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    電容式液位計在車載LNG氣瓶中的應用

    作時間:2014-10-08 09:05:42  來源:西安XXXXXXX有限公司  作者:曹君,唐永科,王海剛,薛蘇濤,劉明星
       

    摘要:簡要介紹了 LNG 電容式液位計的使用原理,總結分析了車載LNG 氣瓶電容式液位計實驗項目及實際應用中存在的問題,並對車載LNG 氣瓶電容式液位計的發展前景進行了展望。


    電容式液位計以其使用方便、可靠、價格低廉的特點,普遍應用於工業及民用各種容器的液位測量,並得到好評。隨著近兩年LNG 卡車在物流中的批量應用,電容式液位計在車載LNG氣瓶中的應用也越來越普及。但是隨著大批量的推廣應用,電容式液位計在車載LNG 氣瓶中的應用也暴露出不少問題,還存在諸多需要改進和優化的項目,例如針對低溫液體的相對介電係數比較小,容易導致電容式液位計靈敏度較差的問題等。

    LNG電容式液位計使用原理
        由於LNG 的儲存溫度為-162 ℃且內容器受壓,常規度量方法不宜適用,所以一般工程中度量LNG 體積的方法是采用電容式液位計係統。電容式液位計是根據電容的變化來實現液位高度測量的液位儀表,電容式液位計的主要構件包括容式物位傳感器和檢測電容的線路。電容式液位計在測量時是將一根金屬棒探入被測容器的溶液中,將金屬棒作為電容的一極,將容器壁作為電容的另一極。電容式液位計測量原理見圖1。
    電容式液位計測量原理

        LNG 氣瓶內容器由S30408 焊接而成,其為液位計的接地導體,測量時液位計的上部處於氣態天然氣中,下部處於液態天然氣中。
        當可測量液位H=0 時,不鏽鋼管與同軸絕緣導線構成的金屬圓柱形電容器之間存在電容C0,根據文獻得到電容量計算公式為:
    QQ截圖20141008091256.gif
        式中:C0 為電容量,F;ε0 為容器內氣態天然氣的等效介電常數,F/m;L 為LNG 液位最大高度;R1為不鏽鋼管半徑,m;R0為絕緣導線半徑,m。

        當可測量液位為H 時,不鏽鋼管與同軸絕緣電線之間存在的電容CH 為:
    QQ截圖20141008091305.gif

    式中:ε 為容器內氣態天然氣的等效介電常數,F/m。因此,當傳感器內液位由零增加到H 時,其電容的變化量ΔC 可由式(1)和式(2)得:
    QQ截圖20141008091310.gif
    由式(3)可知,參數ε、ε0、R1、R0 均為定值,所以電容的變化量與液位變化量ΔC 呈近似線性關係。因為參數ε、ε0、R1、R0、L都是定值,由式(2)變形可得:
    QQ截圖20141008091446.gif
    式中:A0和B0為常數。
    可見,傳感器的電容量值CH 的大小與電容器浸入液體的深度H 呈線性關係。由此可知,隻要測出電容值便能計算出LNG液位高度。

    2、LNG電容式液位計的應用
        在車載LNG 氣瓶中,常用的容積一般為500 L、450 L、375L、300 L、275 L、245 L、200 L、150 L 等,在LNG 氣瓶製造過程中需要預先測量LNG 氣瓶的空瓶電容值,再用手持式移動設備對氣瓶的滿瓶電容值進行設定。滿瓶電容等於實測空瓶電容加上相應規格氣瓶經驗值。
        例如:450 L 測量得空瓶電容值一般為330 PF~340 PF(每隻氣瓶的初始電容略有不同),若450 L 經驗值為80 PF,那麽450L 滿瓶電容值應為410 PF~420 PF。
        液位計變送器根據LNG 液位對應的電容值,將信號處理變為模擬信號通過電氣線束輸出給駕駛室的顯示儀表上,方便駕駛員隨時查看車輛液位信息。車載LNG 氣瓶中電容式液位計的應用見圖2。

    車載LNG 氣瓶中電容式液位計的應用
    3、車載LNG 電容式液位計係統的實驗性能對比
        根據車輛的實際使用的工況,模擬在極限工況下LNG電容式液位計的穩定性及精確性。液位計係統實驗包括以下一些項目。

    3.1 傳感器絕緣電阻測試
        傳感器植入氣瓶前/後絕緣電阻測試:將電容式傳感器信號線的導體和屏蔽層分別與絕緣電阻測試儀的兩極相連接,將放電電壓調至DC 1 000 V,放電1 min,記錄此時絕緣電阻值。

    3.2 係統參數存儲恢複測試
        利用顯示儀表進入工程調試界麵,讀取並記錄保存的相關參數,之後任意更換變送器或者顯示儀表,重新上電後,再次讀取參數,並與更換前參數進行比較。

    3.3 電容測量值穩定性測試
        顯示儀表上電後,預熱1 min,利用顯示儀表進入工程調試界麵,查看並記錄當前電容(每隔10 s 一次,共6 次);斷電後重新上電,並重複以上操作。

    3.4 低液位安全預警和報警功能測試
        在正常靜態精度測試的環境下,加滿液體後,打開變送器外殼,人為斷開傳感器引線,模擬傳感器斷路、短路、顯示儀表線未接入等故障,查看並記錄顯示儀表上有無文字提示或其他提醒報警功能。

    3.5 靜態精度測試
        稱取並記錄氣瓶空瓶質量,給氣瓶中加滿液氮並記錄滿瓶質量。將氣瓶放置在磅秤上穩定一段時間後開始放液,質量每減少一定單位抄寫對應的顯示溶劑並進行數據計算。

    3.6 車輛行駛過程中顯示容積值瞬間波動量測試
        在實驗車輛平路行駛過程中,汽車分別按照以下工況運行:恒定的速度、加速、減速、爬坡、下坡,在各種工況時分別目測並記錄顯示儀表的瞬間波動量。
     
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