摘要：簡要介紹了 LNG 電容式液位計的使用原理，總結(jié)分析了車載LNG 氣瓶電容式液位計實驗項目及實際應(yīng)用中存在的問題，并對車載LNG 氣瓶電容式液位計的發(fā)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(yīng)用于工業(yè)及民用各種容器的液位測量，并得到好評。隨著近兩年LNG 卡車在物流中的批量應(yīng)用，電容式液位計在車載LNG氣瓶中的應(yīng)用也越來越普及。但是隨著大批量的推廣應(yīng)用，電容式液位計在車載LNG 氣瓶中的應(yīng)用也暴露出不少問題，還存在諸多需要改進和優(yōu)化的項目，例如針對低溫液體的相對介電系數(shù)比較小，容易導(dǎo)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
由于LNG 的儲存溫度為－162 ℃且內(nèi)容器受壓，常規(guī)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系統(tǒng)。電容式液位計是根據(jù)電容的變化來實現(xiàn)液位高度測量的液位儀表，電容式液位計的主要構(gòu)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。
LNG 氣瓶內(nèi)容器由S30408 焊接而成，其為液位計的接地導(dǎo)體，測量時液位計的上部處于氣態(tài)天然氣中，下部處于液態(tài)天然氣中。
當(dāng)可測量液位H＝0 時，不銹鋼管與同軸絕緣導(dǎo)線構(gòu)成的金屬圓柱形電容器之間存在電容C0，根據(jù)文獻得到電容量計算公式為：
式中：C0 為電容量，F(xiàn)；ε0 為容器內(nèi)氣態(tài)天然氣的等效介電常數(shù)，F(xiàn)/m；L 為LNG 液位最大高度；R1為不銹鋼管半徑，m；R0為絕緣導(dǎo)線半徑，m。
當(dāng)可測量液位為H 時，不銹鋼管與同軸絕緣電線之間存在的電容CH 為：
式中：ε 為容器內(nèi)氣態(tài)天然氣的等效介電常數(shù)，F(xiàn)/m。因此，當(dāng)傳感器內(nèi)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：
由式（3）可知，參數(shù)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(guān)系。因為參數(shù)ε、ε0、R1、R0、L都是定值，由式（2）變形可得：
式中：A0和B0為常數(shù)。
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(guān)系。由此可知，只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(yīng)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 氣瓶制造過程中需要預(yù)先測量LNG 氣瓶的空瓶電容值，再用手持式移動設(shè)備對氣瓶的滿瓶電容值進行設(shè)定。滿瓶電容等于實測空瓶電容加上相應(yīng)規(guī)格氣瓶經(jīng)驗值。
例如：450 L 測量得空瓶電容值一般為330 PF～340 PF（每只氣瓶的初始電容略有不同），若450 L 經(jīng)驗值為80 PF，那么450L 滿瓶電容值應(yīng)為410 PF～420 PF。
液位計變送器根據(jù)LNG 液位對應(yīng)的電容值，將信號處理變?yōu)槟M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(yīng)用見圖2。
3、車載LNG 電容式液位計系統(tǒng)的實驗性能對比
根據(jù)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(wěn)定性及精確性。液位計系統(tǒng)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/后絕緣電阻測試：將電容式傳感器信號線的導(dǎo)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(diào)至DC 1 000 V，放電1 min，記錄此時絕緣電阻值。
3.2 系統(tǒng)參數(shù)存儲恢復(fù)測試
利用顯示儀表進入工程調(diào)試界面，讀取并記錄保存的相關(guān)參數(shù)，之后任意更換變送器或者顯示儀表，重新上電后，再次讀取參數(shù)，并與更換前參數(shù)進行比較。
3.3 電容測量值穩(wěn)定性測試
顯示儀表上電后，預(yù)熱1 min，利用顯示儀表進入工程調(diào)試界面，查看并記錄當(dāng)前電容（每隔10 s 一次，共6 次）；斷電后重新上電，并重復(fù)以上操作。
3.4 低液位安全預(yù)警和報警功能測試
在正常靜態(tài)精度測試的環(huán)境下，加滿液體后，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，查看并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(tài)精度測試
稱取并記錄氣瓶空瓶質(zhì)量，給氣瓶中加滿液氮并記錄滿瓶質(zhì)量。將氣瓶放置在磅秤上穩(wěn)定一段時間后開始放液，質(zhì)量每減少一定單位抄寫對應(yīng)的顯示溶劑并進行數(shù)據(jù)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并記錄顯示儀表的瞬間波動量。
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4、車載LNG 電容式液位計應(yīng)用中的不足和發(fā)展方向
