電容式液位計在車載LNG氣瓶中的應用進展研究

宿家郗，韓哲

（中國石油大學（華東），山東 青島 266000）

電容式液位計在車載LNG氣瓶中的應用進展研究

宿家郗，韓哲

（中國石油大學（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氣瓶中液位的測量裝置，是保障車輛安全運行不可或缺的附件。基于此，本文對在車載LNG氣瓶中應用最為廣泛的電容式液位計的發(fā)展狀況進行分析，討論了其在車載LNG氣瓶中的應用進展及存在的問題。

電容式液位計；車載LNG氣瓶；應用進展

在我國能源戰(zhàn)略轉型的背景之下，天然氣的消費比例得到了不斷提高，其高效廉價的特點，使LNG汽車數(shù)量也得到了不斷增長。而在該類車輛的運行中，則需要對LNG氣瓶中液位進行準確測量，以免因LNG液體不足導致車輛拋錨。在極端低溫、嚴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，但是隨著大批量應用，其也暴露了一些問題。因此，對電容式液位計在車載LNG氣瓶中應用的研究，是發(fā)展更精確液位計，推廣LNG汽車不可或缺的步驟。

1 電容式液位計發(fā)展情況

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

經(jīng)過多年研究，柵狀電容式液位計、分段電容式液位計及射頻導納液位計得以被提出。柵裝電容式液位計對電極結構進行了改進，其傳感器內(nèi)部電極由折成6段的導線與元套筒構成。分段電容式液位計采用多段電容同時測量，利用不同段測量值相互比較，消除由于液體性質變化導致的誤差。而射頻導納液位計則采用導納測量，解決了掛料問題。目前，電容式液位計已經(jīng)在工業(yè)測量中得到了廣泛應用。

2 電容式液位計在車載LNG氣瓶中的應用進展

2.1 應用原理

車載LNG氣瓶需要在-162℃下儲存，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)測量方法進行內(nèi)部液體位置高度的測量。在常規(guī)工程中，通常將采用電容式液位計進行LNG體積的度量。從結構上來看，使用的電容式液位計由容式物位傳感器和檢測電容的線路構成，在對LNG體積進行測量時需要將金屬棒探入溶液。而除了金屬棒以外，則需要將容器壁當成是電容的另一個電極。車載LNG氣瓶內(nèi)部容器采用S30408焊接而成，可以被當成是液位計接地導體。在實際測量中，液位計上部將被氣態(tài)天然氣包圍，下部則沉浸在液態(tài)天然氣中。如果無可測量液位，則將由同軸絕緣導線與氣瓶內(nèi)部不銹鋼管共同構成電容器，電容器形狀為金屬圓柱形，電容為C0，可以利用計算。

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，絕緣導線半徑利用R0表示，單位均為m。如果氣瓶中存在可測量液位，則可以利用CH進行絕緣電線與鋼管間電容的表示，并利用公式進行計算。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)出線性關系，可以利用CH=A0+B0進行表示，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系，可以通過測量電容值完成液位高度的計算。

2.2 應用研究進展

（1）應用過程。目前，在車載LNG氣瓶中進行電容式液位計的應用，需要預先完成氣瓶空瓶電容值的測量，然后才能進行氣瓶滿瓶電容值的設定，繼而利用液位計進行測量。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等多個等級，在制造過程中就會完成空瓶電容值測量。在對滿瓶電容值進行測量時，則需要使用手持移動設備。而滿瓶電容應該為實測空瓶電容與規(guī)格氣瓶經(jīng)驗值之和，如450L氣瓶實測空瓶電容通常在330～340PF之間，經(jīng)驗值則為80PF，所以滿瓶電容值在410～420PF之間。根據(jù)氣瓶LNG液位對應電容值，液位計可以將采集的信號轉變?yōu)槟M信號，并利用電氣線束進行信號傳輸。而該信號將在駕駛室的儀表上得到顯示，因此駕駛員就可以進行車輛液位信息的隨時查看。

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

（3）應用不足。從電容式液位計在車載LNG氣瓶中的實際應用情況來看，盡管該種液位計得到了廣泛應用，但是也暴露了一定的問題。例如實測靜態(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)象導致罐體結冰。時間一久，變送器就會出現(xiàn)短路或密封圈老化等情況，從而導致液位計無法得到較好的固定。再者，車輛的頻繁啟動和行駛將導致電路出現(xiàn)電壓波動，并引發(fā)液位計故障，甚至直接導致“燒表”問題的出現(xiàn)。最后，在氣瓶內(nèi)外，液位計將利用導線進行電器件連接。因此，液位計的測量精度將受到導線導電率、屏蔽層處理情況和低溫柔性等多個因素的影響。

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)模的推廣與應用，LNG在機動車領域的應用更是處于高速發(fā)展階段。面對這樣一種趨勢，車載LNG液位計將隨之發(fā)展。就當前的形式來看，利用電容式液位計進行LNG氣瓶液位的測量是較為普遍的方法?，F(xiàn)有的液位計基本采用單電容傳感器，容易導致駕駛員因測量誤差而對能耗產(chǎn)生錯誤判斷，從而導致車輛中途拋錨。針對這一情況，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，利用子電容的測量值對整體的測量值進行修正來減少介電常數(shù)對測量值的影響。或者采用邊緣效應式電容液位傳感器，從而直接利用電容器的邊緣效應進行準確測量，解決了目前平行板電容器液位測量方法中邊緣效應產(chǎn)生的影響。相信隨著相關技術的發(fā)展，在車載LNG氣瓶中應用的電容式液位計將向著更加人性化、智能化和簡便化的方向發(fā)展，以滿足行業(yè)的當前需求。

3 結語

目前，電容式液位計由于其低成本、能經(jīng)受極端低溫的特性，廣泛應用于車載LNG氣瓶中，并在應用的同時得到了一系列的適應性發(fā)展。但是其暴露出的問題，如掛液現(xiàn)象嚴重、引線過多導致氣瓶密封性能變差、邊緣效應導致測量不準，依舊是不能忽略的。為此廣大研究人員正在研發(fā)新的設備，如子母式電容、開放式平板電容等，相信未來電容式液位計將得到進一步發(fā)展，能夠更加準確的測量車載LNG氣瓶中液位余量，保障安全行駛。

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U469.7

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