可靠的氢能测量仪表：挑战与解决方案

与其他气体相比，氢气具有特殊的化学和物理特性。它是宇宙中最轻的元素，具有极强的渗透能力。这意味着，它可以穿透许多材料，从而导致仪表出现材料疲劳、密封性下降等问题。此外，氢气的化学性质非常活泼：它只需要少量氧气，就可以形成爆炸性混合物。因此，压力变送器和液位计不仅要确保极高的测量精度，还必须得到特殊保护，预防氢渗和氢脆现象。

尽管氢的原子结构很简单，只有一个质子和一个电子，但它却具有非常复杂的化学特性。氢最关键的特别之处在于：

• 化学性质活泼：氢气与氧气混合会形成爆炸性混合物，而且它的最小点燃能量约为甲烷的 1/15。
• 渗透性：氢的分子很小，会渗透到金属材料中，从而导致泄漏。例如对于含有传导油的压力变送器，氢渗可能会导致膜片鼓包。
• 氢脆：氢会在金属的晶界处富集，长此以往会导致金属的强度降低甚至突然脆断。

氢能测量仪表的制造商采用特殊材料与创新涂层来应对这些挑战，如 316L 不锈钢和镀金镀铑等。

氢气只能在极高的压力或极低的温度下储存， 这样的工况对测量仪表提出了严峻考验。氢气通常储存在 400 至 700 bar 的压力下，例如高压储罐或者压缩系统， 这带来的挑战是：

• 测量仪表必须能承受极端高压，同时依然保持高精度。
• 氢脆引起的材料疲劳必须得到防范。
• 氢渗会逐渐影响压力变送器的稳定性。

对于这些应用，VEGA 提供坚固耐用的解决方案，例如测量范围高达 1,000 bar 的 VEGABAR 83。它采用干式金属测量元件，可防止因氢渗引起的漂移，而金铑涂层则能够提供额外防护。
 
为了缩减体积，另一种储氢方式是将氢气液化后以液态形式储存。为此，氢气需要被冷却至 -240 至 -253 °C。这种超低温对测量仪表带来了特殊挑战：

• 仪表必须在接近绝对零度的温度下稳定运行。
• 密封材料必须能够承受极低的温度而不会脆化。
• 热桥效应必须避免，因为即使存在微小的温差也会导致液氢蒸发。

VEGA 为此类场合提供 VEGAFLEX 系列导波雷达液位计，即使介电常数较低，它们也能可靠地测量液位。

VEGA 为氢能应用专门研发了量身定制的仪表，即使在极端工况下，它们也能可靠工作。仪表的主要优势有：

• CERTEC® 测量元件：陶瓷测量元件无需传导油，因此无惧氢渗。
• 金铑涂层：可减缓氢气渗入仪表金属部件，防止材料疲劳。
• 温度和压力补偿：即使在动态过程中也能确保精准测量。
• 防渗透的密封系统：可防止过程连接处发生氢气泄漏。

VEGABAR 83 可用于工业领域的高压系统，而采用陶瓷测量元件的 VEGABAR 82 则是专为测量腐蚀性介质而设计的，例如电解槽中的氢氧化钾溶液等。

安全是氢能技术领域的核心要素。氢气的爆炸极限范围很宽：它与氧气或空气的混合物在氢气体积占比 4% 到 77% 时都具有爆炸性。而且，氢气的最小点燃能量非常低。为了尽可能降低风险，需要采用多级防护措施：

1. 第一级防爆措施：避免爆炸性混合物产生，例如在电解槽中严格分离氢气和氧气。
2. 第二级防爆措施：使用限制电能的本安型仪表，消除点火源。
3. 第三级防爆措施：采取缓解措施，如果发生燃烧事故可以减轻影响。

VEGA 测量仪表通过了 ATEX、IECEx 和 SIL 认证，可安全地投用于防爆区域或安全相关应用。

数字化如何推动提升过程安全性？
除了单纯的测量以外，现代仪表技术还提供额外的数字功能，有助于提升运行安全性。VEGA 测量仪表具备以下优势：

• 自诊断功能：持续监测仪表状态，以便及早发现异常。
• 数字信号传输：借助 IO-Link 和 HART 协议，仪表可无缝集成至工业 4.0 系统中。
• 通过蓝牙远程访问：在安全距离以外进行维护并设置参数。

此外，VEGA 库存系统还能够预测性监测库存，避免原料短缺并及时规划物料采购。

随着生产过程的数字化和网络化程度不断提高，过程工艺系统越发容易遭到网络攻击， 测量仪表也越来越多地成为黑客的目标。仪表一旦被操纵，不仅数据安全会受到威胁，运行安全也会被严重损害。因此，有效保护运营技术 (OT) 安全至关重要，这样才能保护生产控制和测量系统的完整性免受攻击。VEGA 提供全方位的安全方案以应对此类挑战，并且已经将其应用在了 VEGAPULS 6X 等测量仪表上。这款雷达物位计符合 IEC 62443-4-2 标准，采用了多层安全防护（纵深防御），从而有效防范数据操纵、网络间谍和拒绝服务 (DoS) 攻击， 其主要的安全措施包括：

• 加密数据传输，抵御网络攻击
• 用户身份验证，防止未经授权的访问
• 固件完整性验证，确保只安装经过授权的软件更新
• 事件日志，对操纵尝试进行记录

VEGA 安全战略的另一大核心板块是设立了公司内部的 Product Security Incident Response Team (PSIRT)，即产品安全事件响应团队。该团队持续监控安全状况、开发预防性更新，并快速回应潜在威胁。通过将网络安全、功能安全和数字化保护机制相结合，VEGA 助力氢能系统在互联互通的世界中依然能够实现安全运行。

从高压应用到低温技术再到防爆，氢能行业对测量仪表提出了很高的要求。VEGA 凭借可靠耐用的压力变送器、液位计和数字解决方案为高效安全的氢能生产过程奠定了坚实基础。凭借创新的材料技术、先进的补偿系统和数字分析工具，VEGA 正在氢能领域中树立测量技术的新标杆。在 VEGA 的支持下，氢这一前景广阔的能源载体将能得到充分利用——安全、精准、高效。