CN105424080A - 测定燃料质量和燃料密度的方法 - Google Patents

Abstract

为了说明测定燃料密度的方法，包括步骤a.持续测量燃料箱底部的流体静压；测定燃料质量的方法、根据上述方式测定燃料密度的评估和控制单元(15)和根据上述方式测定燃料质量的评估和控制单元(15)，从而能更准确的确定燃料密度和质量，建议包括以下步骤：b.通过以燃料体积流量(21)增加和减少燃料量来改变燃料箱(1)中所加的燃料量；c.结合压力和步骤b)中可变的大小计算密度。

Description

测定燃料质量和燃料密度的方法

本发明涉及测定燃料箱(尤指船舱)中燃料密度的方法，包括以下步骤

a.持续测量燃料箱底部的流体静压。

本发明还涉及测定燃料箱(尤指船舱)中燃料质量的方法，包括以下步骤

a.测定燃料的密度；

b.测量燃料箱底部的流体静压；

c.根据步骤b)测量所得的压力和步骤a)测定的密度计算燃料填充水平；

d.根据燃料填充水平计算燃料填充量；

e.根据燃料密度和燃料填充量计算燃料质量。

此外，本发明涉及一个数据技术评估和控制单元，用于执行专利要求1-13中测定燃料箱(尤指船舱)中燃料密度的方法。

最后，本发明涉及一个数据技术评估和控制单元，用于执行专利要求14-15中测定燃料箱(尤指船舱)中燃料质量的方法。

气候变化和全球性急剧增长的燃料成本使得降低燃料消耗和提高燃料品质成为必要。尤其是船舶。

本专利申请涉及用于自动检测船舱中所加燃料的质量、测定化学能、验证船舶内部能量转移以及平衡燃料消耗及转换成其他能量形式的一般方法和装置，用于生成参数和关键性能指标(KPI)，从而可以结合船舶运行、运输和发动机功率评估实际燃料消耗。在这一方面，已知根据上述方式并考虑温度测量的结果测定燃料密度的方法。燃料密度，尤其是船舱内燃料密度的测定通常费时费力或费用高昂。

同样，已知根据上述方式测定燃料质量的方法也存在问题，在实践中缺乏测定燃料密度的方法。因为船舱燃料箱的温度有波动以及不同容积的燃料箱内的温度各异，在实践中测定燃料质量时通常会出错，测定偏差在百分比范围内。但是，因为航运业中使用的燃料绝对数巨大，测定密度时的错误或忽视密度绝对值的变化会造成显著偏差。这会造成经济上的巨大损失，如加装燃料时。

因此需要能够更好并经济实用的测定燃料箱中所加燃料的密度和质量的方法和装置。

因此，本发明旨在说明根据上述方式测定燃料密度的方法、测定燃料质量的方法以及根据上述方式测定燃料密度和燃料质量的评估和控制单元，从而能更准确地测定燃料的密度或质量。

根据本发明，测定燃料箱(尤指船舱)中燃料密度的方法包括以下步骤

a.持续测量燃料箱底部的流体静压；

其中包括以下步骤：

b.通过增加或减少体积流量来改变燃料箱中燃料的填充量；

c.结合压力和步骤b)中可变的大小计算密度。

在本发明中，燃料箱中燃料的填充量可通过体积流量的增加来改变。同样，在本发明中燃料的填充量还可以通过体积流量的减少来改变，尤其是将燃料导入下接的燃料箱。持续测量燃料箱底部的流体静压可由专业人员采用已知的方法和方式进行，例如通过压力传感器。为了获得流体静压的时间变化曲线，有必要借助配置的评估和控制单元，按照时间顺序持续记录流体静压的测量值。

为了更有利的实施本发明中所述的方法，以下步骤与步骤b)同时进行

d.确定流体静压的时间压力变化率(23，24)；

其中，进一步可变参数是流体静压的时间压力变化率(23，24)。通过确定压力变化率，有利于确定横截面几何形状有显著变化的燃料箱的燃料填充水平。此外，通过评估压力变化率可分析确定不同填充水平压力变化率的显著变化。以这种方式，在不知道燃料密度的情况下，只要已知不同横截面的燃料箱的几何形状就可以根据压力测量确定不同的填充水平。前提条件是燃料体积流量没有同时发生显著变化。在实践中，燃料体积流量和填充水平同时发生显著变化的情况几乎不存在。因此，压力变化率的显著变化是用于确定填充水平的一种方法。在同时已知填充水平和流体静压的情况下，根据以下已知的公式确定燃料密度

$\mathrm{\ρ}=\frac{p}{gI}$

其中

ρ待确定的燃料密度，

p流体静压，

g重力加速度

h填充水平

当本发明中所述的方法包括与步骤b)同时执行的进一步步骤

e.读取参考填充水平限位开关的输出信号；

其中其他的变量是填充水平限位开关的输出信号，可根据以上公式确定密度，而不取决于横截面几何形状发生显著变化的燃料箱的不同参考填充水平。

为了更有利的实施本发明，填充量的改变应使填充水平超出参考填充水平；并执行以下进一步步骤：

f.测定参考填充水平；

其中，根据参考填充水平和参考填充水平下的流体静压计算燃料密度。在这种情况下，根据确定参考填充水平和同时已知的流体静压可测定燃料密度。

为了确保能识别不同填充水平的流体静压的时间变化实际上并不是因为燃料体积流量的变化而引起的，在本发明的一个有利的实施方案中规定步骤b)的燃料体积流量保持恒定不变。

根据本发明的有利实施方案，在优选恒定燃料体积流量的情况下，在步骤b)中检测到流体静压的显著变化并确定相应的填充水平，在燃料箱表中选择填充水平变化率有显著变化的过渡填充水平。过渡填充水平可以位于燃料箱的边缘或斜面。在本发明中，填充水平也可同样作为过渡填充水平用于其他几何形状的燃料箱。

填充水平变化率，即特定燃料箱填充量的变化，在本发明中指的是当填充量增加或减少指定量时填充水平变化的长度单位。填充水平变化率可在本发明中通过不同的方式来确定。原则上按照时间顺序使用专业人员已知的方法测量填充水平，并同时确定增加或减少的燃料体积流量，从而确定填充量的变化并最终确定填充水平变化率。

本发明规定燃料箱在垂直方向的横截面可变，因此当横截面发生显著变化时，填充水平也随之改变，从而导致填充量的变化。因此只要已知燃料箱几何形状，可通过观察流体静压时间压力变化率的显著改变就确定与压力测量值相对应的填充水平。通过这种方式可以根据以上公式确定燃料密度。

根据本发明，燃料箱至少有两个相叠的矩形部分，其中过渡填充水平则位于两个矩形部分的过渡区。

为了使本发明中的方法同样适用其他任何几何形状的燃料箱(包括没有显著横截面变化的燃料箱)，本发明的另一实施方案包括了以下进一步步骤

g.根据填充量的变化测定填充水平变化率；

其中，根据时间压力变化率、填充水平变化率和燃料体积流量计算密度。在本发明的另一实施方案中，使用以下公式根据时间压力变化率、填充水平变化率和燃料体积流量计算密度：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\frac{\∂p}{\∂t}}{g\frac{\∂V}{\∂t}\frac{\∂I}{\∂V}}$

其中

ρ待确定的燃料密度，

时间压力变化率，

重力加速度，

燃料体积流量和

填充水平变化率

在本发明确定燃料密度的方法中，根据说明填充水平和填充量之间关系的燃料箱表来确定填充水平变化率。在实践中，指定的燃料箱通常都配有所谓的燃料箱表，表格中列明指定的填充水平对应的填充量或反之，指定的填充量对应的填充水平。

通过在本发明另一个有利实施方案规定的测定燃料密度的方法测量燃料箱中所加燃料的填充量。在这种情况下，填充水平变化率根据填充高度或填充量的变化而变化，即取决于燃料箱不同横截面的填充水平高度。在这种情况下，结合燃料箱表的填充量的测量可以确定用于计算燃料密度的填充水平变化率。填充量可由专业人员采用已知的填充水平测量方法或其他方式进行测量。

为了使本发明测定燃料密度的方法同样适用于不同几何形状的燃料箱，例如基于以上公式，可根据燃料箱的填充量计算填充水平变化率。最简单的情况是通过评估燃料箱表来确定。或者在若没有燃料箱表的情况下，可通过监控加料过程，并同时测量燃料体积流量和填充水平，然后根据填充量计算填充水平变化率。

在本发明特别有利的实施方案规定的测定燃料密度的方法中，燃料箱在垂直方向的横截面为变量，填充水平随着为燃料箱横截面的显著变化而变化，从而导致填充量的变化。在该方法中，最好使用燃料箱表来计算填充水平变化率，而无需测量燃料箱中所加燃料的填充量。因为在执行步骤B时，如果填充水平因为横截面的显著变化而超出一定范围，则压力也会发生显著变化，从而可以测定填充量。

尤其有利的是，在测定燃料密度的方法中，如果步骤B的燃料体积流量保持恒定。在实践中，这种情况往往发生在加料时。在这种情况下，只需单次测量燃料体积流量，因为它在计算燃料密度时作为常量。从而简化了该方法的计算的实施。

根据本发明的有利实施方案，在优选恒定燃料体积流量的情况下，在步骤B)中检测到流体静压的显著变化并确定相应的填充水平，在燃料箱表中选择填充水平变化率有显著变化的过渡填充水平。这是基于考虑到流体静压在燃料体积流量恒定的情况下发生显著变化会导致填充水平变化率发生显著变化。根据本发明中的该方法无需测量燃料箱中所加燃料的填充量。

根据本发明的特殊实施方案，燃料箱至少有两个相叠的矩形部分，其中过渡填充水平位于两个矩形部分的过渡区。这种燃料箱在船舶中是常见的。在矩形部分的过渡区，燃料箱横截面以及填充高度都会发生显著变化。这有利于使用本发明中规定的方法，根据燃料箱表计算填充量。以这种方式，可结合压力测量进行简单的燃料密度测定。

本发明涉及测定燃料箱中的燃料质量，尤其是上述船舱燃料箱所加燃料的质量，通过专利要求1-9测定的燃料密度计算。以这种方式可通过测量燃料箱底部的流体静压和校正的燃料密度测定燃料质量。因为填充水平可根据步骤C使用以下公式计算：

$h=\frac{p}{g\mathrm{\ρ}}$

其中

ρ燃料密度，

g重力加速度和

p燃料箱底部的流体静压

在本发明确定燃料质量的方法中，根据说明填充水平和填充量之间关系的燃料箱表来确定填充量。只要有燃料箱表(通常情况下都有)，就只需测量燃料箱底部的流体静压，然后根据燃料密度和填充量计算燃料质量。

关于上述执行测定燃料密度方法的评估和控制单元，根据本发明，评估和控制单元的设计应确保与步骤b)同时测定流体静压的时间压力变化率和对应填充量变化的填充水平变化率，然后根据时间压力变化率、填充水平变化率和燃料体积流量计算燃料密度。根据本发明，所述评估和控制单元的设置和编程应确保根据专利要求1-9执行方法步骤。

尤其是在本发明更有利的实施方案中，评估和控制单元提供一个数据库和说明填充水平和填充量之间关系的燃料箱表。

在其他实施方案中，评估和控制单元包括压力测量装置，用于测量燃料箱底部的流体静压和/或用于测定燃料体积流量的装置。

关于上述执行测定燃料质量方法的数据技术评估和控制单元，其解决方案是专门配置，用于执行根据专利要求10-11的方法，并优选压力测量装置，用于测量燃料箱底部的流体静压和/或用于测定燃料体积流量的装置。

本发明优选的实施方式将通过参考示例图描述，从图中可以了解到更多有利的细节。

功能相同的部分使用同样的参考标识。

图纸详细信息：

图1：燃料箱纵截面示意图；

图2：根据图1，填充高度H和填充量V(上)以及填充水平变化率与填充量(下)的关系示意图；

图3：填充量V(t)与时间t以及当加料过程中燃料体积流量为常量时燃料体积流量与时间t的过程示意图；

图4：根据图1执行本发明中所述方法时的流体静压时间曲线图示意图，燃料体积流量的变化如图3所示(上)，上述情况下的时间压力变化率示意图(下)。

图1为燃料箱的纵向剖面图。燃料箱1包含两个矩形部分，下矩形部分2和上矩形部分3。如图1所示，下矩形部分2的横截面4比上矩形部分3的横截面5大。燃料箱1只有一个如图所示的压力传感器6，通常情况下用于测量燃料箱1底部的流体静压p。

此外，在图1中燃料箱1的下矩形部分2和上矩形部分3之间的过渡区还标记了下填充水平8。在所述过渡区的上方标记了上填充水平9。最后在下填充水平8和上填充水平9之间标记过渡填充水平10，正好位于下矩形部分2和上矩形部分3之间的过渡区。

此外，如图1所示，燃料箱1上标识了入口和出口11以及流量计12。流量计12为可选。它可以用任何适合的装置替代，只要能确定流量是恒定或可变即可。

此外，图1还标识了本发明所述的数据技术评估和控制单元15。评估和控制单元15具有一个数据库16。数据库16包含一个说明填充水平和填充量之间关系的燃料箱表。评估和控制单元15具有数据输入(未详述)，用于燃料箱1底部的流体静压p和燃料体积流量，作为入口和出口11中流量计12的测量输出。

图2所示的评估和控制单元15数据库16的燃料箱1的燃料箱表数据。上图显示填充水平h(V)和填充量V的函数关系。图2的下图显示填充水平变化率即填充水平H和填充量V的比。如图所示，图上方的曲线在过渡填充水平10的位置弯折，因为在填充水平体积流量相同的情况下，燃料箱1中上矩形部分3的较小横截面5比下矩形部分2变化显著。弯折17作为显著变化易于数据分析。而与上图弯折17相对应的填充量18与燃料箱1下矩形部分2的填充量相等。

图2中的下图显示填充量18的部分填充高水平变化率发生了显著变化，即从较小常量值19到较大常量值20，这在上矩形部分3中起决定性作用。图3的上图显示当燃料箱1通过进口和出口11填充，燃料体积流量恒定，用流量计12测量，填充量V是如何根据时间t改变的。

图3的下图显示恒定的燃料体积流量21在时间曲线图中作为常量。

最后，图4的上图显示用压力传感器6测量燃料箱1底部流体静压7的时间曲线图。

图4的下图显示了相应的压力变化率，作为根据上图的流体静压的时间导数。如图所示，在标记22的时间点上，压力变化率发生显著的变化，从压力变化率23(在以恒定的燃料体积流量21填充燃料箱1的下矩形部分2时起决定性作用)到压力变化率24(在以恒定的燃料体积流量21填充燃料箱1的上矩形部分3时起决定性作用)。

为了现在能根据本发明中的方法测定燃料箱1中的燃料密度，操作如下：通过评估和控制单元15和适当的采样率测量流体静压p7。通过燃料进出口11将燃料加入燃料箱1。使用燃料进出口11的流量计12测量燃料体积流量21。根据所述示例，燃料的体积流量为常量，如图3所示。

输出的下填充水平8低于过渡填充水平10。通过燃料进出口11加入燃料的过程中，要一直使用压力传感器6记录流体静压p7，直至填充水平超出过渡填充水平10，而达到上填充水平9。在测量过程中所获得的测量值系列如图4的上图所示。

现在借助评估和控制单元15，在时间点22和压力变化率24时，通过图2所示的燃料箱表数据测定填充量18和对应的填充水平变化率20，其中图2所示的数据保存在数据库16的评估和控制单元15中。

因此，根据本发明可以简单的根据压力测量值的显著变化(如图4所示)测定填充量18，从而又可以确定燃料箱1上部分的填充变化率20，这对于上填充水平9起决定性作用。

根据公式

$\mathrm{\ρ}=\frac{\frac{\∂p}{\∂t}}{g\frac{\∂V}{\∂t}\frac{\∂I}{\∂V}}$

可测定所加燃料的密度，其中只需要压力传感器6测量燃料箱1底部流体静压所得的测量值以及流量计12的测量值，而无需温度测量值。

在最简单的情况下，可以根据图1所示的结构测量燃料箱1中所加燃料的密度和质量，而无需使用流量计12测量燃料体积流量。在实践中，通常假设当填充水平超出过渡填充水平10时，燃料体积流量不会发生显著变化或突然变化。

根据该实施方案，只需观察压力的时间曲线图，如图4上图所示。通过评估压力变化率确定时间点22，比较图4下图。在该时间点，压力的时间曲线图出现一个弯折，它表示压力变化率的跳跃(如图4下方所示)。在时间点22所测得的压力p0通过燃料箱的几何形状识别，例如通过查询燃料箱表，如图2上方的信息所示，达到过渡填充水平10，其中用于计算填充量的填充高度的曲线也发生弯折。通过在时间点22所测得的流体静压以及与流体静压值相应的过渡填充水平10可使用以下已知公式

$\mathrm{\ρ}=\frac{p_0}{{\mathrm{gI}}_0}$

如果在进一步加料过程中，燃料密度保持不变，则可使用公式

$h=\frac{h_0}{p_0}p$

通过流体静压p测定校正密度的填充水平。根据燃料箱表(参见图2)可查找填充水平h对应的填充量。所加燃料的质量则通过燃料密度与用这种方式求得的燃料体积简单相乘来计算。该方法无需测量流量。

参照符号列表

1燃料箱

2下矩形部分

3上矩形部分

4横截面

5横截面

6压力传感器

7流体静压

8下填充水平

9上填充水平

10过渡填充水平

11进口和出口

12流量计

13

14

15数据技术评估和控制单元

16数据库

17弯折

18填充量

19下部分的填充水平变化率

20上部分的填充水平变化率

21恒定的燃料体积流量

22时间点

23下部分的压力变化率

24上部分的压力变化率

Claims (20)

1.测定燃料箱1(尤指船舱)中燃料密度的方法，包括以下步骤

a.持续测量燃料箱底部的流体静压；

其特征在于包括进一步的步骤：

b.通过以燃料体积流量(21)增加和减少燃料量来改变燃料箱1中所加的燃料量；

c.结合压力和步骤b)中可变的大小计算密度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括与步骤b)同时执行的进一步步骤

d.测定流体静压的时间压力变化率(23,24)；

其中进一步可变参数是流体静压的时间压力变化率(23，24)。

3.根据权利要求1或2，其特征在于包括与步骤b)同时执行的进一步步骤

e.读取参考填充水平限位开关的输出信号；

其中其他的变量是填充水平限位开关的输出信号。

4.根据权利要求1至3，其特征在于填充量的改变应使填充水平超出参考填充水平；并执行以下进一步步骤：

f.测定参考填充水平；

其中，根据参考填充水平和参考填充水平下的流体静压计算燃料密度。

5.根据任一上述权利要求所述的方法，其特征在于步骤b)的燃料体积流量保持恒定。

6.根据任一上述权利要求所述的方法，其特征在于在优选恒定燃料体积流量的情况下，在步骤b)中检测到流体静压的显著变化并确定燃料箱(1)相应的填充水平，在燃料箱表中选择填充水平变化率有显著变化的过渡填充水平(10)。

7.根据任一上述权利要求所述的方法，其特征在于燃料箱(1)在垂直方向的横截面为变量，填充水平因为燃料箱(1)横截面的显著变化而变化，从而导致填充量的变化。

8.根据任一上述权利要求所述的方法，其特征在于燃料箱(1)至少有两个相叠的矩形部分，其中过渡填充水平(10)则位于两个矩形部分的过渡区。

9.根据任一上述权利要求所述的方法，其特征在于包括以下进一步步骤

g.测定与填充量变化相对应的填充水平变化率；

其中根据时间压力变化率、填充水平变化率和燃料体积流量计算燃料密度。

10.根据任一上述权利要求所述的方法，其特征在于根据说明填充水平和填充量之间关系的燃料箱表来确定填充水平变化率。

11.根据任一上述权利要求所述的方法，其特征在于测量燃料的体积流量。

12.根据任一上述权利要求所述的方法，其特征在于测量燃料箱(1)所加燃料的填充量。

13.根据任一上述权利要求所述的方法，其特征在于根据燃料箱(1)的填充量测定填充水平变化率。

14.测定燃料箱(1)(尤指船舱)中燃料质量的方法，包括以下步骤

a.测定燃料的密度；

b.测量燃料箱(1)底部的流体静压；

c.根据步骤b)测量所得的压力和步骤a)测定的密度计算燃料填充水平；

d.根据燃料填充水平计算燃料填充量；

e.根据燃料密度和燃料填充量计算燃料质量。

其特征在于根据权利要求1至13所述的方法测定燃料密度。

15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于根据说明填充水平和填充量之间关系的燃料箱表来确定填充量。

16.数据技术评估和控制单元，用于执行根据专利要求1至13的方法，测定燃料箱(1)(尤指船舱)中燃料的密度。

17.根据权利要求16所述的评估和控制单元，其特征在于包括说明填充水平和填充量之间关系的燃料箱表的数据库。

18.根据权利要求16至17所述的评估和控制单元，其设计应确保与步骤b)同时测定流体静压的时间压力变化率和/或对应填充量变化的填充水平变化率，然后根据时间压力变化率和/或填充水平变化率和/或燃料体积流量计算燃料密度。

19.根据权利要求16至18所述的评估和控制单元，其特征在于包括压力测量装置，用于测量燃料箱(1)底部的流体静压和/或用于测定燃料体积流量的装置。

20.数据技术评估和控制单元，用于执行根据专利要求14至15的方法，测定燃料箱(1)(尤指船舱)中燃料的质量，其特征在于数据技术评估和控制单元用于执行根据专利要求16-19的方法测定燃料密度，并优选压力测量装置，用于测量燃料箱底部的流体静压和/或用于测定燃料体积流量的装置。