張建斌 ，劉宇 ，殷齊平 ，王雄 ，劉洋

（1.北京華拓綠能科技有限公司，北京 102447；2.烏海市特種設(shè)備檢驗所，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

1 車用LNG焊接低溫絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的檢測現(xiàn)狀

TSG R0006-2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》明確規(guī)定，車用焊接絕熱氣瓶每3年檢驗1次。但車用絕熱氣瓶特有的夾層保溫結(jié)構(gòu)，使對氣瓶本身檢驗的難度很大，目前相應(yīng)的檢驗國家標(biāo)準(zhǔn)還未頒布，各省市積極投入研究車用焊接絕熱氣瓶的檢驗，部分省份已制定相應(yīng)的地方標(biāo)準(zhǔn)作為檢驗依據(jù)。

目前車用LNG氣瓶檢驗分為2種方式：將氣瓶拆卸下來的離線檢驗和不拆卸氣瓶的在線檢驗。車用LNG氣瓶通過配套的鋼架固定結(jié)構(gòu)與車輛連接，檢驗時，若將氣瓶拆卸下來成本非常高，而且拆裝過程中有損傷氣瓶的風(fēng)險，所以目前在線不拆卸檢驗的方式更受用戶和檢驗機(jī)構(gòu)的歡迎。根據(jù)GB/T 18443.5-2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗方法 第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測量》，要以液氮為試驗介質(zhì)。而LNG車輛都是單一能源，如果按照標(biāo)準(zhǔn)要求的方法，必須將被檢驗的氣瓶進(jìn)行氮氣置換、還需要配備液氮、LNG儲存設(shè)備，顯然這比較困難。

目前靜態(tài)蒸發(fā)率檢測有兩種方法，一是稱重法，二是流量計法。如果采用稱重法則勢必要將氣瓶拆卸檢測，并且稱重法的精度等級較低，人為移動或晃動氣瓶都將影響試驗結(jié)果，因此不推薦使用稱重法。采用流量計法測量也存在諸多弊端：基本都是單獨使用質(zhì)量流量計，配積算儀、大氣壓計、環(huán)境溫度計、環(huán)境濕度計，同時還無法準(zhǔn)確測量到流量計入口的壓力和溫度參數(shù)，并且所有的試驗數(shù)值都需要人為手工記錄，試驗結(jié)束后，根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)再進(jìn)行公式計算得出靜態(tài)蒸發(fā)率值。這就造成儀器設(shè)備種類繁多、人工成本高、計算易出錯、記錄數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等缺點。檢測過程均為單機(jī)單工位檢測，1臺設(shè)備只能檢驗1只氣瓶，工作效率較低。

因此，靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀是近3年行業(yè)內(nèi)在原有單獨流量計法檢測的基礎(chǔ)上研發(fā)出來的一款新產(chǎn)品。

2 行業(yè)內(nèi)靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀的不足之處

雖然目前國內(nèi)個別檢測機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始使用靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀，但是現(xiàn)行的設(shè)備中還有很多不能滿足GB/T 18443.5-2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗方法 第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測量》的標(biāo)準(zhǔn)要求，例如:

（1）標(biāo)準(zhǔn)中要求應(yīng)設(shè)置升溫裝置，一般質(zhì)量流量計的使用溫度范圍是5～45℃，升溫裝置的設(shè)置首先保證了流量計不受損壞，其次可以保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文論述的設(shè)備設(shè)置了自動/手動升溫器，與軟件控制系統(tǒng)和傳感器配合使用，可自動或手動設(shè)置升溫器開啟的溫度值。

（2）環(huán)境大氣壓值和對應(yīng)介質(zhì)的物性參數(shù)是參與到靜態(tài)蒸發(fā)率計算的，國內(nèi)現(xiàn)行的設(shè)備均采用表框計算，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，本文所述設(shè)備軟件中設(shè)置了中國各個地區(qū)大氣壓范圍的數(shù)據(jù)庫，在不同地區(qū)的使用過程中，會依據(jù)大氣壓傳感器實時檢測到的數(shù)值參與公式計算，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（3）標(biāo)準(zhǔn)要求兩個24h的結(jié)果誤差不能大于5%，目前國內(nèi)設(shè)備不具備結(jié)果的對比功能。

（4）還有很多不便于開展檢驗工作之處，例如沒有燃?xì)鈭缶b置，使用天然氣作為試驗介質(zhì)時一旦管路有泄漏，存在極大的安全隱患；試驗介質(zhì)單一，只能使用氮氣作為試驗介質(zhì)，無法真正實現(xiàn)車用LNG氣瓶的不拆卸在線檢測等。

針對上述不足，從硬件和軟件兩方面提出改進(jìn)意見，在充分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，進(jìn)一步提升產(chǎn)品與實際檢驗的符合程度，提升智能化數(shù)據(jù)的處理水平。

3 硬件開發(fā)

我們在充分解讀GB/T 18443.1-2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗方法 第1部分：基本要求》和GB/T 18443.5-2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗方法 第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測量》的基礎(chǔ)上，研發(fā)了適合不拆卸氣瓶、試驗介質(zhì)為LNG和液氮雙介質(zhì)可選、可移動測量的靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀。

測試儀采用雙箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計，將電器元件和氣體管路部件分箱體放置，集成加熱升溫裝置、流量計入口溫度、流量計入口壓力、質(zhì)量流量計、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境大氣壓等傳感器。通過控制裝置控制試驗進(jìn)程，采用射頻技術(shù)將測量到的瞬時流量、累計流量、流量計入口壓力、流量計入口溫度、環(huán)境大氣壓、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度等數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲僮髦鳈C(jī)，檢測人員無需到檢測現(xiàn)場，在操作主機(jī)上即可控制設(shè)備工作，并能實時顯示試驗數(shù)據(jù)，自動保存試驗記錄，一鍵生成試驗報告，大大節(jié)省了人工成本，降低了勞動強(qiáng)度。

質(zhì)量流量計采用天然氣為介質(zhì)標(biāo)定，設(shè)備可以適用于LNG車輛直接進(jìn)行檢測，無需氮氣置換，這樣就滿足了氣瓶不拆卸在線檢測的目的。同時，每臺靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀可以同時對2只LNG氣瓶進(jìn)行檢測，檢測效率可提升1倍。

圖1為靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀檢驗過程頁面。圖2～3為結(jié)構(gòu)示意圖。

4 信號采集及軟件開發(fā)

靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀軟件系統(tǒng)是在window7操作系統(tǒng)下，基于INTOUCH編程軟件，采用QuickScript語言開發(fā)而成，軟件實現(xiàn)的簡要流程圖見圖4。

（1）結(jié)果預(yù)判。靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀的結(jié)果預(yù)判功能，是在氣瓶流量穩(wěn)定后，根據(jù)當(dāng)前的瞬時流量推算24h后的靜態(tài)蒸發(fā)率值，此數(shù)據(jù)對試驗人員初步判定氣瓶是否合格具有重要作用。如果預(yù)判值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過合格標(biāo)準(zhǔn)，那么就可以不再繼續(xù)做完24h試驗，可先進(jìn)行抽真空或氦質(zhì)譜檢漏的工作，這樣進(jìn)一步節(jié)省了對不合格氣瓶檢測的周期。

圖1 靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀檢驗過程頁面

（2）信號處理及傳輸。在設(shè)計初期，我們采用了WIFI中繼器的數(shù)據(jù)傳輸模式，其工作原理是將所有檢測單元的WIFI信號與中繼器連接，中繼器再與操作主機(jī)連接，形成數(shù)據(jù)的通訊。但是在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)存在諸多問題，比如信號不穩(wěn)定，斷開連接后需要人為手動重新連接和設(shè)定，使用不方便，因此我們對信號的傳輸方式做了調(diào)整。靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀中的所有傳感器的輸出信號均為4～20mA。使用12位精度的西門子PLC采集模塊，采集并控制所有傳感器輸 出 的4～20mA信號。PLC將信號輸送給無線發(fā)射模塊，該種形式的模塊具有信號強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、性能穩(wěn)定的特點。PLC與操作主機(jī)通過雙向工業(yè)485通訊，主機(jī)先向PLC發(fā)射信號，提出接受數(shù)據(jù)的要求，PLC接收到主機(jī)的命令信號后給主機(jī)反饋相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。然后操作主機(jī)中的上位機(jī)軟件（INTOUCH）訪問PLC，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示在對應(yīng)的屏幕位置上，即完成數(shù)據(jù)的處理和傳輸。

軟件系統(tǒng)中錄入了環(huán)境大氣壓在80～120KPa范圍之內(nèi)所有與試驗介質(zhì)相關(guān)并且參與靜態(tài)蒸發(fā)率計算的物性參數(shù)，檢驗過程中根據(jù)監(jiān)測到的環(huán)境大氣壓數(shù)值，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相對應(yīng)的物性參數(shù)參與計算，滿足了國內(nèi)所有地區(qū)的實際的使用工況。

系統(tǒng)自動對比兩個24h的試驗結(jié)果，若誤差小于5%，則以第2個24h為最終結(jié)果，若誤差大于5%，則自動開始做3個24h測試，并以此結(jié)果作為最終結(jié)果。

圖2 氣體管路示意圖

圖3 電器元件示意圖

圖4 靜態(tài)蒸發(fā)率測試系統(tǒng)檢驗流程圖

（3）平板交互。為了實現(xiàn)整個氣瓶檢驗流程的快速和無紙化檢驗，系統(tǒng)中配置了可以與操作主機(jī)交互的平板電腦，在平板電腦上根據(jù)當(dāng)?shù)貙馄繖z驗項目的規(guī)定制作成檢驗的記錄和報告模板，操作人員在檢驗現(xiàn)場可將實際檢驗情況直接錄入平板電腦，無需紙質(zhì)記錄。平板電腦與操作主機(jī)通過局域網(wǎng)進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的傳輸交互，用平板電腦記錄的氣瓶信息、檢驗情況均可一鍵傳輸給操作主機(jī)，并在主機(jī)上形成數(shù)據(jù)庫和氣瓶全流程檢驗報告，大大節(jié)省了填寫記錄和報告的時間，進(jìn)一步降低檢驗人員的勞動強(qiáng)度。

（4）電子審批。測試結(jié)束后，系統(tǒng)將檢測數(shù)據(jù)和檢測報告上傳至云服務(wù)器，在云服務(wù)器生成不可修改的檢驗報告，通過軟件選擇試驗和審核人員，系統(tǒng)將自動將報告?zhèn)鬟f給相關(guān)人員，并設(shè)置強(qiáng)制閱覽后才可點擊提交或?qū)徟?，并設(shè)置電子簽名，除檢驗環(huán)節(jié)實現(xiàn)無紙化辦公外，在報告審批過程中同樣實現(xiàn)無紙化辦公，報告審批流程全程在云服務(wù)器上完成，減少報告在審批人之間的流轉(zhuǎn)，進(jìn)一步有效降低報告的審閱周期。

通過上述硬件和軟件的開發(fā)，使靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀充分符合GB/T 18443.1-2010和GB/T 18443.5-2010的要求。

5 試驗室性能測試

為了驗證靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們在試驗室使用3支275L車用LNG氣瓶和1支195L立式工業(yè)低溫瓶分別采用靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀和稱重法進(jìn)行了多次對比試驗。其中3支LNG氣瓶的試驗在北京進(jìn)行，1支立式工業(yè)低溫瓶的試驗在包頭進(jìn)行。

（1）試驗方法及數(shù)據(jù)。試驗方法：試驗室的測試均為單獨氣瓶測試，車用LNG氣瓶采用LNG為試驗介質(zhì)，立式工業(yè)低溫瓶采用液氮為試驗介質(zhì)，測試環(huán)境溫度保持在16℃。稱重法所采用的地秤為梅特勒-托利多（常州）測量技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號為PNM1/2-0808-560的電子地上衡，分度值為0.2kg。將瓶內(nèi)的液體充至額定充滿量，僅打開放空閥，關(guān)閉其它所有閥門，靜置24h，使瓶內(nèi)液體達(dá)到熱平衡，測試時長分別為48h，試驗結(jié)果見表1。

（2）數(shù)據(jù)對比及分析。根據(jù)表1的試驗數(shù)據(jù)，通過以下兩種途徑進(jìn)行比較分析：①兩種試驗方法的數(shù)據(jù)對比。通過對上述4支氣瓶進(jìn)行的對比試驗，結(jié)果顯示傳統(tǒng)稱重法測量的試驗結(jié)果與靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀自動計算的結(jié)果十分接近， 其誤差均在5%以內(nèi)，借鑒GB/T 18443.5-2010，其中規(guī)定兩個24h測量的靜態(tài)蒸發(fā)率結(jié)果變化范圍應(yīng)小于5%，實際用兩種方法測量的結(jié)果誤差均小于5%，因此證明靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀測試的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。②靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀第1個24h和第2個24h試驗的結(jié)果對比。通過上述4支氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀兩個24h測量結(jié)果來看，變化誤差均小于5%，同時結(jié)合焊接絕熱氣瓶檢驗的實際現(xiàn)狀，我們認(rèn)為測量24h就能夠說明氣瓶的絕熱性能，從而縮短了檢驗周期，實現(xiàn)了在線快速檢測。

表1 試驗室測試數(shù)據(jù)

6 現(xiàn)場應(yīng)用測試

現(xiàn)場在線檢測與實驗室檢測的最大區(qū)別在于，實驗室的環(huán)境相對穩(wěn)定，參與計算的環(huán)境溫度、濕度、大氣壓的變化不大，而現(xiàn)場在線檢測中，不同地區(qū)、不同時間的環(huán)境溫度、濕度、大氣壓不一致，因此現(xiàn)場測試的綜合環(huán)境更為復(fù)雜。

在線檢測需要先將車輛上的LNG氣瓶充滿至額定充滿率，然后將車輛停放至指定的試驗地點，一般在檢測站附近會有定點加液站，距離在2～3km左右，在這個短距離的車輛行駛階段，僅消耗1～2L液化天然氣，對檢測的影響微乎其微，我們認(rèn)為可以接受。

為了驗證靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀的可靠性和現(xiàn)場檢測能力，在烏海市特種設(shè)備檢測中心的氣瓶檢測基地，對100只車用LNG氣瓶做了不拆卸氣瓶的在線檢測，試驗介質(zhì)使用LNG，選取其中10只氣瓶的試驗數(shù)據(jù)。

（1）測試過程。車輛充滿LNG停放至指定位置后，打開放空閥，關(guān)閉其它所有閥門靜置24h，連接靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀，在操作主機(jī)上點擊“試驗開始”，開始進(jìn)行靜態(tài)蒸發(fā)率測試，測試時長為24h。測試現(xiàn)場見圖5、6所示。

圖5 現(xiàn)場在線檢測

圖6 現(xiàn)場在線檢測

（2）測試數(shù)據(jù)。測試過程中系統(tǒng)能根據(jù)設(shè)定的時間間隔，自動記錄試驗數(shù)據(jù)，包括瞬時流量、累計流量、環(huán)境大氣壓、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度、流量計入口溫度、流量計入口壓力。這些數(shù)據(jù)自動保存為excel格式文檔，并存于操作主機(jī)E盤的根目錄下，試驗結(jié)束后能夠自動計算24h的靜態(tài)蒸發(fā)率結(jié)果。

10只車用LNG氣瓶的檢驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 現(xiàn)場在線檢測試驗結(jié)果

由于目前國家還沒有頒布關(guān)于低溫氣瓶定期檢驗的國家標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗根據(jù)DB35/T 1517《汽車用液化天然氣焊接絕熱氣瓶定期檢驗規(guī)則》第8.2.3.5條的規(guī)定：液化天然氣靜態(tài)蒸發(fā)率計算值不大于3%/d，絕熱性能為合格。因此該10只氣瓶的試驗結(jié)果均合格。

檢驗記錄及報告輸出。系統(tǒng)自動生成的檢驗記錄如圖7所示，一鍵生成的檢驗報告如圖8所示。

（1）極端環(huán)境下測試。為了驗證靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀在高溫和低溫環(huán)境下的使用情況，分別將設(shè)備于7月份放在烏海和12月份放在沈陽進(jìn)行實際檢測，烏海在7月份白天的溫度高達(dá)40℃，沈陽在12月份的最低溫度低至-25℃，通過實際測試，設(shè)備均能正常工作，無異常現(xiàn)象發(fā)生。

（2）測試結(jié)論。靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀及主機(jī)持續(xù)運行96h，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，沒有出現(xiàn)死機(jī)、黑屏等故障；靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀能夠持續(xù)自動記錄試驗數(shù)據(jù)，能夠顯示試驗結(jié)果預(yù)判值；24h試驗結(jié)束后，能自動計算試驗結(jié)果，并判斷是否合格；能夠一鍵自動生成試驗報告；1臺設(shè)備可以同時檢測2只氣瓶，提高了工作效率；可在極端環(huán)境溫度下正常工作；現(xiàn)場測試的環(huán)境完全符合GB/T 18443.1-2010和GB/T 18443.5-2010的要求，所有硬件、軟件均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可以保證測試數(shù)據(jù)的真實、準(zhǔn)確、有效。

7 經(jīng)濟(jì)性和安全性分析

（1）經(jīng)濟(jì)性。靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀的研發(fā)充分滿足了GB/T 18443.5-2010標(biāo)準(zhǔn)的要求，滿足了車用LNG氣瓶不拆卸在線檢測的實際需求，節(jié)省了氣瓶原介質(zhì)排空和用氮氣置換的費用，以一支275L氣瓶為例，在剩余1/4液體（約62L）時進(jìn)行檢驗，需要將剩余的液體排空，LNG價格按照6元/kg計算，則損失約158元，還需要用3瓶40L高壓氮氣瓶進(jìn)行氮氣置換，費用約150元，再向瓶內(nèi)充裝200kg液氮做試驗，約1000元，則如果采用在線檢測可節(jié)省1308元。

（2）安全性。在線檢測均使用LNG作為試驗介質(zhì)，因此在安全性上要做好進(jìn)一步的保障。設(shè)備中配備燃?xì)鈭缶?，一旦檢測到燃?xì)庑孤?，設(shè)備本身和操作主機(jī)頁面均會以聲、光的方式發(fā)出警報，同時檢測工作應(yīng)在指定位置開展，須在被檢測氣瓶上做接地裝置，設(shè)備出氣口應(yīng)引至高出車頂1.5m的距離以實現(xiàn)高位排空，試驗現(xiàn)場嚴(yán)禁明火和使用無線通訊設(shè)備，以保證測試過程中的安全性。

8 結(jié)語

根據(jù)GB/T 18443.1-2010和GB/T 18443.5-2010中對靜態(tài)蒸發(fā)率測試的原理和要求，以質(zhì)量流量計測試方法為基礎(chǔ)，采用模塊化設(shè)計思想，利用無線發(fā)射技術(shù)，成功研發(fā)了一款智能靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀，該套系統(tǒng)可在很大程度上將檢驗人員從落后和效率低的檢驗工作中解放出來，極大提高了檢驗效率，實現(xiàn)了靜態(tài)蒸發(fā)率在線快速檢測及檢測的準(zhǔn)確性。

圖7 系統(tǒng)自動生成的檢驗記錄

圖8 系統(tǒng)自動生成的檢驗報告

通過實驗室和現(xiàn)場應(yīng)用測試，得出以下結(jié)論：避免試驗過程中使用繁多的儀器設(shè)備，將所需要的儀器設(shè)備集成為一體機(jī)；避免人為記錄數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均由系統(tǒng)自動記錄；避免人工計算靜態(tài)蒸發(fā)率的結(jié)果，由系統(tǒng)自動計算；避免試驗后人為編寫試驗報告，系統(tǒng)可一鍵生成報告；為了節(jié)省人力，所有試驗數(shù)據(jù)可通過低頻無線傳輸至操作主機(jī)；避免突然斷電后丟失試驗數(shù)據(jù)，意外斷電后自動保存試驗數(shù)據(jù)，來電后并能繼續(xù)試驗；試驗介質(zhì)為LNG和液氮可選；避免在使用天然氣做試驗時，出現(xiàn)氣體與電器件接觸發(fā)生電火花的風(fēng)險，該設(shè)備做成雙機(jī)箱設(shè)計，1個機(jī)箱放置氣路組件，另外1個機(jī)箱放置電器組件；為了提高工作效率，本設(shè)備可同時對8只焊接絕熱氣瓶進(jìn)行靜態(tài)蒸發(fā)率檢測，操作主機(jī)的頁面可同時顯示8個通道的試驗狀態(tài)，并能同時監(jiān)測8個通道的所有檢測數(shù)據(jù)；為了提高工作效率，車用LNG氣瓶使用此四機(jī)八工位智能靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀，可實現(xiàn)不拆卸氣瓶在線檢測。通過與傳統(tǒng)稱重法試驗數(shù)據(jù)的對比，判定靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀檢測的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。本文論述的靜態(tài)蒸發(fā)率測試儀的各項硬件和軟件均能滿足GB/T 18443.1-2010和GB/T 18443.5-2010的各項規(guī)定。

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