估算以低温贮存的多相流体的体积和质量的装置和方法制造方法及图纸

提供了一种用于估算低温罐中的流体质量的装置和方法，所述低温罐保持包括液体和蒸气的多相流体。所述装置包括液面传感器、压力传感器和计算机。所述液面传感器提供表示所述液体的液面的参数。所述压力传感器提供表示所述低温罐内的蒸气压力的压力信号。所述计算机可操作地与所述液面传感器和所述压力传感器连接以接收所述参数和所述压力信号，且被编程以从包括所述参数的输入来确定所述液面，从包括所述液面的输入计算所述液体的第一体积，以及从包括所述第一体积和所述压力信号的输入来计算所述液体的第一质量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】估算以低温贮存的多相流体的体积和质量的装置和方法
公开了一种用于估算以低温温度贮存在器皿中的多相流体的体积和质量的装置和方法。当所述多相流体是被车辆消耗的燃料时，所述装置和方法可被用于估算车辆行车范围。
技术介绍
采用替代燃料例如液化天然气（LNG）以为机动车辆提供动力具有如下一些优势：与常规碳氢燃料例如汽油和柴油相比，既经济又对环境无害。因此，对排他地通过LNG加燃料的车辆以及对发动机能够从除了LNG之外的汽油或柴油加燃料的双燃料车辆存在不断增长的需求。汽油和柴油是不可压缩的液体，因此不同于气体燃料，它们的密度不会作为压力的函数而改变。汽油或柴油的热值基本恒定，且与压力正交。测量保留在燃料罐中的汽油或柴油的体积提供了充足的信息来确定可用于为车辆提供动力的能量值。对于LNG，情况并非如此。测量LNG的体积为车辆操作者提供了如下信息：他们可使用所述信息来估算何时行至一个加油站是必要的。然而，LNG的密度是温度、压力和流体成分的函数，从而任何给定体积中的能量值是可变的。在典型贮存LNG的压力和温度时，它是多相流体，且液化气体的密度作为饱和压力和温度的函数是可改变的。与汽油或柴油相比，燃料罐中的液体体积的测量提供了较小精度的信息来估算可用于为车辆提供动力的能量值。例如，在典型贮存条件下，低温贮存罐中的LNG的密度可改变高达20%或者更多。由于罐绝缘的有限热阻力导致从外部环境到低温空间中的热泄漏，所以LNG沸腾和自然膨胀，从而低温贮存罐内的蒸气压力改变。然而，对于给定质量的LNG，可用于为车辆提供动力的能量值是相同的，尽管它的体积和密度可改变20%。因而，确定LNG的质量提供了对其能量值从而对车辆的燃料续航力（fuellingrange）的更加精确的估算。已知使用液面（level）传感器来测量低温贮存罐中的LNG的液体液面。然而，精确地测量保持在贮存罐中的低温液体的液体液面仍是一种挑战性的应用。可能尤其挑战的是精确测量移动贮存罐（例如，贮存LNG的车辆燃料罐）中的低温液体的液体液面。存在采用液面传感器来确定保持在贮存罐内的低温液体的液体液面的可用的多种已知方法。存在各种类型的液面传感器，包括机械浮子型液面传感器、基于压力的液面传感器、超声液面传感器和电容型液面传感器。已知使用电容型液面传感器用于测量低温贮存罐内侧的液体液面。已证明，电容型液面传感器尤其好地适于测量贮存罐中的LNG的液面。电容型液面传感器的演变已经提供了为特定应用需求定制的不同复杂度和精度的传感器。电容型液面传感器的基本运行原理是在罐内待被测量液体液面处布置两个导体。所述导体是通过提供电介质材料的空间而电绝缘的。也就是说，导体之间的、液体或蒸气形式的LNG用作电介质材料。导体及其间的电介质材料的组合提供了电容器。电容器的电容直接成比例于导体的表面面积、分隔导体的距离和它们之间的电介质材料的有效介电常数。随着液体液面在罐内上升或降低，导体之间的电介质的有效介电常数改变，同样电容也改变。通过检测电容器的电容的变化，罐中的液体的液面可被确定。出于该应用的目的，低温燃料包括在大气压力下、在-100℃时或-100℃以下的温度沸腾的那些液体燃料。例如，LNG在大气压力下、在约-162℃沸腾。尽管本专利技术关于LNG来讨论，但是通常同样可适用于其他多相流体，例如甲烷、乙烷、丙烷、碳氢衍生物、氢气、氮气、氩气和氧气。本领域普通技术人员将理解。精确检测保留用于车辆燃料罐应用的液体的液面是重要的，因为不精确的液面测量的后果可导致：如果燃料用尽，则车辆搁浅；或者，如果车辆比必要时需要更频繁地再加燃料（re-fuelled），则降低运行效率。此外，对于使用高压泵将燃料递送至发动机的车辆，当燃料罐是空的时，如果泵频繁地运行，则泵的部件可能加速磨损。在对低温贮存罐再加燃料（refuelling）时，缺量空间需要被提供用于由于低温液体沸腾造成的蒸气的自然膨胀。LNG的一个挑战是，在许多应用中，一旦递送到贮存罐中，当LNG变暖时，需在额外的空间中膨胀。过量的热泄漏到低温罐中以及导致LNG自身膨胀将导致低温液体沸腾。最终，由于持续热泄漏，LNG将沸腾或蒸发，导致在贮存罐中构建压力。使用缺量空间的一个问题是，难以在填充时留下足够的空间。换句话说，再加燃料必须在贮存罐填满液体之前的某一预定时间点停止。理想地，缺量空间应当足够大以允许LNG膨胀，但又足够小以最大化可保持在罐中的低温流体的量，从而最大化再加燃料之间的时间。如上面所提及的，重要的是，在天然气车辆运行中，其中燃料系统试图最大化它们可在车辆上可用的有限空间中贮存的体积，同时最小化用于贮存该燃料的空间。已开发了多种设备来确定留下足够的缺量空间的填充点。视觉填充线（如果使用）可能不提供所要求精确度的液面。此外，考虑到许多罐的双壁、真空绝缘结构，不易于提供穿透至内部器皿的观察孔。止动机构例如截流浮子或截流阀需要内部器皿内的机械零件。这向贮存罐中引入了机械故障点，所述机械故障点在每次填充期间或每次填充之间经受磨损。已在低温贮存罐中使用了液面传感器。但是，为了校准液面传感器，传统地，贮存罐需要填充，出于多种原因这是成问题的。首先，当需要缺量空间且不存在视觉填充线时，这是难以实现的。其次，在制造时对贮存罐的填充是不期望的，因为罐在校准之后继而需要被清空，以用于装运。此外，一旦液面传感器被组装到罐中，如果为了校准目的而需要获得进一步的进入是困难的。在2005年5月17日授权给Breed等人的美国专利No.6,892,572公开了一种用于确定车辆的燃料罐中的液体的量的系统，所述车辆经受由于车辆的辊和前轮外倾角的移动或变化而造成的变化的外力，其中所述罐被安装至所述车辆，且沿着车辆的横摆轴线而经受力。一个或多个罐负荷单元提供成比例地表示其上的负荷的输出。负荷单元被放置在罐的一部分和车辆的参考表面的一部分之间，且沿着基本上垂直于安装表面的轴线是灵敏的，且大体平行于车辆的横摆轴线。在2007年8月10日授权给BrunoBernard的法国专利No.2,885,217公开了用于车辆的燃料罐的气体燃料量测量计，包括测量燃料罐内的燃料的压力和温度的传感器。还公开了用于估算布置在气体燃料下方的液体的质量的方法和装置。Bernard教导了一种布置，该布置采用多个传感器，在贮存器皿和外部环境之间进一步引入加热路径，增大了器皿内的液体的沸腾速率。此外，Bernard公开了压力传感器必须被布置在罐的底部处、在一个不方便用于安装的位置中，从而使得贮存罐的制造复杂化，且引入了一个附加的故障点，缩短了燃料罐的运行寿命或增大了维护成本。在1974年3月19日授权给Blanchard等人的美国专利No.3,797,311中公开了采用多个堆叠式电容性传感器的流体液面传感器。该流体传感器包括下部区段、中间区段和上部区段。当流体的液面在上部区段的范围内时，下部区段和中部区段根本不为液面测量做出贡献。替代地，在安装之前所测量的下部区段和中部区段的固定高度被添加至上部区段的输出。在2000年1月25日授权给McCulloch等人的美国专利No.6,016,697中公开了一种电容型液面传感器和控制系统。该电容型液面检测和控制系统提供了对容器内的液体液面的高度精确的确定。主本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种估算低温罐中的流体质量的方法，所述低温罐保持包括液体和蒸气的多相流体，所述方法包括如下步骤：确定所述低温罐中的所述液体的液面；从包括所述液体的液面的输入来计算所述液体的第一体积；测量所述罐内的蒸气压力；以及从包括所述第一体积和所述蒸气压力的输入来计算所述液体的第一质量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.27 CA 2,753,5881.一种估算低温罐中的流体质量的方法，所述低温罐保持包括液体和蒸气的多相流体，所述方法包括如下步骤：确定所述低温罐中的所述液体的液面；从包括所述液体的液面的输入来计算所述液体的第一体积；测量所述罐内的蒸气压力；以及从包括所述第一体积和所述蒸气压力的输入来计算所述液体的第一质量；其中计算所述第一质量的步骤包括如下子步骤：从包括所述蒸气压力的输入估算所述液体的密度；以及从包括所述密度和所述第一体积的输入计算所述第一质量。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体是用于在车辆的内燃机中燃烧的燃料，所述方法还包括从所述第一质量估算所述车辆的燃料续航力的步骤。3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述液面的步骤包括采用浮子型液面传感器以提供表示所述液面的参数的子步骤。4.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述液面的步骤包括采用超声型液面传感器以提供表示所述液面的参数的子步骤。5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述液面的步骤包括采用压力型液面传感器以提供表示所述液面的参数的子步骤。6.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述液面的步骤包括采用电容型液面传感器以提供表示所述液面的参数的子步骤。7.根据权利要求6所述的方法，其中采用所述电容型液面传感器的步骤包括下列子步骤：提供一对间隔开的导体，所述间隔开的导体被布置在所述低温罐内，且部分地形成一个电容器；以及在将所述低温液体第一次引入所述低温罐中之前，校准所述电容型液面传感器至少一次，包括如下步骤：将测量信号施加至所述电容器；测量表示所述电容器在干状态时的第一电容的第一参数，在所述干状态时，具有第一介电常数的第一电介质被布置在所述间隔开的导体之间；估算表示所述低温罐中的空液面的第二参数，具有第二介电常数的第二电介质被布置在所述间隔开的导体之间的所述空液面处，基于所述第一参数以及包括所述第一介电常数和所述第二介电常数的介电常数的第一比率来估算所述第二参数；以及估算表示所述低温罐中的满液面的第三参数，具有第三介电常数的第三电介质被布置在所述间隔开的导体之间的所述满液面处，基于所述第一参数以及包括所述第一介电常数和所述第三介电常数的介电常数的第二比率来估算所述第三参数。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二电介质是所述蒸气，所述第三电介质是所述液体。9.根据权利要求7所述的方法，其中所述校准的步骤还包括将所述第二介电常数和所述第三介电常数计算作为所述蒸气压力的函数的子步骤。10.根据权利要求7所述的方法，其中采用所述电容型液面传感器的步骤还包括如下子步骤：将所述测量信号施加至所述电容器；测量表示所述低温罐中的所述液体的液面的第四参数；以及从包括所述第二参数、所述第三参数、所述空液面、所述满液面和所述第四参数的输入来计算所述液面。11.根据权利要求10所述的方法，其中计算所述液面的步骤包括基于所述第四参数，将所述液面在所述空液面和所述满液面之间进行插值的子步骤。12.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述第一体积的步骤包括采用所述液面和所述第一体积之间的数学关系的子步骤。13.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述第一体积的步骤包括采用所述液面和所述第一体积之间的经验关系的子步骤。14.根据权利要求1所述的方法，其中估算所述密度的步骤包括采用所述蒸气压力和所述密度之间的数学关系的子步骤。15.根据权利要求1所述的方法，其中估算所述密度的步骤包括采用所述蒸气压力和所述密度之间的经验关系的子步骤。16.根据权利要求1所述的方法，其中所述密度是从包括声波通过所述液体传播的速度的输入来估算的。17.根据权利要求1所述的方法，其中估算所述密度的步骤包括如下子步骤：估算所述液体的成分；以及基于所述液体的成分来估算所述密度。18.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述第一质量的步骤包括估算所述液体的成分的子步骤。19.根据权利要求18所述的方法，其中估算所述成分的步骤包括采用流体成分传感器的子步骤。20.根据权利要求18所述的方法，其中估算所述成分的步骤包括估算甲烷成分的子步骤。21.根据权利要求1所述的方法，还包括计算所述蒸气的第二质量的步骤，总流体质量是所述第一质量和所述第二质量的和。22.根据权利要求21所述的方法，其中所述流体是用于在车辆的内燃机中燃烧的燃料，所述方法还包括从所述总流体质量估算所述车辆的燃料续航力的步骤。23.根据权利要求21所述的方法，其中计算所述第二质量的步骤包括如下子步骤：计算由所述蒸气占据的第二体积；估算所述蒸气的密度；以及基于所述第二体积和所述密度来估算所述第二质量。24.根据权利要求23所述的方法，其中估算所述密度的步骤包括将所述密度计算作为所述蒸气压力的函数的子步骤。25.根据权利要求23所述的方法，其中估算所述密度的步骤包括如下子步骤：估算所述蒸气的成分；以及基于所述蒸气的成分来估算所述密度。26.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体是天然气。27.一种用于估算低温罐中的流体质量的装置，所述低...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·C·哈珀，G·A·贝腾博格，P·S·施兰茨，
申请(专利权)人：西港能源有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA