成功案例| Kistler高端压力传感器支持科研人员探索液体晃荡的机理

货舱容载系统（CCS）中储藏了液化天然气，荷兰海洋研究所MARIN为了深入探究它的复杂物理特性，专门开发出一套测试系统，并将之命名为“大气”（ATM）。ATM中安装了100个Kistler的压力传感器，可准确测量出晃荡过程中波浪的冲击力。该项目不仅可帮助改进液化天然气CCS系统的设计，将来还能服务于液氢CCS系统。

荷兰海洋研究所（MARIN）的”大气“系统内部视图，其水槽中产生的晃荡由100个Kistler压力传感器进行测量

从全球来看，天然气是清洁及可持续能源供应的基石。能源运输主要通过管路或轮船，船运是最为经济的方式，尤其是长距离运输。液化天然气运输途中保持在-162度，专门由特种LNG船运输，这种船只辨识度很高，因为船上有巨型的半球形储罐。全球已有600只这种运输船在服役，对这种船只的市场需求还在不断增长。这种船只的储罐依然有很大的优化空间，但这需要对物理机理上开创性的研究。比如储罐内的晃荡现象，还未被人们完全探究清楚。晃荡即是储罐内液体在外力作用（比如船体横摇）下产生运动的过程。MARIN在此扮演了重要角色。

特种LNG船在全世界范围内通过储罐运输液化天然气

荷兰海洋研究所（MARIN）位于瓦格宁根，是国际知名的海洋研究中心。从1932年起，MARIN逐步建立起结合了数值模拟和试验研究的综合性科研平台，拥有各类大型船舶模型和水池，用于模拟实船的测试。有了来自于荷兰各大学、企业伙伴和政府基金的支持，他们从2016年着手建立一个新的全球独有的实验设施ATM。ATM是一个大型的试验设施，可以生成各种环境条件，比如可产生0.02~10bar压力，温度可控制在15~200度，适度可控制在0~100%，从而在真实的LNG储罐中模拟晃荡过程。ATM放置于高压釜中，外径2.5m，长度15m，人们甚至可以进入到其内部，在设备外还可通过17个观测窗口查看内部情况。

MARIN研究所位于荷兰瓦格宁根，Kistler为其”大气“晃荡测试系统的高压釜中（左）的压力传感器定制线缆解决方案

在各种环境条件下获得准确的测试结果

Rodrigo Ezeta，MARIN中的一位研究人员，他拥有流体物理博士学位，如此说道：“ATM提供了各种环境下压力和温度控制的全覆盖。这与LNG船容载系统相对应，系统运行一直处于气液两相的边界。它将让我们可以更好理解真实储罐中发生的晃荡现象。”高压釜中有引水槽，可产生人工波浪。在波浪拍击到壁面时，Kistler的压力传感器可以非常精准得记录下冲击力，有100个传感器以T型阵列布置在壁面。Ezeta补充道：“在设备调试阶段，T型布局可以最准确地测出冲击力。T型阵列上部的传感器可以详细捕获浪尖处得冲击力，下部的传感器可以辨识出波浪和墙壁之间产生的气囊。”依据Ezeta所说，研究已经表明，气囊和浪尖产生的冲击，有不可忽视的作用，最终会对储罐产生不利影响。

100个Kistler压电式压力传感器601C以T型阵列布置MARIN的测试设备壁面，用于测量晃荡过程中波浪的冲击力

100个传感器的信号同步

Kistler的压力传感器有非常高的固有频率和极端的上升时间，可以捕获水槽中高动态的晃荡冲击过程。Kistler传感器前端膜片经过特殊设计，当传感器突然暴露在气液态转换的状态下时，能够极大地减小热冲击的影响。为了减小噪音和偏置影响，Kistler使用了特制的电缆，将信号由真空管导出。信号调理和采集由25个自动时钟同步的设备完成，型号为LabAmp 5165A，它可将100个传感器的原始信号转换为数字信号并记录下来，采样率达到100k。

准确捕捉波浪冲击：100个Kistler压力传感器的信号调理和数据采集由25个LabAmp电荷放大器完成，在100kHZ的采样频率下自动同步

“我们对Kistler的解决方案非常满意。它很可靠，很坚固，几乎无懈可击地工作。

——MARIN研发部 Rodrigo Ezeta

MARIN的ATM系统主要研究目标是什么？大家有怎样的预期？“安装工作全面铺开是从2020年初开始，我们的研究还刚刚开始。一个主要的目标是要改善行业中一直使用的缩尺模型，”Ezeta说到。目前，晃荡试验都是在一个小型储罐中进行，由一个六足定位机器人运动来实现。但是当晃荡被放大到真实尺度时，实际情况与试验结果会形成较大偏差，这是复杂的物理机制导致的。“我们的主要目标就是减少不同尺度下的不确定性。一个关键问题是，为什么压强变化这么大。”

试验结果有望用于液氢储罐的设计

“截至目前的研究已经表明，全面考虑所有物理参数和作用是非常重要的，”Ezeta提到。“我们的实验结果将促使人们更好地理解储罐内所发生的一切，这将有助于改进测试方法。不仅如此，我们的研究可用于设计装载液氢新型的储罐。”理论上，氢气比天然气更适合用作燃料，因此它的燃烧不产生任何温室气体。但氢气的液化温度很低，仅为20K（即大气压下的-253度）。世界第一个液氢储罐将从2021年投入运营。Rodrigo Ezeta总结他的测试经历：“我们非常满意与Kistler的合作。有了Kistler的传感器，我们将获得成功的测试结果，这些传感器有非常好的长期稳定性，使用寿命也很长。ATM系统有其独特的优势，可提供精确测量，我们始终寻求与科研院所和不同行业的合作。我们的ATM为所有人开放！”

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