行滤波，卡尔曼滤波器的状态方程如下：

21、；

22、其中，为滤波后状态向量；为预测状态向量；为卡尔曼增益；为观测矩阵；根据卡尔曼滤波后的结果，通过如下公式，得到预测氢气泄漏率：

23、根据卡尔曼滤波后的流量和压力，预测氢气泄漏率为：

24、；

25、其中，为预测状态向量中的预测氢气流量；为预测状态向量中的压力。

26、进一步的，基于预测氢气泄漏率，建立的优化问题如下所示：

27、；

28、其中，为优化目标函数；为时刻的设定的流量；为时刻的阀门开度；为预先设定的权重参数；为测试总时间。

29、进一步的，基于优化结果，设计反馈控制器调节阀门开度，以确保设定流量的跟踪，控制器模型为：

30、；

31、其中为第一控制器增益；为第二控制器增益；为积分变量。

32、本发明的基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统，具有以下有益效果：

33、本发明通过引入卡尔曼滤波技术，实现了对系统温度、压力和氢气流量等关键变量的高精度实时估计。在检测氢气阀门的泄漏过程中，温度和压力等环境条件的波动会显著影响泄漏通量的精确检测，而卡尔曼滤波器能够利用系统状态模型和观测数据，递归地优化这些变量的估计。在实际检测中，系统通过将温度、压力和流量作为状态向量，利用卡尔曼滤波进行实时处理，有效滤除噪声，提高状态估计的准确性。这种滤波技术能够对系统中不可预测的干扰和动态变化做出自适应调整，从而保证了对氢气泄漏通量和流量状态的精准追踪，为后续优化控制和反馈调节提供了可靠的数据支持。卡尔曼滤波器在处理动态不确定性和噪声干扰方面的优势，使得本发明的检测精度和稳定性得到了大幅提升。

34、本发明的另一个有益效果在于实现了泄漏检测与流量控制的协同优化。氦质谱检漏仪提供了高灵敏度的泄漏检测能力，可以检测微量氦气的泄漏通量。本发明在此基础上，将氦气通量与系统温度、压力和氢气流量等因素结合，通过卡尔曼滤波对其进行修正和估计，预测出实际的氢气泄漏率。然后，通过优化控制将泄漏率引入到目标函数中，结合流量偏差对阀门开度进行综合调节。这样一来，系统不仅能够对泄漏进行准确检测，还能够根据泄漏情况实时调节氢气流量，以实现泄漏最小化和流量跟踪的双重目标。这种协同优化策略使得泄漏检测和流量控制相辅相成，系统能够在复杂动态环境中保持高效稳定的运行。

技术特征：

1.基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统，其特征在于，所述系统包括：建模部分、分析处理部分、实时控制部分和预测控制部分；所述建模部分，用于根据测试环境的初始参数建立真空舱内的气体状态方程和真空舱的热力平衡方程；所述分析处理部分，用于考虑温度变化对真空度的影响，使用流体动力学方程描述抽真空过程中的压力变化，结合氦质谱检漏仪检测到的氦气通量计算泄漏通量；所述实时控制部分，用于根据泄漏通量和系统温度，调节氢气阀门开度，调整氢气流量；所述预测控制部分，用于对系统温度、压力和氢气流量进行卡尔曼滤波，根据卡尔曼滤波后的结果，得到预测氢气泄漏率，基于预测氢气泄漏率，建立优化问题，优化问题的目标是最小化流量偏差，求解优化问题得到优化结果，基于优化结果，设计反馈控制器调节氢气阀门开度，以确保设定氢气流量的跟踪。

2.如权利要求1所述的基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统，其特征在于，所述测试环境的初始参数包括：真空舱的热容、真空舱内气体分子数密度、初始压力、真空舱体积、真空舱温度、外界热输入值、系统固有泄漏通量和散热系数。

3.如权利要求1所述的基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统，其特征在于，所述建模部分，建立的真空舱内的气体状态方程的公式如下：

4.如权利要求3所述的基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统，其特征在于，所述建模部分，建立的真空舱内的热力平衡方程的公式如下：

5.如权利要求4所述的基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统，其特征在于，所述分析处理部分，通过如下公式，考虑温度变化对真空度的影响，使用流体动力学方程描述抽真空过程中的压力变化：

6.如权利要求5所述的基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统，其特征在于，所述分析处理部分，通过如下公式，结合氦质谱检漏仪检测到的氦气通量计算泄漏通量：

7.如权利要求6所述的基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统，其特征在于，所述实时控制部分，根据泄漏通量和系统温度，调节氢气阀门开度，调整氢气流量：

8.如权利要求7所述的基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统，其特征在于，所述预测控制部分，对系统温度、压力和氢气流量进行卡尔曼滤波的过程包括：将系统温度、压力和氢气流量作为向量元素，构建一个状态向量，通过一个卡尔曼滤波器进行滤波，卡尔曼滤波器的状态方程如下：

9.如权利要求8所述的基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统，其特征在于，基于预测氢气泄漏率，建立的优化问题如下所示：

10.如权利要求9所述的基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统，其特征在于，基于优化结果，设计反馈控制器调节阀门开度，以确保设定流量的跟踪，控制器模型为：

技术总结
本发明涉及泄露检测技术领域，更进一步地，涉及基于真空检漏法的氢气阀门综合测试系统。所述系统包括：建模部分、分析处理部分、实时控制部分和预测控制部分；所述建模部分，用于根据测试环境的初始参数建立真空舱内的气体状态方程和真空舱的热力平衡方程；所述分析处理部分，用于考虑温度变化对真空度的影响，计算泄漏通量；所述实时控制部分，用于调整氢气流量；所述预测控制部分，用于对系统温度、压力和氢气流量进行卡尔曼滤波，以确保设定氢气流量的跟踪。本发明为氢气阀门性能评估和流量调节提供了一种高效、稳定、可靠的技术解决方案。

技术研发人员：张坡,杨嘉鸿,刘斌
受保护的技术使用者：瀚孚工业设备（济南）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5