電容式液位計(jì)在車載LNG氣瓶中的應(yīng)用進(jìn)展研究

宿家郗，韓哲

（中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266000）

電容式液位計(jì)在車載LNG氣瓶中的應(yīng)用進(jìn)展研究

宿家郗，韓哲

（中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266000）

作為一種新興的高效、清潔能源，液化天然氣應(yīng)用范圍越發(fā)廣泛，其中以LNG為燃料的新能源汽車已廣泛投入使用。車載LNG氣瓶中液位的測(cè)量裝置，是保障車輛安全運(yùn)行不可或缺的附件?；诖耍疚膶?duì)在車載LNG氣瓶中應(yīng)用最為廣泛的電容式液位計(jì)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析，討論了其在車載LNG氣瓶中的應(yīng)用進(jìn)展及存在的問題。

電容式液位計(jì)；車載LNG氣瓶；應(yīng)用進(jìn)展

在我國能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的背景之下，天然氣的消費(fèi)比例得到了不斷提高，其高效廉價(jià)的特點(diǎn)，使LNG汽車數(shù)量也得到了不斷增長(zhǎng)。而在該類車輛的運(yùn)行中，則需要對(duì)LNG氣瓶中液位進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，以免因LNG液體不足導(dǎo)致車輛拋錨。在極端低溫、嚴(yán)格控制成本的情況下，目前使用最為廣泛的是電容式液位計(jì)，但是隨著大批量應(yīng)用，其也暴露了一些問題。因此，對(duì)電容式液位計(jì)在車載LNG氣瓶中應(yīng)用的研究，是發(fā)展更精確液位計(jì)，推廣LNG汽車不可或缺的步驟。

1 電容式液位計(jì)發(fā)展情況

與磁致伸縮、雷達(dá)和超聲波等形式的液位計(jì)相比，電容式液位計(jì)相對(duì)便宜，且使用壽命更長(zhǎng)，應(yīng)用范圍更廣。從工作原理上看，由于液體與所在環(huán)境介質(zhì)之間介電常數(shù)的不同，當(dāng)液位發(fā)生變化時(shí)，極板間電容值會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)傳感器檢測(cè)電容變化，與理論值匹配，即可完成液位測(cè)量。傳統(tǒng)電容式液位計(jì)能夠在-200～250℃條件下工作，并且能夠完成0～22m液位高度的測(cè)量，測(cè)量精度能夠達(dá)到0.5級(jí)。但是，傳統(tǒng)電容式液位計(jì)也存在容易受外界干擾和粘稠液體掛液等問題。針對(duì)這些缺陷，電容式液位計(jì)生產(chǎn)廠商都進(jìn)行了各自改進(jìn)型電容式液位計(jì)的研發(fā)和生產(chǎn)。

經(jīng)過多年研究，柵狀電容式液位計(jì)、分段電容式液位計(jì)及射頻導(dǎo)納液位計(jì)得以被提出。柵裝電容式液位計(jì)對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，其傳感器內(nèi)部電極由折成6段的導(dǎo)線與元套筒構(gòu)成。分段電容式液位計(jì)采用多段電容同時(shí)測(cè)量，利用不同段測(cè)量值相互比較，消除由于液體性質(zhì)變化導(dǎo)致的誤差。而射頻導(dǎo)納液位計(jì)則采用導(dǎo)納測(cè)量，解決了掛料問題。目前，電容式液位計(jì)已經(jīng)在工業(yè)測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用。

2 電容式液位計(jì)在車載LNG氣瓶中的應(yīng)用進(jìn)展

2.1 應(yīng)用原理

車載LNG氣瓶需要在-162℃下儲(chǔ)存，并且內(nèi)部容器需要承受一定的壓力，所以無法采用常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行內(nèi)部液體位置高度的測(cè)量。在常規(guī)工程中，通常將采用電容式液位計(jì)進(jìn)行LNG體積的度量。從結(jié)構(gòu)上來看，使用的電容式液位計(jì)由容式物位傳感器和檢測(cè)電容的線路構(gòu)成，在對(duì)LNG體積進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要將金屬棒探入溶液。而除了金屬棒以外，則需要將容器壁當(dāng)成是電容的另一個(gè)電極。車載LNG氣瓶?jī)?nèi)部容器采用S30408焊接而成，可以被當(dāng)成是液位計(jì)接地導(dǎo)體。在實(shí)際測(cè)量中，液位計(jì)上部將被氣態(tài)天然氣包圍，下部則沉浸在液態(tài)天然氣中。如果無可測(cè)量液位，則將由同軸絕緣導(dǎo)線與氣瓶?jī)?nèi)部不銹鋼管共同構(gòu)成電容器，電容器形狀為金屬圓柱形，電容為C0，可以利用計(jì)算。

式中，電容量利用C0表示單位為F；容器內(nèi)氣態(tài)天然氣等效介電常數(shù)為ε0，單位為F/m；最高液位利用L表示，不銹鋼管半徑利用R1表示，絕緣導(dǎo)線半徑利用R0表示，單位均為m。如果氣瓶中存在可測(cè)量液位，則可以利用CH進(jìn)行絕緣電線與鋼管間電容的表示，并利用公式進(jìn)行計(jì)算。式中，氣態(tài)天然氣等效介電常數(shù)為ε，單位為F/m。由于ε0、ε、R1和R0均為固定參數(shù)，所以電容變化與液位變化呈現(xiàn)出線性關(guān)系，可以利用CH=A0+B0進(jìn)行表示，A0和B0則為常數(shù)，所以傳感器電容量大小與液體深度之間呈線性關(guān)系，可以通過測(cè)量電容值完成液位高度的計(jì)算。

2.2 應(yīng)用研究進(jìn)展

（1）應(yīng)用過程。目前，在車載LNG氣瓶中進(jìn)行電容式液位計(jì)的應(yīng)用，需要預(yù)先完成氣瓶空瓶電容值的測(cè)量，然后才能進(jìn)行氣瓶滿瓶電容值的設(shè)定，繼而利用液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量。一般情況下，車載LNG氣瓶容積可以劃分為500L、450L、375L、300L、275L、245L、200L、150L等多個(gè)等級(jí)，在制造過程中就會(huì)完成空瓶電容值測(cè)量。在對(duì)滿瓶電容值進(jìn)行測(cè)量時(shí)，則需要使用手持移動(dòng)設(shè)備。而滿瓶電容應(yīng)該為實(shí)測(cè)空瓶電容與規(guī)格氣瓶經(jīng)驗(yàn)值之和，如450L氣瓶實(shí)測(cè)空瓶電容通常在330～340PF之間，經(jīng)驗(yàn)值則為80PF，所以滿瓶電容值在410～420PF之間。根據(jù)氣瓶LNG液位對(duì)應(yīng)電容值，液位計(jì)可以將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，并利用電氣線束進(jìn)行信號(hào)傳輸。而該信號(hào)將在駕駛室的儀表上得到顯示，因此駕駛員就可以進(jìn)行車輛液位信息的隨時(shí)查看。

（2）性能比較。就現(xiàn)階段而言，在進(jìn)行車載LNG電容式液位計(jì)選擇時(shí)，還要進(jìn)行液位計(jì)性能的比較分析，以便結(jié)合車輛實(shí)際工況需求進(jìn)行具有一定穩(wěn)定性和精確性的液位計(jì)的選擇。在這一環(huán)節(jié)，通常需要進(jìn)行傳感器絕緣電阻、系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)恢復(fù)情況、電容測(cè)量值穩(wěn)定性和低液位安全預(yù)警及報(bào)警功能等多項(xiàng)內(nèi)容的測(cè)試。在對(duì)傳感器絕緣電阻進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要分別在傳感器植入前后各進(jìn)行一次測(cè)試。在測(cè)試的過程中，需要將傳感器信號(hào)線導(dǎo)體和屏蔽層分別連接測(cè)試儀兩極，并持續(xù)放電1分鐘，放電電壓為直流1000V，然后進(jìn)行絕緣電阻值的記錄。在對(duì)參數(shù)存儲(chǔ)恢復(fù)情況進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要先進(jìn)入工程調(diào)試界面，然后利用儀表進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的讀取和記錄，并進(jìn)行儀表或變送器更換。直至系統(tǒng)重新上電后，還要再次進(jìn)行參數(shù)的讀取和記錄，然后進(jìn)行前后比較。在對(duì)電容測(cè)試值的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要先將測(cè)試儀表上電預(yù)熱1分鐘，然后進(jìn)入工程調(diào)試界面進(jìn)行當(dāng)前電容的查看，并每隔10s進(jìn)行一次記錄，記錄總數(shù)為6次。在系統(tǒng)重新上電后，需重新執(zhí)行之前的操作。在對(duì)低液位安全預(yù)警和報(bào)警功能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要使液位計(jì)處在正常靜態(tài)精度測(cè)試條件下，并將液體加滿。在此基礎(chǔ)上，需將變送器外殼打開，然后將傳感器引線人為斷開，并對(duì)傳感器短路和短路等故障進(jìn)行模擬。通過確認(rèn)儀表是否有文字顯示或進(jìn)行提醒，則可以完成儀表功能測(cè)試。在對(duì)靜態(tài)精度進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要進(jìn)行氣瓶空瓶質(zhì)量的稱取和記錄，并將氣瓶加滿。完成氣瓶質(zhì)量記錄后，需要在磅秤上將氣瓶放置一段時(shí)間，然后進(jìn)行放液。在放液過程中，氣瓶質(zhì)量每減少一定數(shù)量，則要進(jìn)行對(duì)應(yīng)顯示容積的記錄。最后，由于需要在車載LNG氣瓶中進(jìn)行電容式液位計(jì)的應(yīng)用，所以還要對(duì)車輛行駛中容積值瞬間波動(dòng)量進(jìn)行測(cè)試。在具體測(cè)試時(shí)，還要使車輛分別以恒定速度、加速、減速、下坡和爬坡狀態(tài)運(yùn)行，然后進(jìn)行儀表瞬間波動(dòng)量的記錄。

（3）應(yīng)用不足。從電容式液位計(jì)在車載LNG氣瓶中的實(shí)際應(yīng)用情況來看，盡管該種液位計(jì)得到了廣泛應(yīng)用，但是也暴露了一定的問題。例如實(shí)測(cè)靜態(tài)蒸發(fā)率總是超過額定蒸發(fā)率、瓶體的外管路密封較差，存在漏熱漏氣的現(xiàn)象導(dǎo)致罐體結(jié)冰。時(shí)間一久，變送器就會(huì)出現(xiàn)短路或密封圈老化等情況，從而導(dǎo)致液位計(jì)無法得到較好的固定。再者，車輛的頻繁啟動(dòng)和行駛將導(dǎo)致電路出現(xiàn)電壓波動(dòng)，并引發(fā)液位計(jì)故障，甚至直接導(dǎo)致“燒表”問題的出現(xiàn)。最后，在氣瓶?jī)?nèi)外，液位計(jì)將利用導(dǎo)線進(jìn)行電器件連接。因此，液位計(jì)的測(cè)量精度將受到導(dǎo)線導(dǎo)電率、屏蔽層處理情況和低溫柔性等多個(gè)因素的影響。

2.3 未來發(fā)展方向

液化天然氣作為傳統(tǒng)化石燃料的良好替代品將得到大規(guī)模的推廣與應(yīng)用，LNG在機(jī)動(dòng)車領(lǐng)域的應(yīng)用更是處于高速發(fā)展階段。面對(duì)這樣一種趨勢(shì)，車載LNG液位計(jì)將隨之發(fā)展。就當(dāng)前的形式來看，利用電容式液位計(jì)進(jìn)行LNG氣瓶液位的測(cè)量是較為普遍的方法?，F(xiàn)有的液位計(jì)基本采用單電容傳感器，容易導(dǎo)致駕駛員因測(cè)量誤差而對(duì)能耗產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷，從而導(dǎo)致車輛中途拋錨。針對(duì)這一情況，現(xiàn)有較好的解決方案有采用內(nèi)置一體的子母電容式傳感器，利用子電容的測(cè)量值對(duì)整體的測(cè)量值進(jìn)行修正來減少介電常數(shù)對(duì)測(cè)量值的影響。或者采用邊緣效應(yīng)式電容液位傳感器，從而直接利用電容器的邊緣效應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，解決了目前平行板電容器液位測(cè)量方法中邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的影響。相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在車載LNG氣瓶中應(yīng)用的電容式液位計(jì)將向著更加人性化、智能化和簡(jiǎn)便化的方向發(fā)展，以滿足行業(yè)的當(dāng)前需求。

3 結(jié)語

目前，電容式液位計(jì)由于其低成本、能經(jīng)受極端低溫的特性，廣泛應(yīng)用于車載LNG氣瓶中，并在應(yīng)用的同時(shí)得到了一系列的適應(yīng)性發(fā)展。但是其暴露出的問題，如掛液現(xiàn)象嚴(yán)重、引線過多導(dǎo)致氣瓶密封性能變差、邊緣效應(yīng)導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)，依舊是不能忽略的。為此廣大研究人員正在研發(fā)新的設(shè)備，如子母式電容、開放式平板電容等，相信未來電容式液位計(jì)將得到進(jìn)一步發(fā)展，能夠更加準(zhǔn)確的測(cè)量車載LNG氣瓶中液位余量，保障安全行駛。

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U469.7

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1671-0711（2017）04（下）-0119-02