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电容式液位计在车载LNG气瓶中的应用

作时间:2014-10-08 09:05:42  来源:西安XXXXXXX有限公司  作者:曹君,唐永科,王海刚,薛苏涛,刘明星
   

摘要:简要介绍了 LNG 电容式液位计的使用原理,总结分析了车载LNG 气瓶电容式液位计实验项目及实际应用中存在的问题,并对车载LNG 气瓶电容式液位计的发展前景进行了展望。


电容式液位计以其使用方便、可靠、价格低廉的特点,普遍应用于工业及民用各种容器的液位测量,并得到好评。随着近两年LNG 卡车在物流中的批量应用,电容式液位计在车载LNG气瓶中的应用也越来越普及。但是随着大批量的推广应用,电容式液位计在车载LNG 气瓶中的应用也暴露出不少问题,还存在诸多需要改进和优化的项目,例如针对低温液体的相对介电系数比较小,容易导致电容式液位计灵敏度较差的问题等。

LNG电容式液位计使用原理
    由于LNG 的储存温度为-162 ℃且内容器受压,常规度量方法不宜适用,所以一般工程中度量LNG 体积的方法是采用电容式液位计系统。电容式液位计是根据电容的变化来实现液位高度测量的液位仪表,电容式液位计的主要构件包括容式物位传感器和检测电容的线路。电容式液位计在测量时是将一根金属棒探入被测容器的溶液中,将金属棒作为电容的一极,将容器壁作为电容的另一极。电容式液位计测量原理见图1。
电容式液位计测量原理

    LNG 气瓶内容器由S30408 焊接而成,其为液位计的接地导体,测量时液位计的上部处于气态天然气中,下部处于液态天然气中。
    当可测量液位H=0 时,不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容C0,根据文献得到电容量计算公式为:
QQ截图20141008091256.gif
    式中:C0 为电容量,F;ε0 为容器内气态天然气的等效介电常数,F/m;L 为LNG 液位最大高度;R1为不锈钢管半径,m;R0为绝缘导线半径,m。

    当可测量液位为H 时,不锈钢管与同轴绝缘电线之间存在的电容CH 为:
QQ截图20141008091305.gif

式中:ε 为容器内气态天然气的等效介电常数,F/m。因此,当传感器内液位由零增加到H 时,其电容的变化量ΔC 可由式(1)和式(2)得:
QQ截图20141008091310.gif
由式(3)可知,参数ε、ε0、R1、R0 均为定值,所以电容的变化量与液位变化量ΔC 呈近似线性关系。因为参数ε、ε0、R1、R0、L都是定值,由式(2)变形可得:
QQ截图20141008091446.gif
式中:A0和B0为常数。
可见,传感器的电容量值CH 的大小与电容器浸入液体的深度H 呈线性关系。由此可知,只要测出电容值便能计算出LNG液位高度。

2、LNG电容式液位计的应用
    在车载LNG 气瓶中,常用的容积一般为500 L、450 L、375L、300 L、275 L、245 L、200 L、150 L 等,在LNG 气瓶制造过程中需要预先测量LNG 气瓶的空瓶电容值,再用手持式移动设备对气瓶的满瓶电容值进行设定。满瓶电容等于实测空瓶电容加上相应规格气瓶经验值。
    例如:450 L 测量得空瓶电容值一般为330 PF~340 PF(每只气瓶的初始电容略有不同),若450 L 经验值为80 PF,那么450L 满瓶电容值应为410 PF~420 PF。
    液位计变送器根据LNG 液位对应的电容值,将信号处理变为模拟信号通过电气线束输出给驾驶室的显示仪表上,方便驾驶员随时查看车辆液位信息。车载LNG 气瓶中电容式液位计的应用见图2。

车载LNG 气瓶中电容式液位计的应用
3、车载LNG 电容式液位计系统的实验性能对比
    根据车辆的实际使用的工况,模拟在极限工况下LNG电容式液位计的稳定性及精确性。液位计系统实验包括以下一些项目。

3.1 传感器绝缘电阻测试
    传感器植入气瓶前/后绝缘电阻测试:将电容式传感器信号线的导体和屏蔽层分别与绝缘电阻测试仪的两极相连接,将放电电压调至DC 1 000 V,放电1 min,记录此时绝缘电阻值。

3.2 系统参数存储恢复测试
    利用显示仪表进入工程调试界面,读取并记录保存的相关参数,之后任意更换变送器或者显示仪表,重新上电后,再次读取参数,并与更换前参数进行比较。

3.3 电容测量值稳定性测试
    显示仪表上电后,预热1 min,利用显示仪表进入工程调试界面,查看并记录当前电容(每隔10 s 一次,共6 次);断电后重新上电,并重复以上操作。

3.4 低液位安全预警和报警功能测试
    在正常静态精度测试的环境下,加满液体后,打开变送器外壳,人为断开传感器引线,模拟传感器断路、短路、显示仪表线未接入等故障,查看并记录显示仪表上有无文字提示或其他提醒报警功能。

3.5 静态精度测试
    称取并记录气瓶空瓶质量,给气瓶中加满液氮并记录满瓶质量。将气瓶放置在磅秤上稳定一段时间后开始放液,质量每减少一定单位抄写对应的显示溶剂并进行数据计算。

3.6 车辆行驶过程中显示容积值瞬间波动量测试
    在实验车辆平路行驶过程中,汽车分别按照以下工况运行:恒定的速度、加速、减速、爬坡、下坡,在各种工况时分别目测并记录显示仪表的瞬间波动量。
 
相关阅读:
4、车载LNG 电容式液位计应用中的不足和发展方向
 
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