估算以低溫貯存的多相流體的體積和質(zhì)量的裝置和方法
【專利摘要】提供了一種用于估算低溫罐中的流體質(zhì)量的裝置和方法，所述低溫罐保持包括液體和蒸氣的多相流體。所述裝置包括液面?zhèn)鞲衅?、壓力傳感器和計算機(jī)。所述液面?zhèn)鞲衅魈峁┍硎舅鲆后w的液面的參數(shù)。所述壓力傳感器提供表示所述低溫罐內(nèi)的蒸氣壓力的壓力信號。所述計算機(jī)可操作地與所述液面?zhèn)鞲衅骱退鰤毫鞲衅鬟B接以接收所述參數(shù)和所述壓力信號，且被編程以從包括所述參數(shù)的輸入來確定所述液面，從包括所述液面的輸入計算所述液體的第一體積，以及從包括所述第一體積和所述壓力信號的輸入來計算所述液體的第一質(zhì)量。
【專利說明】估算以低溫貯存的多相流體的體積和質(zhì)量的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]公開了一種用于估算以低溫溫度貯存在器皿中的多相流體的體積和質(zhì)量的裝置和方法。當(dāng)所述多相流體是被車輛消耗的燃料時，所述裝置和方法可被用于估算車輛行車范圍。
【背景技術(shù)】
[0002]采用替代燃料例如液化天然氣(LNG)以為機(jī)動車輛提供動力具有如下一些優(yōu)勢:與常規(guī)碳?xì)淙剂侠缙秃筒裼拖啾?，既?jīng)濟(jì)又對環(huán)境無害。因此，對排他地通過LNG加燃料的車輛以及對發(fā)動機(jī)能夠從除了 LNG之外的汽油或柴油加燃料的雙燃料車輛存在不斷增長的需求。
[0003]汽油和柴油是不可壓縮的液體，因此不同于氣體燃料，它們的密度不會作為壓力的函數(shù)而改變。汽油或柴油的熱值基本恒定，且與壓力正交。測量保留在燃料罐中的汽油或柴油的體積提供了充足的信息來確定可用于為車輛提供動力的能量值。對于LNG，情況并非如此。
[0004]測量LNG的體積為車輛操作者提供了如下信息:他們可使用所述信息來估算何時行至一個加油站是必要的。然而，LNG的密度是溫度、壓力和流體成分的函數(shù)，從而任何給定體積中的能量值是可變的。在典型貯存LNG的壓力和溫度時，它是多相流體，且液化氣體的密度作為飽和壓力和溫度的函數(shù)是可改變的。與汽油或柴油相比，燃料罐中的液體體積的測量提供了較小精度的信息來估算可用于為車輛提供動力的能量值。例如，在典型貯存條件下，低溫貯存罐中的LNG的密度可改變高達(dá)20%或者更多。由于罐絕緣的有限熱阻力導(dǎo)致從外部環(huán)境到低溫空間中的熱泄漏，所以LNG沸騰和自然膨脹，從而低溫貯存罐內(nèi)的蒸氣壓力改變。然而，對于給定質(zhì)量的LNG，可用于為車輛提供動力的能量值是相同的，盡管它的體積和密度可改變20%。因而，確定LNG的質(zhì)量提供了對其能量值從而對車輛的燃料續(xù)航力(fuelling range)的更加精確的估算。
[0005]已知使用液面(level)傳感器來測量低溫貯存罐中的LNG的液體液面。然而，精確地測量保持在貯存罐中的低溫液體的液體液面仍是一種挑戰(zhàn)性的應(yīng)用?？赡苡绕涮魬?zhàn)的是精確測量移動貯存罐(例如，貯存LNG的車輛燃料罐)中的低溫液體的液體液面。存在采用液面?zhèn)鞲衅鱽泶_定保持在貯存罐內(nèi)的低溫液體的液體液面的可用的多種已知方法。存在各種類型的液面?zhèn)鞲衅?，包括機(jī)械浮子型液面?zhèn)鞲衅?、基于壓力的液面?zhèn)鞲衅?、超聲液面?zhèn)鞲衅骱碗娙菪鸵好鎮(zhèn)鞲衅鳌Ｒ阎褂秒娙菪鸵好鎮(zhèn)鞲衅饔糜跍y量低溫貯存罐內(nèi)側(cè)的液體液面。
[0006]已證明，電容型液面?zhèn)鞲衅饔绕浜玫剡m于測量貯存罐中的LNG的液面。電容型液面?zhèn)鞲衅鞯难葑円呀?jīng)提供了為特定應(yīng)用需求定制的不同復(fù)雜度和精度的傳感器。電容型液面?zhèn)鞲衅鞯幕具\(yùn)行原理是在罐內(nèi)待被測量液體液面處布置兩個導(dǎo)體。所述導(dǎo)體是通過提供電介質(zhì)材料的空間而電絕緣的。也就是說，導(dǎo)體之間的、液體或蒸氣形式的LNG用作電介質(zhì)材料。導(dǎo)體及其間的電介質(zhì)材料的組合提供了電容器。電容器的電容直接成比例于導(dǎo)體的表面面積、分隔導(dǎo)體的距離和它們之間的電介質(zhì)材料的有效介電常數(shù)。隨著液體液面在罐內(nèi)上升或降低，導(dǎo)體之間的電介質(zhì)的有效介電常數(shù)改變，同樣電容也改變。通過檢測電容器的電容的變化，罐中的液體的液面可被確定。
[0007]出于該應(yīng)用的目的，低溫燃料包括在大氣壓力下、在-100°C時或-100°C以下的溫度沸騰的那些液體燃料。例如，LNG在大氣壓力下、在約-162°C沸騰。盡管本發(fā)明關(guān)于LNG來討論，但是通常同樣可適用于其他多相流體，例如甲烷、乙烷、丙烷、碳?xì)溲苌?、氫氣、氮?dú)?、氬氣和氧氣。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解。
[0008]精確檢測保留用于車輛燃料罐應(yīng)用的液體的液面是重要的，因為不精確的液面測量的后果可導(dǎo)致:如果燃料用盡，則車輛擱淺；或者，如果車輛比必要時需要更頻繁地再加燃料(re-fuelled)，則降低運(yùn)行效率。此外，對于使用高壓泵將燃料遞送至發(fā)動機(jī)的車輛，當(dāng)燃料罐是空的時，如果泵頻繁地運(yùn)行，則泵的部件可能加速磨損。
[0009]在對低溫貯存罐再加燃料(refuelling)時，缺量空間需要被提供用于由于低溫液體沸騰造成的蒸氣的自然膨脹。LNG的一個挑戰(zhàn)是，在許多應(yīng)用中，一旦遞送到貯存罐中，當(dāng)LNG變暖時，需在額外的空間中膨脹。過量的熱泄漏到低溫罐中以及導(dǎo)致LNG自身膨脹將導(dǎo)致低溫液體沸騰。最終，由于持續(xù)熱泄漏，LNG將沸騰或蒸發(fā)，導(dǎo)致在貯存罐中構(gòu)建壓力。
[0010]使用缺量空間的一個問題是，難以在填充時留下足夠的空間。換句話說，再加燃料必須在貯存罐填滿液體之前的某一預(yù)定時間點(diǎn)停止。理想地，缺量空間應(yīng)當(dāng)足夠大以允許LNG膨脹，但又足夠小以最大化可保持在罐中的低溫流體的量，從而最大化再加燃料之間的時間。如上面所提及的，重要的是，在天然氣車輛運(yùn)行中，其中燃料系統(tǒng)試圖最大化它們可在車輛上可用的有限空間中貯存的體積，同時最小化用于貯存該燃料的空間。已開發(fā)了多種設(shè)備來確定留下足夠的缺量空間的填充點(diǎn)。
[0011]視覺填充線(如果使用)可能不提供所要求精確度的液面。此外，考慮到許多罐的雙壁、真空絕緣結(jié)構(gòu)，不易于提供穿透至內(nèi)部器皿的觀察孔。止動機(jī)構(gòu)例如截流浮子或截流閥需要內(nèi)部器皿內(nèi)的機(jī)械零件。這向貯存罐中引入了機(jī)械故障點(diǎn)，所述機(jī)械故障點(diǎn)在每次填充期間或每次填充之間經(jīng)受磨損。
[0012]已在低溫貯存罐中使用了液面?zhèn)鞲衅鳌５?，為了校?zhǔn)液面?zhèn)鞲衅鳎瑐鹘y(tǒng)地，貯存罐需要填充，出于多種原因這是成問題的。首先，當(dāng)需要缺量空間且不存在視覺填充線時，這是難以實(shí)現(xiàn)的。其次，在制造時對貯存罐的填充是不期望的，因為罐在校準(zhǔn)之后繼而需要被清空，以用于裝運(yùn)。此外，一旦液面?zhèn)鞲衅鞅唤M裝到罐中，如果為了校準(zhǔn)目的而需要獲得進(jìn)一步的進(jìn)入是困難的。
[0013]在2005年5月17日授權(quán)給Breed等人的美國專利N0.6，892，572公開了一種用于確定車輛的燃料罐中的液體的量的系統(tǒng)，所述車輛經(jīng)受由于車輛的輥和前輪外傾角的移動或變化而造成的變化的外力，其中所述罐被安裝至所述車輛，且沿著車輛的橫擺軸線而經(jīng)受力。一個或多個罐負(fù)荷單元提供成比例地表示其上的負(fù)荷的輸出。負(fù)荷單元被放置在罐的一部分和車輛的參考表面的一部分之間，且沿著基本上垂直于安裝表面的軸線是靈敏的，且大體平行于車輛的橫擺軸線。
[0014]在2007年8月10日授權(quán)給fcuno Bernard的法國專利N0.2，885，217公開了用于車輛的燃料罐的氣體燃料量測量計，包括測量燃料罐內(nèi)的燃料的壓力和溫度的傳感器。還公開了用于估算布置在氣體燃料下方的液體的質(zhì)量的方法和裝置。Bernard教導(dǎo)了一種布置，該布置采用多個傳感器，在貯存器皿和外部環(huán)境之間進(jìn)一步引入加熱路徑，增大了器皿內(nèi)的液體的沸騰速率。此外，Bernard公開了壓力傳感器必須被布置在罐的底部處、在一個不方便用于安裝的位置中，從而使得貯存罐的制造復(fù)雜化，且引入了一個附加的故障點(diǎn)，縮短了燃料罐的運(yùn)行壽命或增大了維護(hù)成本。
[0015]在1974年3月19日授權(quán)給Blanchard等人的美國專利N0.3，797，311中公開了采用多個堆疊式電容性傳感器的流體液面?zhèn)鞲衅?。該流體傳感器包括下部區(qū)段、中間區(qū)段和上部區(qū)段。當(dāng)流體的液面在上部區(qū)段的范圍內(nèi)時，下部區(qū)段和中部區(qū)段根本不為液面測量做出貢獻(xiàn)。替代地，在安裝之前所測量的下部區(qū)段和中部區(qū)段的固定高度被添加至上部區(qū)段的輸出。
[0016]在2000年I月25日授權(quán)給McCulloch等人的美國專利N0.6，016，697中公開了一種電容型液面?zhèn)鞲衅骱涂刂葡到y(tǒng)。該電容型液面檢測和控制系統(tǒng)提供了對容器內(nèi)的液體液面的高度精確的確定。主傳感器是豎向定位在容器內(nèi)的細(xì)長電容性探針，以使得探針的下部部分在液體中，探針的上部部分延伸到液體的表面上方。液體參考傳感器接近探針的下端部，氣體參考傳感器接近探針的上端部。氣體參考傳感器和液體參考傳感器輔助系統(tǒng)的校準(zhǔn)，并且提供成比例于液體介電常數(shù)和氣體介電常數(shù)的電容。所述校準(zhǔn)要求所有三個傳感器被放置在相同的介質(zhì)例如空氣中，以使得可測量電壓。繼而，在運(yùn)行時，液面測量獨(dú)立于正在測量其液面的液體的介電常數(shù)。
[0017]需要一種新的且改進(jìn)的采用液面?zhèn)鞲衅鳒y量的裝置和方法，用于確定多相流體的體積和質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]提供了一種用于估算低溫罐中的流體質(zhì)量的改進(jìn)的方法，所述低溫罐保持包括液體和蒸氣的多相流體。所述方法包括如下步驟:確定所述低溫罐中的所述液體的液面；從包括所述液體的液面的輸入來計算所述液體的第一體積；測量所述罐內(nèi)的蒸氣壓力；以及，從包括所述第一體積和所述蒸氣壓力的輸入來計算所述液體的第一質(zhì)量。所述方法還包括:當(dāng)所述流體是用于在車輛的內(nèi)燃機(jī)中燃燒的燃料時，基于所述第一質(zhì)量估算用于所述車輛的燃料續(xù)航力的步驟。當(dāng)確定所述的液體液面的步驟采用電容型液面?zhèn)鞲衅鲿r，所述方法包括如下子步驟:提供一對間隔開的導(dǎo)體，所述間隔開的導(dǎo)體被布置在所述低溫罐內(nèi)，且部分地形成一個電容器；以及，在將所述低溫液體第一次引入所述低溫罐之前，校準(zhǔn)所述電容型液面?zhèn)鞲衅髦辽僖淮?。校?zhǔn)的步驟包括如下步驟:將測量信號施加至所述電容器；測量表不所述電容器在干狀態(tài)時的第一電容的第一參數(shù)，在所述干狀態(tài)時，具有第一介電常數(shù)的第一電介質(zhì)被布置在所述間隔開的導(dǎo)體之間；估算表示所述低溫罐中的空液面的第二參數(shù)，其中具有第二介電常數(shù)的第二電介質(zhì)被布置在所述間隔開的導(dǎo)體之間的所述空液面處，基于所述第一參數(shù)以及包括所述第一介電常數(shù)和所述第二介電常數(shù)的介電常數(shù)的第一比率來估算所述第二參數(shù)；以及，估算表示所述低溫罐中的滿液面的第三參數(shù)，其中具有第三介電常數(shù)的第三電介質(zhì)被布置在所述間隔開的導(dǎo)體之間的所述滿液面處，基于所述第一參數(shù)以及包括所述第一介電常數(shù)和所述第三介電常數(shù)的介電常數(shù)的第二比率來估算所述第三參數(shù)。所述第二電介質(zhì)是蒸氣，所述第三電介質(zhì)是液體。所述第二介電常數(shù)和所述第三介電常數(shù)可被確定作為所述蒸氣壓力的函數(shù)。當(dāng)采用所述電容型液面?zhèn)鞲衅鲿r，確定所述液面的步驟包括如下子步驟:將所述測量信號施加至所述電容器；測量表示所述低溫罐中的液體的液面的第四參數(shù)；以及，從包括所述第二參數(shù)、所述第三參數(shù)、所述空液面、所述滿液面和所述第四參數(shù)的輸入來計算所述液面。所述計算可基于所述第四參數(shù)，通過將所述液面在所述空液面和所述滿液面之間進(jìn)行插值來實(shí)現(xiàn)。所述第一體積可通過采用所述液面和所述第一體積之間的數(shù)學(xué)關(guān)系或者所述液面和所述第一體積之間的經(jīng)驗關(guān)系來計算。所述第一質(zhì)量可通過如下方式來計算:從包括所述蒸氣壓力的輸入估算所述液體的密度；以及，從包括所述密度和所述第一體積的輸入估算所述第一質(zhì)量。所述密度可通過采用所述蒸氣壓力和所述密度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，或者通過采用所述蒸氣壓力和所述密度之間的經(jīng)驗關(guān)系來估算。例如，所述密度可從包括聲波通過所述液體傳播的速度的輸入來估算，或者所述密度可基于所述液體的成分來估算。當(dāng)所述液體是天然氣時，所述成分可基于甲烷的成分百分比來估算。所述方法還可包括計算所述蒸氣的第二質(zhì)量的步驟，其中總流體質(zhì)量是所述第一質(zhì)量和所述第二質(zhì)量的和。當(dāng)所述流體是用于在車輛的內(nèi)燃機(jī)中燃燒的燃料時，所述總流體質(zhì)量可被采用來估算車輛的燃料續(xù)航力。所述第二質(zhì)量可基于如下步驟來計算，包括:計算由所述蒸氣占據(jù)的第二體積；估算所述蒸氣的密度；以及，基于所述第二體積和所述密度來估算所述第二質(zhì)量。所述蒸氣的密度可基于所述蒸氣壓力和所述蒸氣成分來確定。
[0019]提供了一種用于估算低溫罐中的流體質(zhì)量的改進(jìn)的裝置，所述低溫罐保持包括液體和蒸氣的多相流體。所述裝置包括液面?zhèn)鞲衅?、壓力傳感器和計算機(jī)。所述液面?zhèn)鞲衅魈峁┍硎舅鲆后w的液面的參數(shù)。所述壓力傳感器提供表示所述低溫罐內(nèi)的蒸氣壓力的壓力信號。所述計算機(jī)可操作地與所述液面?zhèn)鞲衅骱退鰤毫鞲衅鬟B接，以接收所述參數(shù)和所述壓力信號。所述計算機(jī)被編程以:從包括所述參數(shù)的輸入來確定所述液面；從包括所述液面的輸入來計算所述液體的第一體積；以及，從包括所述第一體積和所述壓力信號的輸入來計算所述液體的第一質(zhì)量。當(dāng)所述流體是用于在車輛的內(nèi)燃機(jī)中燃燒的燃料時，所述計算機(jī)還可被編程，以基于所述第一質(zhì)量估算所述車輛的燃料續(xù)航力。所述液面?zhèn)鞲衅骺梢允歉∽有鸵好鎮(zhèn)鞲衅?、超聲型液面?zhèn)鞲衅?、壓力型液面?zhèn)鞲衅骰蛘唠娙菪鸵好鎮(zhèn)鞲衅?。所述電容型液面?zhèn)鞲衅靼?一對間隔開的導(dǎo)體，被布置在所述低溫罐中；以及，一個測量裝置，可操作地與所述間隔開的導(dǎo)體連接，且適于將測量信號施加至所述間隔開的導(dǎo)體，以及由此測量表示所述間隔開的導(dǎo)體的電容的相應(yīng)瞬時值的參數(shù)的瞬時值。所述計算機(jī)與所述測量裝置通信，且還被編程以在將所述低溫液體第一次引入所述低溫罐中之前，校準(zhǔn)所述電容型液面?zhèn)鞲衅髦辽僖淮?。所述計算機(jī)被編程以:指令所述測量信號被施加至所述間隔開的導(dǎo)體；從所述測量裝置接收表示干狀態(tài)時所述間隔開的導(dǎo)體的第一電容的第一參數(shù)，在所述干狀態(tài)時，具有第一介電常數(shù)的第一電介質(zhì)被布置在所述間隔開的導(dǎo)體之間；估算表示所述低溫罐中空液面的第二參數(shù)，其中具有第二介電常數(shù)的第二電介質(zhì)被布置在所述間隔開的導(dǎo)體之間的所述空液面處，基于所述第一參數(shù)以及包括所述第一介電常數(shù)和所述第二介電常數(shù)的介電常數(shù)的第一比率來估算所述第二參數(shù)；以及，估算表示所述低溫罐中的滿液面的第三參數(shù)，具有第三介電常數(shù)的第三電介質(zhì)被布置在所述間隔開的導(dǎo)體之間的所述滿液面處，基于所述第一參數(shù)以及包括所述第一介電常數(shù)和所述第三介電常數(shù)的介電常數(shù)的第二比率來估算所述第三參數(shù)。所述第二電介質(zhì)是蒸氣，所述第三電介質(zhì)是液體。所述第二介電常數(shù)和所述第三介電常數(shù)可基于所述蒸氣壓力來計算。所述計算機(jī)還被編程，以:指令將所述測量信號施加至所述間隔開的導(dǎo)體；從所述測量裝置接收表示所述液體的液面的第四參數(shù)；以及，從包括所述第二參數(shù)、所述第三參數(shù)、所述空液面、所述滿液面和所述第四參數(shù)的輸入來計算所述液面。所述計算機(jī)還可被編程，以基于所述第四參數(shù)將所述液面在所述空液面和所述滿液面之間進(jìn)行插值。所述計算機(jī)可被編程，以采用所述液面和所述第一體積之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，或者所述液面和所述第一體積之間的經(jīng)驗關(guān)系，從而計算所述第一體積。所述計算機(jī)還可被編程以:從包括所述蒸氣壓力的輸入估算所述液體的密度；以及，從包括所述密度和所述第一體積的輸入計算所述第一質(zhì)量。所述計算機(jī)還可被編程，以采用所述蒸氣壓力和所述密度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，或者所述蒸氣壓力和所述密度之間的經(jīng)驗關(guān)系。例如，可采用超聲傳感器，用于感測聲波在所述液體中傳播的速度，或者流體成分傳感器可提供流體成分信號，以及，從包括所述聲波的傳播的速度或者所述流體成分信號的輸入來估算所述低溫液體的密度。例如當(dāng)所述流體是天然氣時，所述流體成分傳感器可以是至少甲烷傳感器，以及所述計算機(jī)可被編程，以基于天然氣中甲烷的成分的百分比來估算所述密度。所述計算機(jī)還可被編程，以計算所述蒸氣的第二質(zhì)量，以及總流體質(zhì)量是所述第一質(zhì)量和所述第二質(zhì)量的和。當(dāng)所述流體是用于在車輛的內(nèi)燃機(jī)中燃燒的燃料時，所述計算機(jī)可被編程，以從所述總流體質(zhì)量估算所述車輛的燃料續(xù)航力。所述計算機(jī)被編程以通過如下方式來計算所述第二質(zhì)量:計算由所述蒸氣占據(jù)的第二體積；估算所述蒸氣的密度；以及，基于所述第二體積和所述密度來估算所述第二質(zhì)量。所述流體成分傳感器可提供表示所述蒸氣的成分的流體成分信號，以及所述計算機(jī)還可被編程以基于所述流體成分信號來估算所述蒸氣密度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]附圖例示了本發(fā)明的特定的優(yōu)選實(shí)施方案，但是不應(yīng)認(rèn)為以任何方式限制本發(fā)明的精神或范圍。
[0021]圖1是低溫貯存罐和用于估算所述貯存罐內(nèi)的燃料體積和質(zhì)量的裝置的示意圖；
[0022]圖2a和圖2b是外部線束和內(nèi)部線束以及液面?zhèn)鞲衅鞯碾娙萜鞯募倕?shù)模型的示意圖；
[0023]圖3是用于圖1的裝置的電容型液面?zhèn)鞲衅鞯男?zhǔn)順序的流程圖；
[0024]圖3是用于估算圖1的裝置的貯存罐內(nèi)的低溫流體的燃料體積和質(zhì)量的方法的流程圖；以及
[0025]圖5是用于估算圖1的裝置的貯存罐內(nèi)的低溫液體和蒸氣的燃料體積和質(zhì)量的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]參考附圖，且首先參考圖1所例示的實(shí)施方案，示出了用于估算低溫貯存罐120中的低溫液體110的體積和質(zhì)量的裝置100。通過導(dǎo)管140引入低溫流體來填充低溫空間130，所述導(dǎo)管140包括布置在接近頂部160的開口端部150。低溫流體可通過聯(lián)接器170而被引入到導(dǎo)管140內(nèi)，所述聯(lián)接器170位于罐120的外側(cè)。聯(lián)接器170可包括截流閥180，所述截流閥180在聯(lián)接器170被聯(lián)接至填充噴嘴時打開，且在填充噴嘴未被聯(lián)接至聯(lián)接器170時關(guān)閉。[0027]歧管塊190可被用于減少配件和連接件的數(shù)目，以簡化組裝且減少潛在的泄漏點(diǎn)的數(shù)目。歧管塊190內(nèi)的內(nèi)部通道將延伸至罐120的內(nèi)部的導(dǎo)管與至少四個外側(cè)連接件連接。如已隱含的，一個內(nèi)部通道從導(dǎo)管140通向聯(lián)接器170，用于用低溫流體來填充低溫空間130。截流閥180不需要與聯(lián)接器170成一體，且替代地，截流閥180可以是安裝在歧管塊190和聯(lián)接器170之間的一個分立部件，或者為了用較少的連接件來實(shí)現(xiàn)相同的效果，用于截流閥180的閥組件可被安裝到制作于歧管塊190中的孔內(nèi)，由此歧管塊190則用作截流閥180的主體。
[0028]在正常使用期間且在再填充之前，低溫貯存罐通常在低溫空間130內(nèi)側(cè)建立壓力。蒸氣從貯存罐排出，以減小蒸氣壓力。通過所例示的實(shí)施方案，蒸氣200可通過導(dǎo)管140從低溫空間130排出，之后當(dāng)填充噴嘴被連接至聯(lián)接器170時進(jìn)行再填充。這不同于常規(guī)系統(tǒng)，常規(guī)系統(tǒng)一般將蒸氣200排出至大氣，導(dǎo)致氣體被浪費(fèi)且釋放到環(huán)境中。通過所例示的布置，通過聯(lián)接器170被排出的蒸氣200可被用于預(yù)冷卻軟管和/或管道系統(tǒng)，所述軟管和/或管道系統(tǒng)用于將低溫液體110遞送至低溫空間130，且該排出的蒸氣可通過填充站再冷凝，從而再回收。
[0029]歧管塊190內(nèi)的第二內(nèi)部通道可被采用以將被排出的蒸氣從導(dǎo)管140指引至導(dǎo)管210。壓力釋放閥220可被安裝在歧管塊190中，或者歧管塊190下游的導(dǎo)管210上。如果填充站不能夠接收從低溫空間130排出的蒸氣200，則該特征允許蒸氣200通過導(dǎo)管210排出。如管理用于液化氣體的貯存罐的規(guī)程所要求的，為了防止低溫空間130的過壓，當(dāng)貯存罐在遠(yuǎn)離填充站正常運(yùn)行時，當(dāng)?shù)蜏乜臻g130內(nèi)側(cè)的蒸氣壓力超出一個預(yù)定設(shè)置點(diǎn)時，壓力釋放閥220自動打開，以通過導(dǎo)管210排出蒸氣。
[0030]第三內(nèi)部通道將出口導(dǎo)管230與遞送導(dǎo)管240連接，低溫流體通過該遞送導(dǎo)管240可遞送至終端用戶。作為一個實(shí)施例，導(dǎo)管230和240可為低壓加燃料系統(tǒng)供應(yīng)用于火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)的天然氣。在其他實(shí)施方案中，高壓泵(未示出)可被采用，以將氣體遞送至較高壓力處的終端用戶，例如高壓直接噴射系統(tǒng)。
[0031]歧管190內(nèi)部的第四通道將導(dǎo)管140連接至壓力傳感器250。壓力傳感器250測量蒸氣200的壓力。隨著低溫液體110沸騰，低溫空間130內(nèi)的蒸氣壓力增大。例如,在大氣壓力時，LNG僅占據(jù)蒸氣形式的天然氣的體積的1/600。隨著低溫液體110沸騰，它膨脹至其體積的600倍，從而增大了蒸氣壓力。
[0032]電容型液面?zhèn)鞲衅靼娙萜?70，該電容器270被布置在低溫空間130內(nèi)，用于測量液體110的液面。電容器270包括一對間隔開的導(dǎo)體280和282。所述液面?zhèn)鞲衅鬟€包括測量電路290和計算機(jī)300。內(nèi)部線束310和外部線束320將電容器270連接至測量電路290。參考圖2a，示出了電容器270、內(nèi)部線束310和外部線束320的集總參數(shù)模型。電容器270包括電阻Rc和電容C。。內(nèi)部線束310包括電阻Rint和電容Cint。外部線束320包括電阻Rrait和電容Crait。注意到，在集總參數(shù)模型的其他實(shí)施方案中，可能包括用于電容器270和內(nèi)部線束和外部線束320的集總電感，然而已發(fā)現(xiàn)，在測量電路290的運(yùn)行頻率處，這些電感的阻抗是可忽略的。電阻Rc表示導(dǎo)體280和282的有限電阻。電阻Rint和Rext表示束310和320的線和連接器中的有限電阻。間隔開的導(dǎo)體形成具有電容C。的電容器270。束310和320中的線被包封在對應(yīng)的纜線殼體中，所述纜線殼體從測量電路290路由到電容器270。線的這種布置具有由Cint和Cext表示的相關(guān)聯(lián)的集總電容。已發(fā)現(xiàn)，對于一些應(yīng)用，電阻R。、Rint和Rext可被視為零，且可采用圖2b的簡化模型。
[0033]當(dāng)通過計算機(jī)300指令的測量信號經(jīng)由測量電路290被施加以為電容器270充電且持續(xù)一個特定時間段時，電容器270的電容C?？捎砷g隔開的導(dǎo)體280和282兩端的電壓來確定。測量電路290可類似于在2009年12月8日授權(quán)給本發(fā)明的 申請人:的加拿大專利N0.2, 629, 960 (“960專利”)中所公開的測量電路。然而，其他類型的測量電路是可能的。
[0034]參考圖1和圖3，現(xiàn)在描述液面?zhèn)鞲衅鞯男?zhǔn)。在液面?zhèn)鞲衅骺捎糜跍y量液體100的液面之前，必須校準(zhǔn)液面?zhèn)鞲衅?。在本?shí)施方案中，針對根據(jù)圖2b的模型來描述所述校準(zhǔn)。首先，在步驟400中，在安裝在罐120中之前，通過經(jīng)驗測量來確定電容Cint和Crait,或者電容C。。例如，這可通過測量電容的常規(guī)儀器來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，所述測量被執(zhí)行一次，且所測量的值被用于校準(zhǔn)多個傳感器。在一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，例如當(dāng)罐120是車輛燃料罐時，電容C。被測量，因為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于所有液面?zhèn)鞲衅?，其值是更加一致的。在其他?shí)施方案中，電容Cint和Crait可更加一致，在這樣的情形中，它們的值將被測量。在該實(shí)施例中，當(dāng)電容器270處于導(dǎo)體280和282之間僅存在空氣的干狀態(tài)時，所測量的電容表示電容Cc(toy)。接下來，在步驟410中，電容器270和線束310和320與罐120組裝，且計算機(jī)300通過干電容Cc(toy)和如下面將描述的其他參數(shù)而被編程。當(dāng)在低溫空間130內(nèi)以及在間隔開的導(dǎo)體280和282之間僅存在空氣時，在干狀態(tài)中執(zhí)行校準(zhǔn)。例如，在制造貯存罐120時，在低溫液體110被添加至空間130之前，執(zhí)行校準(zhǔn)。在步驟420中，計算機(jī)300指令測量信號被施加至電容器270。在步驟430中，測量電路290測量等于線束310和320以及電容器270的總電容的總電容Ct(d,y)，并且將該值傳達(dá)至計算機(jī)300。在該情形中，罐120處于干狀態(tài)，且總電容CT(dl7)是表不 液面?zhèn)鞲衅鞯母呻娙軨etey)的第一參數(shù)?？諝馐怯糜陔娙萜?70的第一電介質(zhì)，且在室溫(25°C )時具有約1.00059的第一介電常數(shù)kail.。
[0035]第一參數(shù)可以是電壓值或電容值，且在本實(shí)施方案中，針對第一參數(shù)是電容時描述了校準(zhǔn)。在步驟440中，計算機(jī)300根據(jù)下面的等式I計算電容Cint和CMt，等式I從圖2b的模型推出。電容Cint和Cext被存儲在計算機(jī)300的存儲器例如EEPROM或FLASH存儲器中。
[0036]Cint+Cext = Ct(dry)-Cc(dry)等式 I
[0037]接下來，在步驟450中，計算機(jī)300估算表示罐120中的低溫液體110的空液面的第二參數(shù)。當(dāng)間隔開的導(dǎo)體280和282之間僅存在蒸氣200時，出現(xiàn)空液面。在該情形中，
蒸氣200是具有第二介電常數(shù)kvapOT的第二電介質(zhì)。第二參數(shù)是總電容CT(raipty),且基于第一參數(shù)和包括第一介電常數(shù)和第二介電常數(shù)kvapOT的介電常數(shù)的第一比率，根據(jù)下面的等式2和等式3來估算。參考等式3，在步驟400中測量Ce(d,y)，在步驟440中確定Cint和Cext，介電常數(shù)和kvapOT是已知的且在校準(zhǔn)步驟之前被編程到計算機(jī)300中。
[0038]CT(empty) — Cc(empty)+Cint+Cext等式 2
[0039]Cnemptn = Cciiliyj + Cint+ Cexl 等式 3


air
[0040]可能的是，罐120在空液面時可包含低溫液體110。例如，間隔開的導(dǎo)體280和282的下端部330不能接觸罐120的底部340，所以留在底部340處且不接觸導(dǎo)體的低溫液體110的量將是不可測量的。隨著低溫液體110的液面減少且落到下端部330的液面以下時，液面?zhèn)鞲衅鲗⒅甘究找好?。在校?zhǔn)期間，計算機(jī)300被配置為在計算機(jī)300的存儲器中存儲空液面Le (下端部330距離底部340的距離)和空狀態(tài)時的總電容CT(empty) (即，第二參數(shù))，從而將Le與CT(Mpty)相關(guān)聯(lián)。
[0041]接下來，在步驟460中，計算機(jī)300估算表示罐120中滿液面的第三參數(shù)。當(dāng)間隔開的導(dǎo)體280和282之間僅存在低溫液體110時，出現(xiàn)滿液面。在該情形中，低溫液體110是具有第三介電常數(shù)kliquid的第三電介質(zhì)。該第三參數(shù)是總電容CT(full)，且基于第一參數(shù)和包括第一介電常數(shù)和第三介電常數(shù)kliquid的介電常數(shù)的第二比率，根據(jù)等式4和等式5來估算。參考等式5，在步驟400中測量Ce(d,y)，在步驟440中確定Cint和Cext，介電常數(shù)kai,和kliquid是已知的且在該校準(zhǔn)步驟之前被編程到計算機(jī)300中。
[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種估算低溫罐中的流體質(zhì)量的方法，所述低溫罐保持包括液體和蒸氣的多相流體，所述方法包括如下步驟: 確定所述低溫罐中的所述液體的液面； 從包括所述液體的液面的輸入來計算所述液體的第一體積； 測量所述罐內(nèi)的蒸氣壓力；以及 從包括所述第一體積和所述蒸氣壓力的輸入來計算所述液體的第一質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述流體是用于在車輛的內(nèi)燃機(jī)中燃燒的燃料，所述方法還包括從所述第一質(zhì)量估算所述車輛的燃料續(xù)航力的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定所述液面的步驟包括采用浮子型液面?zhèn)鞲衅饕蕴峁┍硎舅鲆好娴膮?shù)的子步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定所述液面的步驟包括采用超聲型液面?zhèn)鞲衅饕蕴峁┍硎舅鲆好娴膮?shù)的子步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定所述液面的步驟包括采用壓力型液面?zhèn)鞲衅饕蕴峁┍硎舅鲆好娴膮?shù)的子步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定所述液面的步驟包括采用電容型液面?zhèn)鞲衅饕蕴峁┍硎舅鲆好娴膮?shù)的子步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中采用所述電容型液面?zhèn)鞲衅鞯牟襟E包括下列子步驟: 提供一對間隔開的導(dǎo)體，所述間隔開的導(dǎo)體被布置在所述低溫罐內(nèi)，且部分地形成一個電容器；以及 在將所述低溫液體第一次引入所述低溫罐中之前，校準(zhǔn)所述電容型液面?zhèn)鞲衅髦辽僖淮?，包括如下步驟: 將測量信號施加至所述電容器； 測量表不所述電容器在干狀態(tài)時的第一電容的第一參數(shù)，在所述干狀態(tài)時，具有第一介電常數(shù)的第一電介質(zhì)被布置在所述間隔開的導(dǎo)體之間； 估算表示所述低溫罐中的空液面的第二參數(shù)，具有第二介電常數(shù)的第二電介質(zhì)被布置在所述間隔開的導(dǎo)體之間的所述空液面處，基于所述第一參數(shù)以及包括所述第一介電常數(shù)和所述第二介電常數(shù)的介電常數(shù)的第一比率來估算所述第二參數(shù)；以及 估算表示所述低溫罐中的滿液面的第三參數(shù)，具有第三介電常數(shù)的第三電介質(zhì)被布置在所述間隔開的導(dǎo)體之間的所述滿液面處，基于所述第一參數(shù)以及包括所述第一介電常數(shù)和所述第三介電常數(shù)的介電常數(shù)的第二比率來估算所述第三參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述第二電介質(zhì)是所述蒸氣，所述第三電介質(zhì)是所述液體。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述校準(zhǔn)的步驟還包括將所述第二介電常數(shù)和所述第三介電常數(shù)計算作為所述蒸氣壓力的函數(shù)的子步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中采用所述電容型液面?zhèn)鞲衅鞯牟襟E還包括如下子步驟: 將所述測量信號施加至所述電容器； 測量表示所述低溫罐中的所述液體的液面的第四參數(shù)；以及從包括所述第二參數(shù)、所述第三參數(shù)、所述空液面、所述滿液面和所述第四參數(shù)的輸入來計算所述液面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中計算所述液面的步驟包括基于所述第四參數(shù)，將所述液面在所述空液面和所述滿液面之間進(jìn)行插值的子步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中計算所述第一體積的步驟包括采用所述液面和所述第一體積之間的數(shù)學(xué)關(guān)系的子步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中計算所述第一體積的步驟包括采用所述液面和所述第一體積之間的經(jīng)驗關(guān)系的子步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中計算所述第一質(zhì)量的步驟包括如下子步驟: 從包括所述蒸氣壓力的輸入估算所述液體的密度；以及 從包括所述密度和所述第一體積的輸入計算所述第一質(zhì)量。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中估算所述密度的步驟包括采用所述蒸氣壓力和所述密度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系的子步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中估算所述密度的步驟包括采用所述蒸氣壓力和所述密度之間的經(jīng)驗關(guān)系的子步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求1 4所述的方法，其中所述密度是從包括聲波通過所述液體傳播的速度的輸入來估算的。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中估算所述密度的步驟包括如下子步驟: 估算所述液體的成分；以及 基于所述液體的成分來估算所述密度。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中計算所述第一質(zhì)量的步驟包括估算所述液體的成分的子步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中估算所述成分的步驟包括采用流體成分傳感器的子步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中估算所述成分的步驟包括估算甲烷成分的子步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括計算所述蒸氣的第二質(zhì)量的步驟，總流體質(zhì)量是所述第一質(zhì)量和所述第二質(zhì)量的和。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述流體是用于在車輛的內(nèi)燃機(jī)中燃燒的燃料，所述方法還包括從所述總流體質(zhì)量估算所述車輛的燃料續(xù)航力的步驟。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中計算所述第二質(zhì)量的步驟包括如下子步驟: 計算由所述蒸氣占據(jù)的第二體積； 估算所述蒸氣的密度；以及 基于所述第二體積和所述密度來估算所述第二質(zhì)量。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中估算所述密度的步驟包括將所述密度計算作為所述蒸氣壓力的函數(shù)的子步驟。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中估算所述密度的步驟包括如下子步驟: 估算所述蒸氣的成分；以及 基于所述蒸氣的成分來估算所述密度。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述流體是天然氣。
28.一種用于估算低溫罐中的流體質(zhì)量的裝置，所述低溫罐保持包括液體和蒸氣的多相流體，所述裝置包括: 液面?zhèn)鞲衅?，提供表示所述液體的液面的參數(shù)； 壓力傳感器，提供表示所述低溫罐內(nèi)的蒸氣壓力的壓力信號；以及計算機(jī)，可操作地與所述液面?zhèn)鞲衅骱退鰤毫鞲衅鬟B接，以接收所述參數(shù)和所述壓力信號，且被編程以: 從包括所述參數(shù)的輸入來確定所述液面； 從包括所述液面的輸入來計算所述液體的第一體積；以及 從包括所述第一體積和所述壓力信號的輸入來計算所述液體的第一質(zhì)量。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述流體是天然氣。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述流體是用于在車輛的內(nèi)燃機(jī)中燃燒的燃料，所述計算機(jī)還被編程以從所述第一質(zhì)量估算所述車輛的燃料續(xù)航力。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述液面?zhèn)鞲衅魇歉∽有鸵好鎮(zhèn)鞲衅鳌?br> 32.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述液面?zhèn)鞲衅魇浅曅鸵好鎮(zhèn)鞲衅鳌?br> 33.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述液面?zhèn)鞲衅魇菈毫π鸵好鎮(zhèn)鞲衅鳌?br> 34.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述液面?zhèn)鞲衅魇请娙菪鸵好鎮(zhèn)鞲衅鳌?br> 35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述電容型液面?zhèn)鞲衅靼?一對間隔開的導(dǎo)體，被布置在所述低溫罐中；以及，一個測量裝置，可操作地與所述間隔開的導(dǎo)體連接，并適于將測量信號施加至所述間隔開的導(dǎo)體，以及由此測量表示所述間隔開的導(dǎo)體的電容的相應(yīng)瞬時值的參數(shù)的瞬時值，所述計算機(jī)與所述測量裝置通信，且還被編程以在將所述低溫液體第一次引入所述低溫罐中之前，校準(zhǔn)所述電容型液面?zhèn)鞲衅髦辽僖淮?，所述計算機(jī)被編程以: 指令所述測量信號施加至所述間隔開的導(dǎo)體； 從所述測量裝置接收表示干狀態(tài)時所述間隔開的導(dǎo)體的第一電容的第一參數(shù)，在所述干狀態(tài)時，具有第一介電常數(shù)的第一電介質(zhì)被布置在所述間隔開的導(dǎo)體之間； 估算表示所述低溫罐中空液面的第二參數(shù)，具有第二介電常數(shù)的第二電介質(zhì)被布置在所述間隔開的導(dǎo)體之間的所述空液面處，基于所述第一參數(shù)以及包括所述第一介電常數(shù)和所述第二介電常數(shù)的介電常數(shù)的第一比率來估算所述第二參數(shù)；以及 估算表示所述低溫罐中的滿液面的第三參數(shù)，具有第三介電常數(shù)的第三電介質(zhì)被布置在所述間隔開的導(dǎo)體之間的所述滿液面處，基于所述第一參數(shù)以及包括所述第一介電常數(shù)和所述第三介電常數(shù)的介電常數(shù)的第二比率來估算所述第三參數(shù)。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中所述第二電介質(zhì)是所述蒸氣，所述第三電介質(zhì)是所述液體。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述計算機(jī)還被編程以將所述第二介電常數(shù)和所述第三介電常數(shù)計算作為所述蒸氣壓力的函數(shù)。
38.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述計算機(jī)還被編程以: 指令將所述測量信號施加至所述間隔開的導(dǎo)體； 從所述測量裝置接收表示所述液體的液面的第四參數(shù)；以及從包括所述第二參數(shù)、所述第三參數(shù)、所述空液面、所述滿液面和所述第四參數(shù)的輸入來計算所述液面。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其中所述計算機(jī)還被編程以基于所述第四參數(shù)將所述液面在所述空液面和所述滿液面之間進(jìn)行插值。
40.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述計算機(jī)還被編程以采用所述液面和所述第一體積之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。
41.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述計算機(jī)還被編程以采用所述液面和所述第一體積之間的經(jīng)驗關(guān)系。
42.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述計算機(jī)還被編程以: 從包括所述蒸氣壓力的輸入估算所述液體的密度；以及 從包括所述密度和所述第一體積的輸入計算所述第一質(zhì)量。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的裝置，其中所述計算機(jī)還被編程以采用所述蒸氣壓力和所述密度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。
44.根據(jù)權(quán)利要求42所述的裝置，其中所述計算機(jī)還被編程以采用所述蒸氣壓力和所述密度之間的經(jīng)驗關(guān)系。
45.根據(jù)權(quán)利要求42所述的裝置，其中所述裝置還包括一個超聲傳感器，用于感測聲波在所述液體中傳播的速 度，從包括所述聲波的傳播的速度的輸入來估算所述低溫液體的山/又ο
46.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述裝置還包括提供流體成分信號的流體成分傳感器；所述計算機(jī)響應(yīng)于所述流體成分信號，以估算所述液體的成分的至少一部分。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的裝置，其中所述流體成分傳感器是甲烷成分傳感器。
48.根據(jù)權(quán)利要求46所述的裝置，其中所述計算機(jī)還被編程以基于所述液體的成分的至少一部分來估算所述密度。
49.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述計算機(jī)還被編程以計算所述蒸氣的第二質(zhì)量，總流體質(zhì)量是所述第一質(zhì)量和所述第二質(zhì)量的和。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的裝置，其中所述流體是用于在車輛的內(nèi)燃機(jī)中燃燒的燃料，所述計算機(jī)還被編程以從所述總流體質(zhì)量估算所述車輛的燃料續(xù)航力。
51.根據(jù)權(quán)利要求49所述的裝置，其中所述計算機(jī)還被編程以: 計算由所述蒸氣占據(jù)的第二體積； 估算所述蒸氣的密度；以及 基于所述第二體積和所述密度來估算所述第二質(zhì)量。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述計算機(jī)還被編程以將所述密度計算作為所述蒸氣壓力的函數(shù)。
53.根據(jù)權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述裝置還包括提供流體成分信號的流體成分傳感器；所述計算機(jī)響應(yīng)于所述流體成分信號，以估算所述蒸氣的成分的至少一部分，所述計算機(jī)還被編程以基于所述蒸氣的成分的至少一部分來估算所述密度。
【文檔編號】G01N9/24GK103998904SQ201280047366
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月27日
【發(fā)明者】G·C·哈珀, G·A·貝騰博格, P·S·施蘭茨 申請人:西港能源有限公司