天然氣車輛液位測量系統相關性的研究

王坤 張凱

摘 要：文章介紹了一種天然氣車輛液位測量系統及各部件的基本功能。通過靜態測量試驗，使用兩套氣瓶靜態模擬氣瓶氣量消耗變化，確定不同廠家液位測量系統各部件的互換性及精確度。

關鍵詞：液位測量系統；精確度測量

中圖分類號：U465 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-185-03

Abstract： This paper introduces a natural gas vehicle liquid level measuring system and its basic functions. The interchang -eability and accuracy of the components of the liquid level measurement system of different manufacturers are determined by static measurement test and the change of gas consumption change of two sets of gas cylinders.

Keywords： Liquid level measurement system； Accuracy measurement

CLC NO.： U465 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-185-03

前言

由于石油資源的緊缺及油價不斷上漲，排放及節能要求的不斷加嚴，新能源汽車不斷的被研發及使用，產品種類及數量均不斷增加。現在新能源汽車主要包括電動汽車、混合動力汽車、乙醇燃料汽車、氫燃料電池車、天然氣汽車等。因天然氣儲存量大，價格便宜，天然氣重卡越來越多的投入市場并得到使用者的認可。天然氣重卡有CNG（壓縮天然氣）重卡和LNG（液化天然氣）重卡兩種。其中LNG重卡能量密度大，續駛里程長，氣瓶及支架總重量較輕，多應用于牽引車，用于長途物流運輸。在高速長途運輸過程中，加氣站數量較少或間距太長，LNG重卡的液位測量顯示系統若顯示不準確將會造成車輛半途熄火或氣耗增大，引起司機的強烈抱怨。

1 LNG重卡液位測量顯示系統簡介

LNG重卡液位測量系統采用電容式傳感液位測量原理，本系統由四個部分組成：電容式液位傳感器、記憶線纜、液位變送器和顯示儀表。測量系統通過植入低溫壓力容器內部的液位傳感器實時傳輸電容信號，經L型防漏裝置記憶線纜相連接，最終將電容信號傳輸至液位變送器，液位變送器讀取記憶線纜內設定的初始數值再結合液位傳感器實時輸出的電容信號，通過數據運算，最終轉化為剩余燃料容積數值通過儀表盤顯示給終端客戶，功能類似于油表，對卡車司機觀察氣瓶內剩余燃料有一定的指示作用。

1.1 測量顯示系統各部件功能簡介

電容式液位傳感器：電容式液位傳感器與氣瓶連接為一個整體，安裝在氣瓶的內部，其作用是將氣瓶內的液位高度轉換成電容信號，并通過記憶線纜傳送給液位變送器。電容式液位傳感器安裝在瓶內靠近充液管的一端。與汽、柴油（油位計量系統）相似，該系統能夠適應由于加速、剎車、爬坡、轉彎等形勢條件變化所帶來的瞬間影響。對于雙瓶、單瓶或者多瓶系統的燃料量的測量，顯示儀表可以進行多瓶管理，全景顯示模式顯示各瓶的剩余燃料以及循環顯示氣瓶壓力值。

1.1.1 記憶線纜

記憶線纜是連接電容式液位傳感器及液位變送器的關鍵零部件，實時傳導電容式傳感器電容信號和保存氣瓶初始設定數值便于液位變送器進行剩余燃料計算。

1.1.2 液位變送器

液位變送器是通過電容式液位傳感器傳回的模擬信號進行處理，并轉換成數字信號傳給顯示儀表。液位變送器安裝在氣瓶附近，它有兩種通信模式可供用戶選擇：CAN總線通信模式和模擬信號0-4.2V電壓輸出。

1.1.3 顯示儀表

通常分為液晶屏圓形顯示儀表及數碼管圓形顯示儀表，將液位變送器轉換成的數字信號顯示出來，以便駕駛員觀察。

2 LNG重卡液位測量系統各部件相關性測試

LNG重卡在整車裝配過程中，液位測量系統各部件如電容式傳感器、記憶線纜、液位變送器混裝，不能保證同一供方 產品，則可能會出現LNG重卡液位測量系統顯示不準或存在偏差，在極端的情況下會造成熄火的現象。因此，特借用兩套氣瓶進行試驗測試，確定不同廠家液位測量系統各部件的互換性及精確度。

2.1 試驗方法及目的簡介

2.1.1 使用某氣瓶廠家的兩套995氣瓶

分別裝配A公司的液位傳感器及記憶電纜和B公司的液位傳感器及記憶電纜。，然后逐個氣瓶從滿液狀態下（加液氮）每次放氣20kg（液半數后每次放氣10kg）后計算出理論容積，使用A公司液位變送器、B公司液位變送器、C公司液位變送器分別測量出實際容積，按此方法直至放空氣瓶，統計數據后進行分析。通過統計測量分析，確定液位變送器供方（A公司、B公司、C公司）精確度；通過不同廠家液位傳感器，確定液位傳感器及記憶電纜與液位變送器的互換性；通過分析，確定各公司產品的不足及改進要求。

備注：在未加滿液氮情況下，利用稱重計算出理論容積，反向推算液位傳感器增量電容（與真實液位傳感器增量電容會存在偏差）

2.2 測量數據

2.3 分析不同廠家氣瓶液位傳感器及記憶電纜與液位變送器的互換性

2.3.1 通過分析，得到以下結論

（1）不同廠家液位傳感器及記憶電纜，裝配同一廠家的液位變送器，對液位精度影響不大。

（2）使用C公司及B公司的液位變送器，氣瓶理論容積88L以上（客戶再此液位之前一般均為加注天然氣），同一液位變送器使用不同液位傳感器測量數據基本一致，具有互換性。低液位過程中測量數據也基本一致。

（3）B液位液位變送器在氣瓶容積剩余260L以上時，液位傳感器互換性強；在剩余260L以下時，裝配在B公司液位傳感器時顯示容積與理論容積精度差較小，裝配在A公司的液位傳感器時精度差較大，在氣瓶容積88L至260L之前裝配不同的液位傳感器，測量顯示值與理論值存在偏差，但是精度誤差能滿足10%以內。

2.4 分析各供方液位變送器精度

2.4.1 通過分析，得到以下結論

（1）A公司與C公司液位變送器測量數據比實際數據高，B公司液位變送器測量數據比實際數據低。

（2）三家測量數據在氣瓶半滿狀態到滿狀態過程中，測量精度高，符合實際；A公司與C公司在氣瓶液量低于335L以下，精度誤差超過10%，并逐步增大，在氣瓶液量剩余100L時，實際測量數據為140L，誤差達40%。此問題將會導致實際氣瓶液量不足時，顯示液量虛高，有存在讓客戶在使用過程中趴窩的風險。

（3）B公司液位變送器顯示數據在氣瓶液量125L以上均能在誤差10%范圍內顯示液位，精度高。在低液位狀態下能夠更低的顯示液量不足，及時提醒用戶加注天然氣。

3 結論

3.1 液位傳感器具有互換性

不同廠家液位傳感器在同一液位變送器顯示過程中影響小。其中以A公司和C公司液位變送器通用性更好。

3.2 在液位精度誤差控制方面

三家在氣瓶氣量滿瓶至半瓶過程中，液位均能準確的顯示，精度高。在半瓶至低液位過程中，A公司和C公司顯示液量均高于實際真實值，B公司低于實際值。

3.3 A公司和C公司低液量狀態下

液位顯示誤差呈上升趨勢，精度較低；B公司低液量狀態下，液位顯示誤差較小，精度較高。

3.4 三家均需完善液位顯示算法

尤其是低液位狀態下的顯示算法，進一步降低相對誤差，需將誤差控制在10%～20%以內。

參考文獻

[1] 施林生.電容式傳感器和電容的測量.傳感器世界，2010.

[2] 王長杰.LNG車載瓶液位及壓力檢測系統的設計與開發.濟南大學，2013.