Kistler高端壓力傳感器支持科研人員探索液體晃蕩的機理

貨艙容載系統（CCS）中儲藏了液化天然氣，荷蘭海洋研究所MARIN為了深入探究它的復雜物理特性，專門開發出一套測試系統，并將之命名為“大氣”（ATM）。ATM中安裝了100個Kistler的壓力傳感器，可準確測量出晃蕩過程中波浪的沖擊力。該項目不僅可幫助改進液化天然氣CCS系統的設計，將來還能服務于液氫CCS系統。

從全球來看，天然氣是清潔及可持續能源供應的基石。能源運輸主要通過管路或輪船，船運是最為經濟的方式，尤其是長距離運輸。液化天然氣運輸途中保持在-162度，專門由特種LNG船運輸，這種船只辨識度很高，因為船上有巨型的半球形儲罐。全球已有600只這種運輸船在服役，對這種船只的市場需求還在不斷增長。這種船只的儲罐依然有很大的優化空間，但這需要對物理機理上開創性的研究。比如儲罐內的晃蕩現象，還未被人們完全探究清楚。晃蕩即是儲罐內液體在外力作用（比如船體橫搖）下產生運動的過程。MARIN在此扮演了重要角色。

荷蘭海洋研究所（MARIN）位于瓦格寧根，是國際知名的海洋研究中心。從1932年起，MARIN逐步建立起結合了數值模擬和試驗研究的綜合性科研平臺，擁有各類大型船舶模型和水池，用于模擬實船的測試。有了來自于荷蘭各大學、企業伙伴和政府基金的支持，他們從2016年著手建立一個新的全球獨有的實驗設施ATM。ATM是一個大型的試驗設施，可以生成各種環境條件，比如可產生0.02~10bar壓力，溫度可控制在15~200度，適度可控制在0~100%，從而在真實的LNG儲罐中模擬晃蕩過程。ATM放置于高壓釜中，外徑2.5m，長度15m，人們甚至可以進入到其內部，在設備外還可通過17個觀測窗口查看內部情況。

在各種環境條件下獲得準確的測試結果

Rodrigo Ezeta，MARIN中的一位研究人員，他擁有流體物理博士學位，如此說道：“ATM提供了各種環境下壓力和溫度控制的全覆蓋。這與LNG船容載系統相對應，系統運行一直處于氣液兩相的邊界。它將讓我們可以更好理解真實儲罐中發生的晃蕩現象。”高壓釜中有引水槽，可產生人工波浪。在波浪拍擊到壁面時，Kistler的壓力傳感器可以非常精準得記錄下沖擊力，有100個傳感器以T型陣列布置在壁面。Ezeta補充道：“在設備調試階段，T型布局可以最準確地測出沖擊力。T型陣列上部的傳感器可以詳細捕獲浪尖處得沖擊力，下部的傳感器可以辨識出波浪和墻壁之間產生的氣囊。”依據Ezeta所說，研究已經表明，氣囊和浪尖產生的沖擊，有不可忽視的作用，最終會對儲罐產生不利影響。

100個傳感器的信號同步

Kistler的壓力傳感器有非常高的固有頻率和極端的上升時間，可以捕獲水槽中高動態的晃蕩沖擊過程。Kistler傳感器前端膜片經過特殊設計，當傳感器突然暴露在氣液態轉換的狀態下時，能夠極大地減小熱沖擊的影響。為了減小噪音和偏置影響，Kistler使用了特制的電纜，將信號由真空管導出。信號調理和采集由25個自動時鐘同步的設備完成，型號為LabAmp 5165A，它可將100個傳感器的原始信號轉換為數字信號并記錄下來，采樣率達到100k。

我們對奇石樂的解決方案非常滿意。它很可靠，很堅固，幾乎無懈可擊地工作。"MARIN研發部 Rodrigo Ezeta。

MARIN的ATM系統主要研究目標是什么？大家有怎樣的預期？“安裝工作全面鋪開是從2020年初開始，我們的研究還剛剛開始。一個主要的目標是要改善行業中一直使用的縮尺模型，”Ezeta說到。目前，晃蕩試驗都是在一個小型儲罐中進行，由一個六足定位機器人運動來實現。但是當晃蕩被放大到真實尺度時，實際情況與試驗結果會形成較大偏差，這是復雜的物理機制導致的。“我們的主要目標就是減少不同尺度下的不確定性。一個關鍵問題是，為什么壓強變化這么大。”

試驗結果有望用于液氫儲罐的設計

“截至目前的研究已經表明，全面考慮所有物理參數和作用是非常重要的，”Ezeta提到。“我們的實驗結果將促使人們更好地理解儲罐內所發生的一切，這將有助于改進測試方法。不僅如此，我們的研究可用于設計裝載液氫新型的儲罐。”理論上，氫氣比天然氣更適合用作燃料，因此它的燃燒不產生任何溫室氣體。但氫氣的液化溫度很低，僅為33K（即大氣壓下的-253度）。世界第一個液氫儲罐將從2021年投入運營。Rodrigo Ezeta總結他的測試經歷：“我們非常滿意與Kistler的合作。有了Kistler的傳感器，我們將獲得成功的測試結果，這些傳感器有非常好的長期穩定性，使用壽命也很長。ATM系統有其獨特的優勢，可提供精確測量，我們始終尋求與科研院所和不同行業的合作。我們的ATM為所有人開放！”

荷蘭海洋研究所（MARIN）的”大氣“系統內部視圖，其水槽中產生的晃蕩由100個Kistler壓力傳感器進行測量。

特種LNG船在全世界范圍內通過儲罐運輸液化天然氣。

100個Kistler壓電式壓力傳感器601C以T型陣列布置MARIN的測試設備壁面，用于測量晃蕩過程中波浪的沖擊力。

MARIN研究所位于荷蘭瓦格寧根，Kistler為其”大氣“晃蕩測試系統的高壓釜中（左）的壓力傳感器定制線纜解決方案。