电容式液位计在车载LNG气瓶中的应用进展研究

宿家郗，韩哲

（中国石油大学（华东），山东 青岛 266000）

电容式液位计在车载LNG气瓶中的应用进展研究

宿家郗，韩哲

（中国石油大学（华东），山东 青岛 266000）

作为一种新兴的高效、清洁能源，液化天然气应用范围越发广泛，其中以LNG为燃料的新能源汽车已广泛投入使用。车载LNG气瓶中液位的测量装置，是保障车辆安全运行不可或缺的附件。基于此，本文对在车载LNG气瓶中应用最为广泛的电容式液位计的发展状况进行分析，讨论了其在车载LNG气瓶中的应用进展及存在的问题。

电容式液位计；车载LNG气瓶；应用进展

在我国能源战略转型的背景之下，天然气的消费比例得到了不断提高，其高效廉价的特点，使LNG汽车数量也得到了不断增长。而在该类车辆的运行中，则需要对LNG气瓶中液位进行准确测量，以免因LNG液体不足导致车辆抛锚。在极端低温、严格控制成本的情况下，目前使用最为广泛的是电容式液位计，但是随着大批量应用，其也暴露了一些问题。因此，对电容式液位计在车载LNG气瓶中应用的研究，是发展更精确液位计，推广LNG汽车不可或缺的步骤。

1 电容式液位计发展情况

与磁致伸缩、雷达和超声波等形式的液位计相比，电容式液位计相对便宜，且使用寿命更长，应用范围更广。从工作原理上看，由于液体与所在环境介质之间介电常数的不同，当液位发生变化时，极板间电容值会发生变化，根据传感器检测电容变化，与理论值匹配，即可完成液位测量。传统电容式液位计能够在-200～250℃条件下工作，并且能够完成0～22m液位高度的测量，测量精度能够达到0.5级。但是，传统电容式液位计也存在容易受外界干扰和粘稠液体挂液等问题。针对这些缺陷，电容式液位计生产厂商都进行了各自改进型电容式液位计的研发和生产。

经过多年研究，栅状电容式液位计、分段电容式液位计及射频导纳液位计得以被提出。栅装电容式液位计对电极结构进行了改进，其传感器内部电极由折成6段的导线与元套筒构成。分段电容式液位计采用多段电容同时测量，利用不同段测量值相互比较，消除由于液体性质变化导致的误差。而射频导纳液位计则采用导纳测量，解决了挂料问题。目前，电容式液位计已经在工业测量中得到了广泛应用。

2 电容式液位计在车载LNG气瓶中的应用进展

2.1 应用原理

车载LNG气瓶需要在-162℃下储存，并且内部容器需要承受一定的压力，所以无法采用常规测量方法进行内部液体位置高度的测量。在常规工程中，通常将采用电容式液位计进行LNG体积的度量。从结构上来看，使用的电容式液位计由容式物位传感器和检测电容的线路构成，在对LNG体积进行测量时需要将金属棒探入溶液。而除了金属棒以外，则需要将容器壁当成是电容的另一个电极。车载LNG气瓶内部容器采用S30408焊接而成，可以被当成是液位计接地导体。在实际测量中，液位计上部将被气态天然气包围，下部则沉浸在液态天然气中。如果无可测量液位，则将由同轴绝缘导线与气瓶内部不锈钢管共同构成电容器，电容器形状为金属圆柱形，电容为C0，可以利用计算。

式中，电容量利用C0表示单位为F；容器内气态天然气等效介电常数为ε0，单位为F/m；最高液位利用L表示，不锈钢管半径利用R1表示，绝缘导线半径利用R0表示，单位均为m。如果气瓶中存在可测量液位，则可以利用CH进行绝缘电线与钢管间电容的表示，并利用公式进行计算。式中，气态天然气等效介电常数为ε，单位为F/m。由于ε0、ε、R1和R0均为固定参数，所以电容变化与液位变化呈现出线性关系，可以利用CH=A0+B0进行表示，A0和B0则为常数，所以传感器电容量大小与液体深度之间呈线性关系，可以通过测量电容值完成液位高度的计算。

2.2 应用研究进展

（1）应用过程。目前，在车载LNG气瓶中进行电容式液位计的应用，需要预先完成气瓶空瓶电容值的测量，然后才能进行气瓶满瓶电容值的设定，继而利用液位计进行测量。一般情况下，车载LNG气瓶容积可以划分为500L、450L、375L、300L、275L、245L、200L、150L等多个等级，在制造过程中就会完成空瓶电容值测量。在对满瓶电容值进行测量时，则需要使用手持移动设备。而满瓶电容应该为实测空瓶电容与规格气瓶经验值之和，如450L气瓶实测空瓶电容通常在330～340PF之间，经验值则为80PF，所以满瓶电容值在410～420PF之间。根据气瓶LNG液位对应电容值，液位计可以将采集的信号转变为模拟信号，并利用电气线束进行信号传输。而该信号将在驾驶室的仪表上得到显示，因此驾驶员就可以进行车辆液位信息的随时查看。

（2）性能比较。就现阶段而言，在进行车载LNG电容式液位计选择时，还要进行液位计性能的比较分析，以便结合车辆实际工况需求进行具有一定稳定性和精确性的液位计的选择。在这一环节，通常需要进行传感器绝缘电阻、系统参数存储恢复情况、电容测量值稳定性和低液位安全预警及报警功能等多项内容的测试。在对传感器绝缘电阻进行测试时，需要分别在传感器植入前后各进行一次测试。在测试的过程中，需要将传感器信号线导体和屏蔽层分别连接测试仪两极，并持续放电1分钟，放电电压为直流1000V，然后进行绝缘电阻值的记录。在对参数存储恢复情况进行测试时，需要先进入工程调试界面，然后利用仪表进行相关参数的读取和记录，并进行仪表或变送器更换。直至系统重新上电后，还要再次进行参数的读取和记录，然后进行前后比较。在对电容测试值的稳定性进行测试时，需要先将测试仪表上电预热1分钟，然后进入工程调试界面进行当前电容的查看，并每隔10s进行一次记录，记录总数为6次。在系统重新上电后，需重新执行之前的操作。在对低液位安全预警和报警功能进行测试时，需要使液位计处在正常静态精度测试条件下，并将液体加满。在此基础上，需将变送器外壳打开，然后将传感器引线人为断开，并对传感器短路和短路等故障进行模拟。通过确认仪表是否有文字显示或进行提醒，则可以完成仪表功能测试。在对静态精度进行测试时，需要进行气瓶空瓶质量的称取和记录，并将气瓶加满。完成气瓶质量记录后，需要在磅秤上将气瓶放置一段时间，然后进行放液。在放液过程中，气瓶质量每减少一定数量，则要进行对应显示容积的记录。最后，由于需要在车载LNG气瓶中进行电容式液位计的应用，所以还要对车辆行驶中容积值瞬间波动量进行测试。在具体测试时，还要使车辆分别以恒定速度、加速、减速、下坡和爬坡状态运行，然后进行仪表瞬间波动量的记录。

（3）应用不足。从电容式液位计在车载LNG气瓶中的实际应用情况来看，尽管该种液位计得到了广泛应用，但是也暴露了一定的问题。例如实测静态蒸发率总是超过额定蒸发率、瓶体的外管路密封较差，存在漏热漏气的现象导致罐体结冰。时间一久，变送器就会出现短路或密封圈老化等情况，从而导致液位计无法得到较好的固定。再者，车辆的频繁启动和行驶将导致电路出现电压波动，并引发液位计故障，甚至直接导致“烧表”问题的出现。最后，在气瓶内外，液位计将利用导线进行电器件连接。因此，液位计的测量精度将受到导线导电率、屏蔽层处理情况和低温柔性等多个因素的影响。

2.3 未来发展方向

液化天然气作为传统化石燃料的良好替代品将得到大规模的推广与应用，LNG在机动车领域的应用更是处于高速发展阶段。面对这样一种趋势，车载LNG液位计将随之发展。就当前的形式来看，利用电容式液位计进行LNG气瓶液位的测量是较为普遍的方法。现有的液位计基本采用单电容传感器，容易导致驾驶员因测量误差而对能耗产生错误判断，从而导致车辆中途抛锚。针对这一情况，现有较好的解决方案有采用内置一体的子母电容式传感器，利用子电容的测量值对整体的测量值进行修正来减少介电常数对测量值的影响。或者采用边缘效应式电容液位传感器，从而直接利用电容器的边缘效应进行准确测量，解决了目前平行板电容器液位测量方法中边缘效应产生的影响。相信随着相关技术的发展，在车载LNG气瓶中应用的电容式液位计将向着更加人性化、智能化和简便化的方向发展，以满足行业的当前需求。

3 结语

目前，电容式液位计由于其低成本、能经受极端低温的特性，广泛应用于车载LNG气瓶中，并在应用的同时得到了一系列的适应性发展。但是其暴露出的问题，如挂液现象严重、引线过多导致气瓶密封性能变差、边缘效应导致测量不准，依旧是不能忽略的。为此广大研究人员正在研发新的设备，如子母式电容、开放式平板电容等，相信未来电容式液位计将得到进一步发展，能够更加准确的测量车载LNG气瓶中液位余量，保障安全行驶。

[1]黄颖桦. 双电容LNG液位传感器的应用分析与市场发展战略[D].华南理工大学,2015.

[2]王美联. 双电容LNG液位智能传感器的研制[D].华南理工大学,2016.

[3]马小红,陈叔平,任永平等. LNG车载气瓶[J]. 煤气与热力,2011,09:14-18.

U469.7

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1671-0711（2017）04（下）-0119-02