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HyPAT:氢渗透数据分析工具及其应用
软件X 21(2023)101284原始软件出版物HyPAT:用于高通量气体驱动氢渗透数据分析George S.作者声明:a,b.放大图片作者:Thomas F.作者:A.泰勒,岛田正志aa聚变安全计划,爱达荷国家实验室,爱达荷福尔斯,ID 83415,美国b美国爱达荷州杨百翰大学物理系,Rexburg,ID 83460c电气和计算机工程系,威斯康星大学麦迪逊分校,麦迪逊,威斯康星州53706,美利坚合众国ar t i cl e i nf o文章历史记录:2022年8月1日收到收到修订版,2022年10月27日接受,2022年关键词:氢数据分析气驱渗透溶解度扩散率渗透率a b st ra ct氢渗透分析工具(HyPAT)是一个基于Python的图形用户界面(GUI),可简化氢气驱动渗透实验的数据分析,以测量材料中的以下氢传输特性:渗透率,扩散率和溶解度。HyPAT快速分析批量实验数据,生成所需的分析图,并创建分析数据的组织报告。一个内置的文献数据库提供了27种不同材料的氢传输性能的实验结果的直接比较。该数据库还允许基于用户定义的输入参数进行渗透速率和时间尺度估计。HyPAT旨在根据研究人员的需求轻松定制,允许进行调整,例如将材料添加到文献数据库中,并考虑不同的一个验证和确认研究表明,氘渗透实验数据与纯镍样品的准确分析。版权所有©2022作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。代码元数据当前代码版本v1.0.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/IdahoLabResearch/HyPAT法律代码许可证MIT许可证使用Git的代码版本控制系统使用Python、GitHub的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境和依赖关系Python 3.8+、Matplotlib、pandas、NumPy、tkmacosx、mplcursors、SciPy和openpyxl如果可用,请链接到开发人员文档/手册https://github.com/IdahoLabResearch/HyPAT/blob/main/README.md支持电子邮件,以解决问题thomas. inl.gov1. 动机和意义金属中氢输运性质的测量是各种工业的浓厚兴趣。具有高氢渗透性和抗脆化性的金属,例如Pd合金和V族金属,是氢膜研究的焦点[1]。氢迁移导致储氢结构金属合金和结构材料的材料退化和脆化[2]。氚(3H)是氢的放射性同位素,*通讯作者。电子邮件地址:thomas. inl.gov(Thomas F. Fuerst)。https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101284半衰期为12.3年[3]。氚在核裂变反应堆中由中子与反应堆材料相互作用形成,并用作氘-氚聚变能量的燃料氚具有独特的放射性问题,因为它很容易渗透通过加热的金属结构,导致无意释放。因此,氢(特别是氚)在材料中的传输对于裂变和聚变能量具有重要意义。世界各地的研究实验室使用气体驱动渗透装置来实验性地测量金属和其他材料的渗透率、扩散率和溶解度的氢传输最常见的技术之一是封闭体积法中的压力积聚,也称为2352-7110/©2022作者。由爱思唯尔公司出版。这是一篇开放获取的文章,使用CC BY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页:www.elsevier.com/locate/softxGeorge S.作者:Joseph M.作者:Thomas F.Fuerst等人软件X 21(2023)1012842图1.一、“ 渗 透 估 计 值 ” 选 项 卡 用 于 预 测 渗 透 实 验 的 结 果 。一般称为时间滞后法。在这种方法中,平面样品被密封在两个真空室之间。将固定的氢气压力引入主室。然后打开隔离阀,此时氢气开始渗透通过样品进入第二室。随时间记录次级室中的压力增加该方法通过实验确定材料的渗透率和扩散率,由此可以推导出溶解度(公式推导见附录A)。由于在本研究之前缺乏公开可用的分析软件,各个研究小组通常创建自己的代码用于气体驱动渗透数据分析。此外,测量的氢传输性能的文献中报道的值的比较需要研究人员建立自己的文献数据库。相比之下,HyPAT是一个易于访问和用户友好的应用程序,提供批量数据分析和随后的结果比较,以公布的渗透率,扩散率和溶解度值的27纯金属和合金。HyPAT软件大大简化了瞬态气体驱动渗透实验的数据分析,并将导致更可靠的结果,因为计算是统一执行的此外,由于不同的分析方法会引入误差,因此在许多机构中采用一致的分析方法可以更好地在研究组之间进行数据比较。2. 软件描述HyPAT接受用户输入以进行渗透实验估计,并且它分批接受数据文件以快速计算氢传输特性。这些功能分为三个选项卡,分别为“渗透估计”、“渗透图”和“概览图”。这些选项卡中使用的计算的详细描述见附录A。HyPAT包括取自M.Shimada [12].下面是每个选项卡功能的简短摘要‘‘Permeation Estimates’’ is a work form used to predict thepermeation rates and required timescales of‘‘Permeation Plots’’ calculates the hydrogen transport prop-erties渗透数据‘‘Overview2.1. 渗透估计数“渗透估计”选项卡,如图所示。1提供了基于用户输入的渗透实验的计算。需要用户输入的参数以黄色突出显示:样品厚度(mm)和材料; O形环/密封方法的实验装置参数,校准的系统泄漏率(mol s−1Torr−1),二次侧体积(cc)和累积时间(hr);以及具体的测试参数,包括样品温度(℃)和一次侧压力(Torr)。这些参数的描述见表 1 。 预 测 中 使 用 的 每 种 材 料 的 氢 传 输 特 性 存 储 在 名 为“material_data.xlsx”的文件中。这些值从参考文献[12]中获得,并直接显示在所选材料的下方。可以使用“Overview Plots”选项卡上的“Add/Edit Material”按钮编辑材料数据库中的氢传输特性。也可以使用“添加/编辑材料”按钮将材料添加到数据库或从数据库中删除材料。附录B中详细讨论了此功能,以及允许更改此选项卡上选择默认值的类似功能。以下估计值在“最终输出”中报告“渗透估算”选项卡的部分图中的额外估计数。 1包括渗透率(molm −1 s −1 Pa −0. 5)、渗透通量(mol m-2 s-1和原子m-2 s-1)和压力增加速率(Torr s-1和Pa s-1)。请注意,其他三个估计还没有很容易地适应不同的实验设置。具体而言,渗透氢是否可通过电容压力计检测(是/否)、渗透氢是否可通过QMS检测(是/否)以及渗透氢是否会使QMS饱和(饱和/正常)的阈值。这些当前被硬编码到···George S.作者:Joseph M.作者:Thomas F.Fuerst等人软件X 21(2023)1012843表1“渗透估计值”选项卡中使用的输入参数的定义。输入参数参数描述单位样品厚度平面样品的厚度mm样品材料样品的材料,通常为金属元素或合金。O形环/密封方法密封样品的方法在两个真空室之间。渗透面积是由内径的O形环/密封方法。N/AN/A校准系统泄漏率将压力转换为摩尔流速的校准因子mol 秒-1 Torr−1二次侧体积氢气进入容器的体积渗透。累积时间实验的持续时间H温度样品的温度C表2“渗透估计”选项卡中使用的估计数量的定义。估计数量参数描述单位时滞假设稳态线在时间上向后传播,直到它与压力等于零的轴重合。时滞是隔离阀的打开与该交叉点之间的时间。渗透率样品材料的氢(H2)渗透率 在给定的样品温度下。Smol m−1 s−1Pa− 0.5摩尔和原子渗透通量每平方米每秒透过样品的氢和原子(H)的摩尔数mol m−2s−1和原子m−2s−1压力增加率二次侧容积中压力增加的速度。Torr s−1和Pa s−1用电容压力计检测如果次级侧容积中的压力足够大,电容压力计可以检测到(> 1 E-4托)。是/否QMS中的估计压力渗透通量除以校准泄漏率。托如果QMS中的压力足够大,QMS检测(> 1 E-10 Torr)。如果QMS中的压力过大(> 1 E-6 Torr),QMS会饱和。是/否饱和/正常编程,并且等于图1中可见的值(即,分别为1 e- 4托、1 e-10托和1 e-6托)。这些阈值将在未来的更新中很容易调整。这些参数的描述见表2。文件melting_tempK.xlsx包含某些材料的熔化如果用户输入的温度超过melting_tempK.xlsx文件中所选材料熔化温度的一半,HyPAT将警告用户所选温度可能会软化金属。对该选项卡所做的更改不会传播到其他选项卡,但有一个例外:一旦HyPAT重新启动,更改默认O形环或默认次级侧体积值将分别更改“Permeation Plots”选项卡中的默认渗透表面积或次级侧体积2.2. 渗透图“渗透图”选项卡使用封闭体积法中的压力建立,根据实验渗透数据计算渗透率、扩散率和溶解度的氢传输特性。HyPAT使用渗透率的定义、数据与J. Crank [ 13 ]报告的Fick第二定律的扩散率分析解的非线性最小二乘拟合以及更多详情请参见附录A。所需的用户输入和相关的不确定性以黄色突出显示(图1)。2)的情况。厚度(mm)为 唯一需要的示例属性。实验装置参数为二次侧体积(m3)和渗透表面积(m2)。立即点击右上角图中的“稳态变量”按钮,允许用户编辑用于确定稳态的公差、稳态延迟以及用于查找泄漏率和稳态率的点数。公差是指二次侧压力对时间的二阶导数(Δ2P/Δ t2)近似为零。稳态延迟是指隔离阀打开后直到启动分析以检测稳态所需等待的最小秒数。泄漏范围是在打开隔离阀之前用于确定泄漏率和初始值的数据点的数量。稳态范围是用于确定最终值的数据点的数量要加载数据,请单击“选择新文件夹”按钮并选择包含实验数据的文件夹。HyPAT处理所有XLS和XLSX文件;忽略其他文件。然后,图表将自动填充。HyPAT假设数据的组织方式是,每个仪器(或仪器组)的数据集在Excel表格中有自己的列,没有标题(见附录B)。HyPAT支持同时分析多个文件。左下图显示了根据每个数据集计算的渗透率与温度的关系。 或者,该图可以显示“扩散率与温度”、“溶解度与温度”或“通量与压力”,具体取决于您在“当前测量”下拉菜单中的选择。该图中显示的点现在也可以显示在扩散率、溶解度和渗透率的“Overview Plots”图中George S.作者:Joseph M.作者:Thomas F.Fuerst等人软件X 21(2023)1012844图二. “渗透图”选项卡用于加载和分析数据。示例数据显示了450-700 ℃下1 mm厚的Ni样品所示数据是在650° C的样品温度和100 kPa主压力下的。和所选文献值如图3所示。这是通过导航到“Overview Plots”选项卡并选择“Add Experimental Data”来完成的其他图包括压力-时间图、渗透率-时间图和不同扩散率优化图的比较,所有这些图都使用来自所选文件夹中第一个文件的数据这些数字有助于用户进行数据可视化。使用“当前文件”下拉菜单可将不同文件中的数据用于这些图。更多信息见附录B.3。通过单击“导出到Excel”按钮,分析结果将保存到报告中。然后,HyPAT将每个加载文件的以下值保存到XLSX文件中:气体温度(K)、气体温度不确定度(K)、样品温度(K)、样品温度不确定度(K)、次级侧压力(Pa)、次级侧压力不确定度(Pa)、初级侧压力(Pa)、初级侧压力不确定度(Pa)、渗透率(molm −1 秒-1 帕-0。5),渗透率不确定性(mol m −1 秒-1 帕-0。5),扩散系数(m 2 s −1)、扩散系数不确定度(m 2 s −1)、溶解度(mol m −3 Pa −0. 溶解度不确定性(mol m −3 Pa −0. 5)。 格式是这样的,这些值是列标题,文件名是行标题。用户可以通过单击“设置"按钮来编辑数据处理属性。有关可调变量的详细信息,请参见附录B。变量更新后,单击也可以通过单击“刷新”按钮随时刷新这些数字2.3. 概览图“Overview Plots”选项卡便于快速比较氢扩散率(m 2 s − 1)、溶解度(mol m − 3 Pa − 0.5)和渗透率(mol m −1 s −1 Pa −0. (5)引用文献[12]。图3显示了“Overview Plots”选项卡的示例左边的菜单屏幕“材料”允许用户选择绘制哪些材料以及相应的线颜色。选择显示的每种材料在扩散率子图、溶解度子图和渗透率子图中都有相应的线。的彩色/实线表示实验测量的温度范围,而虚线是对更宽温度范围的外推。实心圆标记显示在HyPAT内分析的实验数据在这种情况下,数据来自Ni的氘渗透活动(第2.5节),而参考文献值是针对氢气的。可以使用“添加/编辑材料”按钮临时和永久地编辑、添加和/或删除数据库材料属性“材质”窗口底部的“保存文件”按钮将材质及其属性保存到XLSX文件中。第2.2节讨论了“启用/禁用多个标签”按钮可更改设置,这样,就不会将光标悬停在一条线上以查看它对应的材料,只有当用户单击线时,标签才会出现。右键单击标签会导致该标签消失。标记为“Arabius拟合”的按钮如果数据已通过“添加实验数据”按钮加载,HyPAT将使用该数据进行拟合;否则,HyPAT将为用户提供选择XLSX文件进行分析的选项。此拟合将通过“导出到Excel”按钮(在第2.2节中讨论)生成的XLSX文件HyPAT在计算参数时使用加权拟合,这意味着每个数据点根据其不确定性进行加权,SciPy curve_fit函数为不确定性较低的点提供较低的优先级。如果需要,可以将计算出的指数前因子保存到Excel 见图四、2.4. 软件构架HyPAT是使用Python包tkinter来构建图形用户界面(GUI)的 。 该 程 序 首 先 在 application.py 中 输 入 一 个 循 环 , 然 后 在main.py文 件 夹 source_code 来 构 建 和 运 行 HyPAT 。Application.py创建窗口并使用文件permeation_estimates.py、permeation_plots.py和overview_plots.py(也可在source_code文件夹中找到)分别构建选项卡另一George S.作者:Joseph M.作者:Thomas F.Fuerst等人软件X 21(2023)1012845图三. “Overview Plots”选项卡用于将实验数据与氢文献数据库进行比较。示出了使用氘的Ni的示例性实验数据(显示为圆圈标记)。如图4所示。将拟合值与表3中的其他文献报告值进行比较。请注意,文献值使用氢作为扩散物质,或对其进行了校正,但我们的数据使用氘。虽然溶解度通常被认为对于氢的所有同位素是恒定的,但是与氢的文献值相比,氘的渗透性和扩散性的指前因子较小。考虑到不确定性(图中可见)后, 4)、与经典速率的差异是一致的理论,其中预计减少因子为2,见图4。“氢传输属性”Arrhenius拟合弹出窗口。示例数据示出了来自450-700 ° C和氘气的1 mm厚的Ni样品文件data_storage.py用于存储整个程序中使用的许多变量和小部件。HyPAT 使 用 五 个 数 据 文 件 作 为 其 功 能 的 组 成 部 分 :default_entry_vals.xlsx、material_data.xlsx、melting_tempK.xlsx、o-ring_data.xlsx和persistent_permeation_input_variables.xlsx。还包括这些文件中的每个文件的备份以实现冗余。2.5. 验证和确认在图1的子图中的实心圆圈标记。2对应在INL使用1.0 mm厚的纯镍样品和静态气体吸收和渗透(SGAP)装置进行了六次氘渗透实验[10,14]。在450、500、550、600、650和650 ℃的样品温度下收集渗透数据。700℃,一次侧压力为100 kPa,并采用封闭容积法进行积聚。所得的氘渗透性,扩散率和溶解度与文献值非常一致。使用概览图选项卡上的“添加实验数据”功能,并将实验数据与图中镍的数 据 库 行 进 行 比 较 , 定 性 显 示 了 一 致 性 。 3 . 第 三 章 。 The‘‘Arrhenius Fit’’ feature facilitates the quantitative assessment,增加了氘的质量。因此,我们得出结论,Hy-PAT准确地计算值的扩散,溶解度,渗透率从一批实验数据。3. 影响目前,还没有商业或开源代码可以从实验数据计算渗透率,扩散率和溶解度的氢传输特性。这意味着世界各地的研究实验室必须编写自己的分析程序。HyPAT能够进行分批数据分析,同时还能够将测得的氢传输特性与已知的文献值进行直接比较它还将结果导出到有组织的报告中。这大大减少了所需的数据分析时间,同时提高了分析的一致性和研究人员的效率。此外,它还提供了一个界面,用于预测实验的渗透速率和扩散时间,进一步节省了用户准备渗透实验的时间。HyPAT还可以很容易地适应各种实验设置和数据文件结构,而无需编辑源代码或文件。具体而言,用户可以告诉HyPATExcel表的哪些列应该读取每个仪器的数据,HyPAT开始从Excel表中读取数据的行,用于测量气体温度的热电偶数量,每个仪器数据的转换因子,以便轻松转换为不同单位,每个仪器的常数和比例不确定度,许多用户输入的默认值,以及用于与文献值进行比较的材料。这种适应性将简化HyPAT的采用,George S.作者:Joseph M.作者:Thomas F.Fuerst等人软件X 21(2023)1012846=DTDTDTDT·RTRTRT表3Ni验证和确认数据与氢扩散率、溶解度和渗透率的文献数据的比较Q扩散率:D=D0exp(−ED)溶解度:K s=K s,0exp(−Es)渗透率:Φ=Φ0exp(−Ep)参考D0[m2 s−1]ED[kJmol−1]TminKs,0[mol(Q2)m−3Pa−0.5]Es[kJmol−1]Tmin均p0[mol(Q2)m−1s−1Pa−0.5]Ep[kJmol−1]TminD2 4.0e− 7 39.8 723H2 6.9e− 7 40.5 300T2 1.5e− 7 54.0 300H2 4.0e− 7 55.0 300H2 5.2e− 7 40.0 200H2 9.2e− 7 41.4 260H2 7.5e− 7 39.1 373H2 4.0e−7 39.3 293研究实验室,并简化采用后对实验设置/数据文件结构所做的任何更改。此外,由于HyPAT是开源的,用户可以通过编辑源代码来进一步调整工具以满足他们的需求4. 结论HyPAT是一个图形用户界面,便于数据分析的气体驱动的氢渗透实验使用的建立在一个封闭的体积方法。HyPAT包括分批数据分析和直接比较测得的氢传输特性与已知文献值等功能这些和其他功能可以使数据分析过程更简单,更便宜,更一致。HyPAT成功地验证和验证的实验数据,从氘渗透通过镍活动在100千帕和450未来的HyPAT将包括平方根压力依赖性来自于金属表面上的分子氢解离和复合以及以原子形式通过金属晶格的扩散。在平衡时,金属表面上的氢浓度C(mol(Q2)m−3)与气相压力通过Sieverts定律(方程式1)相关。式中,KS是Sieverts溶解度常数(mol(Q 2)m − 3 Pa − 0)。5)。通过金属晶格的间隙氢扩散由扩散系数D(m2 s−1)定义。渗透性也被定义为扩散率和溶解度的乘积(ΦDKs)。C= K sP。(A.2)用于计算渗透性的表观氢渗透通量DNINF(mol(Q2)s−1),定义为当量(A.3)。但是,我们首先必须考虑系统泄漏或关闭-增加了分析Sieverts型装置中氢吸收实验数据竞合利益提交人声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,放气物质,dnleak(mol(Q2)s-1),一旦次级侧体积被隔离,其产生压力增加,但由于施加的压力梯度,其不对应于穿过样品的氢渗透泄漏率由方程定义。(A.4)。dninfVdPinfDT=RT气体输入dt。(A.3)影响本文报道的工作。DN泄漏V dPleakdt= RT气体0DT.(A.4)致谢这项工作是为美国能源部聚变能源科学办公室准备的,合同号为DE-AC 07附录A.渗透率、扩散率和溶解度的计算本附录概述了使用渗透数据计算渗透率、扩散率和溶解度的理论框架(见附录A.1)。它还包括一个章节,详细介绍了HyPAT如何获得初始值和最终值(见附录A.2)。A.1. 渗透率、扩散率和溶解度的数学计算氢渗透率,Φ(mol(Q)m −1 秒-1 帕-0。(5),理想气体定律的假设是合理的氢分子的低压(1000帕)在二次侧体积在室温下。对于大多数气体驱动渗透装置,理想气体定律行 为是 预 期的 。 但 是, 如 果 预计 二 次侧 会 出现 高 压( >100kPa),则应提醒用户,由于偏离理想气体特性,HyPAT结果将不准确在上述方程中,dPinf表示在达到稳态后二次侧上压力增加的测量速率(Pa s−1),dPleak表示在实验开始之前压力增加的速率(Pa s−1 ), Tgasinf 表示最终温度(K), Tgas0 表示初始温度(K),R是气体常数(J mol−1 K−1),V是二次侧体积(m3)。使用这些摩尔流速值,我们可以通过校正样品的渗透表面积A(m2)计算所需的摩尔通量Jinf=1 dninf,(A.5)2A dt与氢渗透1 DN泄漏通过金属的通量J(mol(Q2)m−2 s−1),作为样品厚度L(m)和从初级侧到次级侧施加的压差P1(Pa)的函数。氢渗透率的方程式如方程式所示(A.1)。这里,Q表示三种氢同位素H、D或T中的一种J0=A dt,(A.6)J= Jinf− J0,(A.7)其中,Jinf是一旦通过样品的渗透达到稳态时测量的摩尔通量,J0是测量的摩尔通量Φ=ΦPJ L--.(A.1)12George S.作者:Joseph M.作者:Thomas F.Fuerst等人软件X 21(2023)1012847在实验开始之前(即,漏通量),J是由于渗透通过金属而产生的摩尔通量(均以mol(Q2)m-2为George S.作者:Joseph M.作者:Thomas F.Fuerst等人软件X 21(2023)1012848∞6t滞后。∑×=(−1)expL2ts−1)。有关HyPAT如何确定初始值、最终值和稳态开始的详细信息,请参见附录A.2。使用非线性最小二乘法计算扩散率,以针对实验数据优化菲克第二定律的解决方案中的扩散率值。在初始浓度均匀、初级侧表面浓度固定、次级侧表面浓度为零的边界条件下,Fick第二定律的一般解侧是从J.”[13]《易经》中说:(A.8)。如果在特定的数据文件中,则HyPAT将生成警告并且将Nss设置为比在ti之后剩余的数据点的数量小1。然后,Nss将恢复为用户输入的值,用于分析剩余的数据文件。如附录B.1所述,试验开始时间ti是隔离阀打开后第一个数据点的时间。然后,HyPAT通过对紧接在ti之前的N个泄漏数据点取平均值来计算泄漏渗透率、初始温度和其他初始值,其中N泄漏默认为J(t)−J0Jinf -J0n=0(n=1Dn2π2)30,并由用户编辑。在HyPAT中,N泄漏指的是"泄漏范围“如果用户将Nleak设置为具有比针对特定数据文件在ti之前存在的数据点更多的数据点,则HyPAT将生成使用特征时间获得D的初始值滞后方法,如等式中所示。(A.9)。特征时间tlag是一旦建立稳定状态,作为时间(P2(t))的函数的二次压力的拟合线性方程的y截距D=L2( A.9)HyPAT使用了Python打包版SciPy中的curve_fit函数.该函数试图 拟合 等 式的 左 侧。 ( A.8 ) ( 即 , 数据 ) 到 Eq. 的 右侧 。(A.8)。它接受三个参数:D(扩散率)、dt(附加时间调节参数)和A(比例常数)。边界设置为0 D 10,0 dt 10*h(其中h是第一个和第二个数据点之间的时间步长)和-1000 A 1000,以最大限度地减少处理数据文件时的问题将附加时间调整参数添加到等式中的t。(A.8)允许拟合补偿真实开始时间发生在数据点之间的事实。当量(A.10)显示了调整后的公式。(A.8)。容差设置为D * 1 e-3,其中D是从等式获得的初始猜测。(A.9)。函数curve_fit()然后返回一个数组,其中包含最佳拟合参数,从中获得D的最终值,以及用于误差传播的协方差矩阵警告,并将N泄漏设置为比数据点的数量小1之前,我。然后,Nleak将恢复为用户输入值,用于分析剩余的数据文件。HyPAT包括供用户设置在HyPAT可以开始寻找稳定状态之前必须经过的最小时间量的选项。在HyPAT中,此最小时间量称为考虑稳态开始的最高时间被封顶,使得tss之后的Nss数据点既不与数据的结束重叠,也不与次级侧压力的突然降低重叠。当压力变化在Nss数据点上取平均值时,仅当连续Nss/2(向下舍入)个数据点的二次侧压力变化为负值时,HyPAT确定二次侧压力突然下降。如果设定的稳态延迟会导致tss之后的Nss个数据点与特定数据文件的数据结束或二次侧压力突然下降重叠,则HyPAT将生成警告,并将稳态延迟设定为不会导致此类重叠的最大时间。然后,直到稳定状态的延迟将恢复到用户输入值,用于分析剩余的数据文件。因为稳态并不总是与用户输入的公差值(在第2.2节中讨论),HyPAT(10)=)将自动调整公差的5倍,J( t)− J0AJinf-J01+2(−1)nexpn= 1Dn2π2-L2(t+dt).(A.10)发现在搜索中没有找到稳定状态范围HyPAT将继续增加耐受性,5直到找到稳定状态或直到新的公差大于用户输入容差乘以100,000。该tol-erance将恢复到用户输入值,以分析一旦氢渗透率和氢扩散率的一个金属已经获得,金属的氢溶解度用渗透率关系式KsΦ/D计算样品的渗透率。使用标准误差分析计算与通量、渗透率、扩散率和溶解度计算相关的不确定度[20]。J.Crank的《扩散数学》[13]在整个推导过程中经常被用作参考当量A. 10是从[12]衍生而来的。A.2. 通过计算获得初始值和最终值通过取二次侧压力相对于时间的一阶导数的滚动平均值(ΔP/Δ t),取该平均值相对于时间的另一阶导数以获得Δ2P/Δt2(Pa s-2),然后检查Δ2P/Δ t2的滚动平均值何时下降到稳态公差水平以下(即,近似为零)。这些移动平均值中的每一个都是在Nss个数据点上取得的,其中Nss默认为30,并且可由用户编辑。在HyPAT中,Nss被称为“稳态范围”。所有导数均采用中心差分法。一旦获得tss,通过对紧接在tss之后的Nss数据点取平均值来计算稳态渗透速率、稳态温度和其它最终值。如果用户将Nss设置为具有比实验开始后存在的数据点更多的数据点,则对于剩余的数据文件。对公差的任何更改都将生成警告附录B.其他HyPAT功能、用户输入和定制HyPAT有许多适应性强的功能,以适应实验设置和数据文件结构,而无需编辑源代码或文件。本附录概述了附录B.1和B.2中的这些功能。接下来,附录B.3详细介绍了HyPAT中的图最后,附录B.4包含可能对用户有帮助的附加信息B.1. 数据文件结构HyPAT要求将数据存储在XLS或XLSX文件的第一个工作表的列中。具体而言,它假设电子表格具有针对以下实验值中的每一个的整个列:时间、初级侧压力、次级侧压力、样品温度、气体温度(在次级侧体积中)和隔离阀的状态(当打开时,开始渗透实验的阀)。HyPAT使用这些实验变量中的每一个来计算氢渗透率、扩散率和溶解度。=1+ 2−.(A.8))George S.作者:Joseph M.作者:Thomas F.Fuerst等人软件X 21(2023)1012849≥⃗−=≥我 联合图B.1. The ‘‘Adjust Persistent Variables’’ window is used to edit parameters 可通过“渗透图”选项卡上的“设置”按钮访问为了适应各种数据文件结构,可以选择HyPAT从中读取数据的列。首先单击“渗透图”选项卡中的“设置”按钮。“调整持久变量”窗口将弹出,如图所示。B.1.在此窗口中,可以设置与每个实验变量对应的列(以及稍后讨论的其他值)。例如,从图B.1中可以看出,一次侧压力的列名已设置为W。因此,HyPAT将从上传数据文件的W列读取一次侧压力数据。一旦根据用户请注意,HyPAT将在保存变量之前弹出一个确认框,以确保用户打算进行这些更改。即使在HyPAT关闭后,任何保存的更改也将持续存在,使用户能够避免编辑源代码的麻烦。HyPAT假定加载的数据文件中没有头文件。怎么--隔离阀首先从0变为不舍入为0的任何值如果用户的系统指示阀门以不同方式打开或关闭,HyPAT可以对包含表示隔离阀状态的HyPAT中的时间数据可以采用两种形式之一。 首先,时间列可以是自实验开始以来经过的累积时间。换句话说,时间戳从零开始,并从列的顶部到列的末尾以100t递增。如果HyPAT检测到时间列包含浮点数或整数,它将假设该列是累积时间传递形式,并根据用户定义的变量m和b对其执行线性变换,如前所述。或者,时间列可以将每个数据点的时间记录为日期时间对象,其中包含数据点的年、月、日、小时、分钟、秒和毫秒。如果HyPAT检测到时间列包含日期时间,它将自动将这些日期时间转换为累计时间,并且不会对时间数据执行线性转换。注意,HyPAT可以处理任意大小的时间步长。为了允许多个热电偶(TC)测量次级侧体积中的气体的温度,HyPAT被构建为容纳这些TC中的任意整数1,称为GaST可以在“调整持续变量”窗口中设置GasT的数量有效气体温度由这些TC测量值的平均值确定。“Adjust Persistent Variables”(调整持久变量)窗口中的最后一个变量是与每个变量对应的“cerr”(cerr)和“perr "(perr)。这些分别是每个仪器的常数不确定度和比例不确定度,它们用于确定每个计算值的不确定度。在计算各仪器引起的不确定度时,HyPAT从常数不确定度、比例不确定度和计算的统计不确定度中选择最大的不确定度。对于GasT仪器,它为每个仪器选择最大的不确定性,然后将该不确定性传播到平均函数,因此用于GATT的不确定度为在“调整持久变量”窗口中将起始行设置为≥1的任意整数因此,数据文件2∑T2/N仪器,其中T iun 是第i次可以加载,只要在HyPAT,使得起始行对应于数据开始的行因为这个变量是0索引的,所以图中的起始行。 B.1对应于从第一行开始的HyPAT读取数据(即,在数据文件中没有标题关于每个实验值的单位,HyPAT为SI单位。具体而言,时间、压力和温度假设分别以秒、摄氏度和帕斯卡记录。假设记录隔离阀的状态,使得0表示阀关闭,而任何未舍入到0的值表示阀打开。 然而,HyPAT包括在将列值读入Pandas DataFrame时对列值进行线性转换的能力。 参见图 B.1,每个实验值都有一对对应的变量,名为m和b,对应于yMXb,其中x是数据文件中出现的列,y是用于计算氢传输特性的DataFrame中出现的列。例如,图B.1中的一次侧压力将m设置为133.322,以将数据从Torr转换为Pa。作为另一个示例,可以通过将m设置为0.556并且将b设置为17.78来实现从华氏度到摄氏度的近似转换。请注意,HyPAT在任何时候都不会更改加载的数据文件。隔离阀的状态用于确定何时实验开始了。在数学上,这对应于时间相关分析的t 0边界条件(有关此分析的讨论,请参见附录A)。为了做到这一点,HyPAT设置时间等于零的时刻,在该时刻,instruments和Ninstruments是GasT仪器的数量。注意:有一个标有“?"的按钮在Variables’’ window that opens a new window with informationabout each adjustableB.2. HyPAT的进一步适应性“渗透估计值”选项卡和“概览图”选项卡都广泛使用了包含纯金属和常见合金的已可以在不离开HyPAT的情况下更改此数据库以在这些选项卡中使用。首先导航到“Overview Plots”选项卡,然后选择左下角的“Add/Edit Material”按钮。 这将打开“添加或编辑材料”窗口,如图所示。B.2.要添加新材质,请在左上方框中键入其名称,并相应地填写以黄色突出显示的属性请注意,创建新材料不需要熔化温度。要编辑或移除材质,请从下拉菜单中选择材质,然后编辑其属性或选择标记为“移除”的按钮。需要单击“提交" 以保存编辑和添加。所有更改都可以是临时的(这样当HyPAT关闭时它们就消失了)或持久的(这样它们就更新了文件material_data.xlsx),这取决于用户由于渗透率、溶解度和扩散率之间的数学关系,在添加新材料时,用户可以输入三种传输特性中的两种,并允许HyPAT使用计算值自动填充连续的第三个框,从而便于添加仅需要两种传输特性的材料。George S.作者:Joseph M.作者:Thomas F.Fuerst等人软件X 21(2023)10128410图B.2. The ‘‘Add or Edit Materials’’ window is used to add, edit, or remove materials from the database used in the ‘‘Permeation Estimates’’ tab and the ‘‘Overview可通过选择“Overview Plots”(概览图)选项卡上的“Add/Edit Material”(添加/编辑材料)按钮来访问图B.3. “添加或编辑O形圈/编辑默认值”窗口用于添加、编辑或删除O形圈。或者,此窗口也可用于编辑某些“渗透率估计值”选项卡上的默认值可通过选择“渗透估计”选项卡上的“设置”按钮访问价值观是已知的。这个预测值可以很容易地被用户覆盖。用于“渗透估计”选项卡中密封方法的O形环的属性首先单击“渗透率估计”选项卡右上角的“设置"。这将打开“添加或编辑O形圈/编辑默认值”窗口,如图所示。B.3.要添加新的O形环,请在左上方框中键入其名称,并相应地填写以黄色突出显示的属性。要编辑或删除O形圈,请从下拉菜单中选择O形圈,然后编辑其属性或选择标记为“删除O形圈”的按钮需要单击所有更改都可以是临时的(这样当HyPAT关闭时它们就消失了)或持久的(这样它们就更 新 了 文 件 o-ring_data. xlsx ) , 这 取 决 于 用 户 请 注 意 , 从HyPAT v1.0开始,O形环外径和O形环厚度不用于任何计算。然而,O形环内径用于计算有效渗透表面积。由于校准泄漏率和二次侧体积仅需要很少的更改,因此其默认值可在刚才讨论的使用弹出窗口右下角的“提交默认值”按钮提交任何更改,注意任何此类更改都将是永久性的(可以使用“渗透估计”选项卡上的输入框进行临时更改)。对默认值的更改必须与对O形圈的更改分开进行,因为提交更改后窗口将关闭。请注意,“渗透图”选项卡中的次级侧体积和渗透表面积的默认值B.3. 关于地块的HyPAT中的所有图形都是使用Matplotlib制作的。作为其中的一部分,它们都有Matplotlib绘图附带的“平移/缩放”、“保存”、“主页”、“前进”、“后退”、“缩放到矩
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