CN103998904B - 估算以低温贮存的多相流体的体积和质量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

估算以低温贮存的多相流体的体积和质量的装置和方法
技术领域
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。
背景技术
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（fuelling range）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。尽管本发明关于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Bruno Bernard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。主传感器是竖向定位在容器内的细长电容性探针，以使得探针的下部部分在液体中，探针的上部部分延伸到液体的表面上方。液体参考传感器接近探针的下端部，气体参考传感器接近探针的上端部。气体参考传感器和液体参考传感器辅助系统的校准，并且提供成比例于液体介电常数和气体介电常数的电容。所述校准要求所有三个传感器被放置在相同的介质例如空气中，以使得可测量电压。继而，在运行时，液面测量独立于正在测量其液面的液体的介电常数。
需要一种新的且改进的采用液面传感器测量的装置和方法，用于确定多相流体的体积和质量。
发明内容
提供了一种用于估算低温罐中的流体质量的改进的方法，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。所述方法还包括：当所述流体是用于在车辆的内燃机中燃烧的燃料时，基于所述第一质量估算用于所述车辆的燃料续航力的步骤。当确定所述的液体液面的步骤采用电容型液面传感器时，所述方法包括如下子步骤：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之前，校准所述电容型液面传感器至少一次。校准的步骤包括如下步骤：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，其中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，其中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。所述第二电介质是蒸气，所述第三电介质是液体。所述第二介电常数和所述第三介电常数可被确定作为所述蒸气压力的函数。当采用所述电容型液面传感器时，确定所述液面的步骤包括如下子步骤：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。所述计算可基于所述第四参数，通过将所述液面在所述空液面和所述满液面之间进行插值来实现。所述第一体积可通过采用所述液面和所述第一体积之间的数学关系或者所述液面和所述第一体积之间的经验关系来计算。所述第一质量可通过如下方式来计算：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估算所述第一质量。所述密度可通过采用所述蒸气压力和所述密度之间的数学关系，或者通过采用所述蒸气压力和所述密度之间的经验关系来估算。例如，所述密度可从包括声波通过所述液体传播的速度的输入来估算，或者所述密度可基于所述液体的成分来估算。当所述液体是天然气时，所述成分可基于甲烷的成分百分比来估算。所述方法还可包括计算所述蒸气的第二质量的步骤，其中总流体质量是所述第一质量和所述第二质量的和。当所述流体是用于在车辆的内燃机中燃烧的燃料时，所述总流体质量可被采用来估算车辆的燃料续航力。所述第二质量可基于如下步骤来计算，包括：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。所述蒸气的密度可基于所述蒸气压力和所述蒸气成分来确定。
提供了一种用于估算低温罐中的流体质量的改进的装置，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。所述计算机被编程以：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来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。当所述流体是用于在车辆的内燃机中燃烧的燃料时，所述计算机还可被编程，以基于所述第一质量估算所述车辆的燃料续航力。所述液面传感器可以是浮子型液面传感器、超声型液面传感器、压力型液面传感器或者电容型液面传感器。所述电容型液面传感器包括：一对间隔开的导体，被布置在所述低温罐中；以及，一个测量装置，可操作地与所述间隔开的导体连接，且适于将测量信号施加至所述间隔开的导体，以及由此测量表示所述间隔开的导体的电容的相应瞬时值的参数的瞬时值。所述计算机与所述测量装置通信，且还被编程以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。所述计算机被编程以：指令所述测量信号被施加至所述间隔开的导体；从所述测量装置接收表示干状态时所述间隔开的导体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空液面的第二参数，其中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。所述第二电介质是蒸气，所述第三电介质是液体。所述第二介电常数和所述第三介电常数可基于所述蒸气压力来计算。所述计算机还被编程，以：指令将所述测量信号施加至所述间隔开的导体；从所述测量装置接收表示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。所述计算机还可被编程，以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。所述计算机可被编程，以采用所述液面和所述第一体积之间的数学关系，或者所述液面和所述第一体积之间的经验关系，从而计算所述第一体积。所述计算机还可被编程以：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。所述计算机还可被编程，以采用所述蒸气压力和所述密度之间的数学关系，或者所述蒸气压力和所述密度之间的经验关系。例如，可采用超声传感器，用于感测声波在所述液体中传播的速度，或者流体成分传感器可提供流体成分信号，以及，从包括所述声波的传播的速度或者所述流体成分信号的输入来估算所述低温液体的密度。例如当所述流体是天然气时，所述流体成分传感器可以是至少甲烷传感器，以及所述计算机可被编程，以基于天然气中甲烷的成分的百分比来估算所述密度。所述计算机还可被编程，以计算所述蒸气的第二质量，以及总流体质量是所述第一质量和所述第二质量的和。当所述流体是用于在车辆的内燃机中燃烧的燃料时，所述计算机可被编程，以从所述总流体质量估算所述车辆的燃料续航力。所述计算机被编程以通过如下方式来计算所述第二质量：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。所述流体成分传感器可提供表示所述蒸气的成分的流体成分信号，以及所述计算机还可被编程以基于所述流体成分信号来估算所述蒸气密度。
附图说明
附图例示了本发明的特定的优选实施方案，但是不应认为以任何方式限制本发明的精神或范围。
图1是低温贮存罐和用于估算所述贮存罐内的燃料体积和质量的装置的示意图；
图2a和图2b是外部线束和内部线束以及液面传感器的电容器的集总参数模型的示意图；
图3是用于图1的装置的电容型液面传感器的校准顺序的流程图；
图3是用于估算图1的装置的贮存罐内的低温流体的燃料体积和质量的方法的流程图；以及
图5是用于估算图1的装置的贮存罐内的低温液体和蒸气的燃料体积和质量的方法的流程图。
具体实施方式
参考附图，且首先参考图1所例示的实施方案，示出了用于估算低温贮存罐120中的低温液体110的体积和质量的装置100。通过导管140引入低温流体来填充低温空间130，所述导管140包括布置在接近顶部160的开口端部150。低温流体可通过联接器170而被引入到导管140内，所述联接器170位于罐120的外侧。联接器170可包括截流阀180，所述截流阀180在联接器170被联接至填充喷嘴时打开，且在填充喷嘴未被联接至联接器170时关闭。
歧管块190可被用于减少配件和连接件的数目，以简化组装且减少潜在的泄漏点的数目。歧管块190内的内部通道将延伸至罐120的内部的导管与至少四个外侧连接件连接。如已隐含的，一个内部通道从导管140通向联接器170，用于用低温流体来填充低温空间130。截流阀180不需要与联接器170成一体，且替代地，截流阀180可以是安装在歧管块190和联接器170之间的一个分立部件，或者为了用较少的连接件来实现相同的效果，用于截流阀180的阀组件可被安装到制作于歧管块190中的孔内，由此歧管块190则用作截流阀180的主体。
在正常使用期间且在再填充之前，低温贮存罐通常在低温空间130内侧建立压力。蒸气从贮存罐排出，以减小蒸气压力。通过所例示的实施方案，蒸气200可通过导管140从低温空间130排出，之后当填充喷嘴被连接至联接器170时进行再填充。这不同于常规系统，常规系统一般将蒸气200排出至大气，导致气体被浪费且释放到环境中。通过所例示的布置，通过联接器170被排出的蒸气200可被用于预冷却软管和/或管道系统，所述软管和/或管道系统用于将低温液体110递送至低温空间130，且该排出的蒸气可通过填充站再冷凝，从而再回收。
歧管块190内的第二内部通道可被采用以将被排出的蒸气从导管140指引至导管210。压力释放阀220可被安装在歧管块190中，或者歧管块190下游的导管210上。如果填充站不能够接收从低温空间130排出的蒸气200，则该特征允许蒸气200通过导管210排出。如管理用于液化气体的贮存罐的规程所要求的，为了防止低温空间130的过压，当贮存罐在远离填充站正常运行时，当低温空间130内侧的蒸气压力超出一个预定设置点时，压力释放阀220自动打开，以通过导管210排出蒸气。
第三内部通道将出口导管230与递送导管240连接，低温流体通过该递送导管240可递送至终端用户。作为一个实施例，导管230和240可为低压加燃料系统供应用于火花点火式发动机的天然气。在其他实施方案中，高压泵（未示出）可被采用，以将气体递送至较高压力处的终端用户，例如高压直接喷射系统。
歧管190内部的第四通道将导管140连接至压力传感器250。压力传感器250测量蒸气200的压力。随着低温液体110沸腾，低温空间130内的蒸气压力增大。例如，在大气压力时，LNG仅占据蒸气形式的天然气的体积的1/600。随着低温液体110沸腾，它膨胀至其体积的600倍，从而增大了蒸气压力。
电容型液面传感器包括电容器270，该电容器270被布置在低温空间130内，用于测量液体110的液面。电容器270包括一对间隔开的导体280和282。所述液面传感器还包括测量电路290和计算机300。内部线束310和外部线束320将电容器270连接至测量电路290。参考图2a，示出了电容器270、内部线束310和外部线束320的集总参数模型。电容器270包括电阻RC和电容CC。内部线束310包括电阻Rint和电容Cint。外部线束320包括电阻Rext和电容Cext。注意到，在集总参数模型的其他实施方案中，可能包括用于电容器270和内部线束和外部线束320的集总电感，然而已发现，在测量电路290的运行频率处，这些电感的阻抗是可忽略的。电阻RC表示导体280和282的有限电阻。电阻Rint和Rext表示束310和320的线和连接器中的有限电阻。间隔开的导体形成具有电容CC的电容器270。束310和320中的线被包封在对应的缆线壳体中，所述缆线壳体从测量电路290路由到电容器270。线的这种布置具有由Cint和Cext表示的相关联的集总电容。已发现，对于一些应用，电阻Rc、Rint和Rext可被视为零，且可采用图2b的简化模型。
当通过计算机300指令的测量信号经由测量电路290被施加以为电容器270充电且持续一个特定时间段时，电容器270的电容Cc可由间隔开的导体280和282两端的电压来确定。测量电路290可类似于在2009年12月8日授权给本发明的申请人的加拿大专利No.2,629,960（“960专利”）中所公开的测量电路。然而，其他类型的测量电路是可能的。
参考图1和图3，现在描述液面传感器的校准。在液面传感器可用于测量液体100的液面之前，必须校准液面传感器。在本实施方案中，针对根据图2b的模型来描述所述校准。首先，在步骤400中，在安装在罐120中之前，通过经验测量来确定电容Cint和Cext，或者电容CC。例如，这可通过测量电容的常规仪器来实现。优选地，所述测量被执行一次，且所测量的值被用于校准多个传感器。在一个优选的实施方案中，例如当罐120是车辆燃料罐时，电容CC被测量，因为已经发现，对于所有液面传感器，其值是更加一致的。在其他实施方案中，电容Cint和Cext可更加一致，在这样的情形中，它们的值将被测量。在该实施例中，当电容器270处于导体280和282之间仅存在空气的干状态时，所测量的电容表示电容CC(dry)。接下来，在步骤410中，电容器270和线束310和320与罐120组装，且计算机300通过干电容CC(dry)和如下面将描述的其他参数而被编程。当在低温空间130内以及在间隔开的导体280和282之间仅存在空气时，在干状态中执行校准。例如，在制造贮存罐120时，在低温液体110被添加至空间130之前，执行校准。在步骤420中，计算机300指令测量信号被施加至电容器270。在步骤430中，测量电路290测量等于线束310和320以及电容器270的总电容的总电容CT(dry)，并且将该值传达至计算机300。在该情形中，罐120处于干状态，且总电容CT(dry)是表示液面传感器的干电容CC(dry)的第一参数。空气是用于电容器270的第一电介质，且在室温（25℃）时具有约1.00059的第一介电常数kair。
第一参数可以是电压值或电容值，且在本实施方案中，针对第一参数是电容时描述了校准。在步骤440中，计算机300根据下面的等式1计算电容Cint和Cext，等式1从图2b的模型推出。电容Cint和Cext被存储在计算机300的存储器例如EEPROM或FLASH存储器中。
Cint+Cext＝CT(dry)-CC(dry) 等式1
接下来，在步骤450中，计算机300估算表示罐120中的低温液体110的空液面的第二参数。当间隔开的导体280和282之间仅存在蒸气200时，出现空液面。在该情形中，蒸气200是具有第二介电常数kvapor的第二电介质。第二参数是总电容CT(empty)，且基于第一参数和包括第一介电常数kair和第二介电常数kvapor的介电常数的第一比率，根据下面的等式2和等式3来估算。参考等式3，在步骤400中测量CC(dry)，在步骤440中确定Cint和Cext，介电常数kair和kvapor是已知的且在校准步骤之前被编程到计算机300中。
CT(empty)＝CC(empty)+Cint+Cext 等式2
等式3
可能的是，罐120在空液面时可包含低温液体110。例如，间隔开的导体280和282的下端部330不能接触罐120的底部340，所以留在底部340处且不接触导体的低温液体110的量将是不可测量的。随着低温液体110的液面减少且落到下端部330的液面以下时，液面传感器将指示空液面。在校准期间，计算机300被配置为在计算机300的存储器中存储空液面Le（下端部330距离底部340的距离）和空状态时的总电容CT(empty)（即，第二参数），从而将Le与CT(empty)相关联。
接下来，在步骤460中，计算机300估算表示罐120中满液面的第三参数。当间隔开的导体280和282之间仅存在低温液体110时，出现满液面。在该情形中，低温液体110是具有第三介电常数kliquid的第三电介质。该第三参数是总电容CT(full)，且基于第一参数和包括第一介电常数kair和第三介电常数kliquid的介电常数的第二比率，根据等式4和等式5来估算。参考等式5，在步骤400中测量CC(dry)，在步骤440中确定Cint和Cext，介电常数kair和kliquid是已知的且在该校准步骤之前被编程到计算机300中。
CT(full)＝CC(full)+Cint+Cext 等式4
等式5
可能的是，罐120可在满液面时包含蒸气200。例如，间隔开的导体280和282的上端部350与罐120的顶部160的下方间隔开。随着低温液体110的液面增大且上升到上端部350以上时，液面传感器将指示满液面。在校准期间，计算机300被配置为在计算机300的存储器中存储满液面Lf（上端部350距离底部340的距离）以及满状态时的总电容CT(full)（即，第三参数），并且将Lf与CT(full)相关联。这完成了液面传感器的初始校准。
在其他实施方案中，为了增大精确度，如本领域普通技术人员所理解的，可采用图2a的模型。在该情形中，先前讨论的校准步骤将被调整，以考虑有限电阻Rint、Rext和RC。例如，将在步骤400中将附加地测量电阻RC，测量电路290将为计算机300提供总阻抗测量，如本领域中一般已知的，等式1至等式6将被调整，以附加地考虑有限电阻Rint、Rext和RC。为了进一步改进精确度，内部线束310的电容Cint上的蒸气200的效应可被包括在等式2至等式5中。在该情形中，Cint需要独立地从Cext确定，例如，Cint(dry)还可在步骤400中与电容CC(dry)分立地测量。
根据下列步骤，为了改进精确度，在正常运行期间，液面传感器可被再校准。计算机300从压力传感器250接收表示低温罐120内侧的蒸气压力的压力信号。在步骤470中，计算机300周期性地更新作为压力信号的函数的第二介电常数kvapor和第三介电常数kliquid的值。在步骤480中，计算机300可基于经更新的第二介电常数kvapor周期性地校正第二参数，所述第二参数为表示空液面Le的总电容CT(empty)。类似地，基于经更新的第三介电常数kliquid，第三参数可被周期性地校正，所述第三参数为表示满液面Lf的总电容CT(full)。这些经更新的值可被存储在计算机300的存储器中，且用于本文所描述的液面测量。
参考图1和图4，现在描述估算低温液体110的燃料体积和质量的方法。在步骤500中，计算机300指令测量信号被施加至电容器270，以确定罐120中低温液体110的未知液面L4。在步骤510中，测量电路290测量作为表示液面L4的总电容CT(L4)的第四参数。计算机300从测量电路290接收第四参数。
在步骤520中，计算机300通过如下方式来确定液面L4：首先将第四参数与第二参数和第三参数关连，例如根据等式6，通过计算总电容CT(L4)相对于总电容CT(empty)和CT(full)的归一化百分比。继而，根据等式7，可通过在空液面Le和满液面Lf之间进行插值来确定液面L4。
等式6
等式7
在步骤530中，通过数学关系或经验关系来估算低温液体110的、相应于刚刚确定的液面L4的体积。对于一些罐120，可确定将低温液体110的体积限定为低温液体的液面的函数的方程式。对于其他罐，比较难以确定限定这样关系的等式，更方便的是通过执行试验来经验性地将体积与液面关连。在任一情形中，查找表或映射可被用于将液面与体积关连。
在步骤540中确定低温液体110的密度。计算机300基于接收自压力传感器250的蒸气压力信号来计算低温液体110的密度。注意到，在低温液体110的沸腾温度处，低温液体110和蒸气200基本上处于热平衡状态，从而基于蒸气压力，隐含地知晓低温液体110和蒸气200的温度。作为一个实施例，当低温液体110是LNG时，在大气压力时，它在约-162℃沸腾。当罐120为干状态且第一次被填充时，蒸气压力基本上等于大气压力，但是随着罐120中的冷却液体100从周围的壁吸收热量，它导致增大的蒸发作用。随着低温液体110沸腾且蒸气压力增大，沸腾温度增大。压力和沸腾温度之间的关系是公知的，且可被用于确定温度。不需要温度传感器确定温度。
存在用于基于压力和温度来预测低温液体110的密度的若干已知方法。这些方法包括但不限于状态的广义图表、相互关系和等式。广义图表可例如从经验方法来确定。
在又一些实施方案中，低温液体110的密度还可被确定为低温液体110的流体成分的函数。例如，当低温液体110是LNG时，则LNG和蒸气200包括多种烃类，主要是甲烷，但是还有乙烷、丙烷、丁烷和其他成分。市售的天然气来自具有不同烃类成分的各种水平的燃料质量。
为了确定流体成分，歧管190内部的第五通道将导管140连接至流体成分传感器370。流体成分传感器370响应于蒸气200和液体100，以向计算机300提供表示蒸气200和液体110的成分的至少一部分的流体成分信号。也就是说，流体成分传感器370可测量导管140中的至少一种烃的存在。例如，流体成分传感器370可以是测量蒸气200中的甲烷的体积百分比的甲烷传感器。流体成分传感器370可采用光谱类型传感器，但是其他传感器类型是可能的。在其他实施例中，可存在多个流体成分传感器370，所述流体成分传感器370中的每一个可测量特定烃的存在。通过知晓低温液体110和蒸气200中的甲烷的至少体积百分比，可更精确地确定低温液体110的密度。
在又一些实施方案中，低温液体110的密度还可被确定为例如来自超声传感器380的声波行进通过低温液体110的传播速度的函数。超声传感器380发射高频声波390，该高频声波390从罐底部340反射。可基于由往返行进时间和超声传感器380与罐底部340之间的距离所确定的波390的传播速度来估算液体110的密度。在其他实施方案中，超声传感器380可以是还可确定罐120中的液体110的液面的超声液面传感器。在图1中，超声传感器380与内部线束310连接，所述内部线束310与测量电路290连接。在其他实施方案中，超声传感器380可与计算机300直接连接。
在步骤550中，计算机300基于包括分别地在步骤540和550中所确定的低温液体110的密度和体积的输入来估算低温液体110的质量。在本实施方案中，低温液体110被用于为车辆提供动力。在步骤560中，可通过知晓低温液体110的质量来基于车辆的当前运行负荷做出对燃料续航力的估算。例如，在车辆的当前运行负荷时，发动机速度是已知的，每个发动机循环所喷射的燃料的量也是已知的。继而可确定当前运行负荷时车辆的行车范围。
现在参考图1和图4，呈现了所公开的方法的另一实施方案，其中与先前实施方案相同的零件具有相同的参考数字。该实施方案类似于图3的实施方案，未详细描述相同的零件，如果存在的话。在一些应用中，低温液体110和蒸气200都提供燃料，以为车辆提供动力。在该情形中，蒸气200可被包括在对燃料续航力的估算中。
在步骤540中，如先前实施方案中一样来确定低温液体110的体积。计算机300通过将低温液体110的体积从低温空间130的总体积（该低温空间130的总体积是存储在计算机300的存储器中的一个已知值）减去来计算蒸气200的体积。
在步骤550中，如先前实施方案中一样来确定低温液体110的密度。计算机300通过采用下列理想的气体定律来计算蒸气200的密度：
其中：
ρ是密度；
P是蒸气压力；
T是温度；
Rspecific是具体气体常数t。
由于低温液体110和蒸气200之间的热平衡状态以及蒸气压力P，温度T是已知的。
在步骤560中，如先前实施方案中一样，计算机300计算低温液体110的质量。附加地，计算机300从包括蒸气200的体积和蒸气200的密度的输入来计算蒸气200的质量。在步骤570中，计算机300基于低温液体110和蒸气200的质量来估算车辆的燃料续航力。当所有液体110都被车辆消耗时，计算机300可基于所要求的最小气体燃料压力来计算多少剩余的蒸气200可被消耗用作燃料。
已经在该公开内容中描述了该装置和相关联的方法的若干例示性实施方案。然而，本领域普通技术人员将明了，在不背离权利要求所限定的本发明的范围的前提下，可做出多种修改和改型。

Claims (51)

1.一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，提供表示所述液体的液面的参数；
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；以及
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来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；
其中所述计算机还被编程以：
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。
28.根据权利要求27所述的装置，其中所述流体是天然气。
29.根据权利要求27所述的装置，其中所述流体是用于在车辆的内燃机中燃烧的燃料，所述计算机还被编程以从所述第一质量估算所述车辆的燃料续航力。
30.根据权利要求27所述的装置，其中所述液面传感器是浮子型液面传感器。
31.根据权利要求27所述的装置，其中所述液面传感器是超声型液面传感器。
32.根据权利要求27所述的装置，其中所述液面传感器是压力型液面传感器。
33.根据权利要求27所述的装置，其中所述液面传感器是电容型液面传感器。
34.根据权利要求33所述的装置，其中所述电容型液面传感器包括：一对间隔开的导体，被布置在所述低温罐中；以及，一个测量装置，可操作地与所述间隔开的导体连接，并适于将测量信号施加至所述间隔开的导体，以及由此测量表示所述间隔开的导体的电容的相应瞬时值的参数的瞬时值，所述计算机与所述测量装置通信，且还被编程以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，所述计算机被编程以：
指令所述测量信号施加至所述间隔开的导体；
从所述测量装置接收表示干状态时所述间隔开的导体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。
35.根据权利要求34所述的装置，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。
36.根据权利要求34所述的装置，其中所述计算机还被编程以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。
37.根据权利要求34所述的装置，其中所述计算机还被编程以：
指令将所述测量信号施加至所述间隔开的导体；
从所述测量装置接收表示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。
38.根据权利要求37所述的装置，其中所述计算机还被编程以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。
39.根据权利要求27所述的装置，其中所述计算机还被编程以采用所述液面和所述第一体积之间的数学关系。
40.根据权利要求27所述的装置，其中所述计算机还被编程以采用所述液面和所述第一体积之间的经验关系。
41.根据权利要求27所述的装置，其中所述计算机还被编程以采用所述蒸气压力和所述密度之间的数学关系。
42.根据权利要求27所述的装置，其中所述计算机还被编程以采用所述蒸气压力和所述密度之间的经验关系。
43.根据权利要求27所述的装置，其中所述装置还包括一个超声传感器，用于感测声波在所述液体中传播的速度，从包括所述声波的传播的速度的输入来估算所述低温液体的密度。
44.根据权利要求27所述的装置，其中所述装置还包括提供流体成分信号的流体成分传感器；所述计算机响应于所述流体成分信号，以估算所述液体的成分的至少一部分。
45.根据权利要求44所述的装置，其中所述流体成分传感器是甲烷成分传感器。
46.根据权利要求44所述的装置，其中所述计算机还被编程以基于所述液体的成分的至少一部分来估算密度。
47.根据权利要求27所述的装置，其中所述计算机还被编程以计算所述蒸气的第二质量，总流体质量是所述第一质量和所述第二质量的和。
48.根据权利要求47所述的装置，其中所述流体是用于在车辆的内燃机中燃烧的燃料，所述计算机还被编程以从所述总流体质量估算所述车辆的燃料续航力。
49.根据权利要求47所述的装置，其中所述计算机还被编程以：
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。
50.根据权利要求49所述的装置，其中所述计算机还被编程以将所述密度计算作为所述蒸气压力的函数。
51.根据权利要求49所述的装置，其中所述装置还包括提供流体成分信号的流体成分传感器；所述计算机响应于所述流体成分信号，以估算所述蒸气的成分的至少一部分，所述计算机还被编程以基于所述蒸气的成分的至少一部分来估算所述密度。
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