CN110879093A - 一种车载液氢液位测量装置以及其构成的液位计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载液氢液位测量装置以及其构成的液位计，该一种车载液氢液位测量装置包括第一电容式测量组件，包括内管，及套在内管外的外管，所述内管与所述外管之间形成第一液位腔，所述内管的内腔为第二液位腔；第二电容式测量组件，设于第二液位腔中，并与第二液位腔的腔壁间隔设置；绝缘定位结构，与所述第一电容式测量组件、所述第二电容式测量组件分别连接，并设有连通所述第一液位腔和第二液位腔的流通通孔。本发明能够适用于车载状态下温度较低的液氢的测量，测量精度高，满足车载液氢液位测量的需求。

Description

一种车载液氢液位测量装置以及其构成的液位计

技术领域

本发明涉及信号测量技术领域，具体涉及一种车载液氢液位测量装置以及其构成的液位计。

背景技术

重型车辆及长途物流运输车的尾气在世界许多城市都是尾气排放的主谋，采用氢燃料电池技术解决其污染排放问题是近几年国内外研究热点。从美国和欧洲的趋势来看，重卡的研究重心已经由LNG汽车转向氢能重卡。发展氢能重卡也是我国能源结构调整和环保的需要，是未来LNG汽车发展的理想途径。但是，高压车载储氢中存储气态氢气的技术无法满足重型卡车对用氢量的需求，因而车载液态储氢技术将成为未来发展主流。而在车载液态储氢中，车载液氢储罐内液位的高度或容积需要在驾驶室内显示出来，并且，还需要保证在车辆加速、刹车或爬坡等工况条件下都能准确显示。

现有技术中公开有可以在运输过程中准确显示罐内液位的传感器结构，但由于液氢的低温特性，其温度达到了－253℃，而市场上已有的车载液位计都是针对汽油、柴油等常温液体以及液化天然气(LNG)，其温度相对较高，因此，检测时的灵敏度能够达到要求，但是由于液氢本身的介电常数较低，采用常规的车载液位计检测时并不能达到较好的灵敏度，因此，对液氢液位测量而言，现有的车载液位计并不适用。

因此，研制出高精度的车载液氢液位计是目前的一个技术难点。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的车载液位计用于温度较低的液氢时，其灵敏度不能达到需求的缺陷，从而提供一种车载液氢液位测量装置以及其构成的液位计。

一种车载液氢液位测量装置，包括：

第一电容式测量组件，包括内管，及套在内管外的外管，所述内管与所述外管之间形成第一液位腔，所述内管的内腔为第二液位腔；

第二电容式测量组件，设于第二液位腔中，并与第二液位腔的腔壁间隔设置；

绝缘定位结构，与所述第一电容式测量组件、所述第二电容式测量组件分别连接，并设有连通所述第一液位腔和第二液位腔的流通通孔。

所述第二电容式测量组件设置在第二液位腔的底部位置处，并包括：

固定杆，位于所述第二液位腔中；

下插件，套接在固定杆上，包括下本体，及同轴设置于所述下本体上的至少两个下环状结构，相邻的下环状结构之间具有间隙；

上插件，套接在固定杆上，包括上本体，及同轴设置于所述上本体上的至少两个上环状结构；所述上环状结构插置于所述下插件中，并与所述下环状结构沿径向交替设置。

所述第二电容式测量组件还包括隔离结构，所述隔离结构设置在固定杆上，用于对固定杆、下插件和上插件进行两两之间的隔离。

所述环状结构为圆环，所述上插件和下插件上的圆环均设置为两个，上插件上圆环的外径分别为φ40、φ28，下插件上圆环的外径分别为φ34、φ22。

所述上本体包括上连接件和上套环，所述上连接件连接各个所述上环状结构，所述上套环由所述上连接件靠近所述固定杆的一端朝向所述下插件延伸而出；

下本体包括下连接件和下套环，所述下连接件连接各个所述下环状结构，所述下套环由所述下连接件靠近所述固定杆的一端朝向所述上插件延伸而出。

所述第二电容式测量组件位于内管的底部位置处。

所述绝缘定位结构包括绝缘定位件和下端盖；

所述绝缘定位件固定在所述下端盖上，绝缘定位件包括设于所述第二液位腔内的第一定位块，及设于所述外管外的第二定位块；

所述流通通孔设于所述下端盖。

本发明还包括上端盖，所述上端盖设置在第一电容式测量组件上方，所述电容组件与上端盖之间设置有轴向和径向上的活动裕量。

所述内管和外管之间的间距为1mm－3mm。

所述内管直径规格为φ30×3mm，外管直径规格为φ42×4mm。

本发明还包括导出结构，所述导出结构包括：

第一连线结构，与外管电连接，

第二连线结构，与内管电连接，

第三连线结构，与第二电容式测量组件电连接。

一种车载液氢液位计，包括上述的车载液氢液位测量敏感元件。

该一种车载液氢液位计还包括将检测到的电容信号转换为高度或容积的液位计变送仪，所述液位计变送仪包括：

C－H线性变换电路，接收电容信号将其转化为液位高度信号；

液位报警电路，在液位接近零位时报警警示；

液位及报警传输显示电路，用于把液位信号转变为贮箱体积，同时实现液位信号的远传。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的一种车载液氢液位测量装置，公开采用了两组电容式测量组件，分别为第一电容式测量组件和第二电容式测量组件，第一电容式测量组件包括内管和外管，第二电容式测量组件设置在内管内，并且结合在绝缘定位结构上的连通通孔的设置，使液体可以从底部流入或流出第一电容式测量组件和第二电容式测量组件中，有效使第一液位腔和第二液位腔中的液体高度与需要测量液位高度的腔体内的液位高度一致，避免当液位较低时电容组件无法测量的问题，满足液氢低温条件下的测量高度和精度的需求；并且，本发明通过第一电容式测量组件中内外管的设置方式，可以有效减弱车辆在加速、刹车或爬坡等工况条件下内外管之间液面的波动幅度，进而减弱测量腔体内液面波动幅度较大时对第一电容式测量组件检测结果的影响，提高第一电容式测量组件的准确度；而且，本发明中该第二电容式测量组件设置在内管中的方式，还可以通过第一电容式测量组件上内外管的隔离作用，减弱车辆在加速、刹车或爬坡等工况条件下内管的内腔液面波动幅度，能在内外管减弱液面波动幅度的情况下，采用第二电容式测量组件对内管内腔中的液位进行进一步准确检测，进一步减弱晃动对第二电容式测量组件的检测结果的影响，进而提高整体检测的精度和准确度，效果十分显著。

2.本发明进一步优化了第二电容式测量组件的结构和位置，本发明中的第二电容式测量组件为对插式的电容测量组件，具体包括下插件和上插件配合的方式，该结构能够显著提高检测精度。通过检测得知：在该对插式液位报警结构的高度为15mm的区间内，与传统同轴圆柱结构相比较，高度为十分之一的区间内，电容变化约达到5pf，点液位响应灵敏度提高了一倍。但是，由于对插式的电容测量组件高度增加后会影响测量精度，而第一电容式测量组件测量的精度不能满足需求；因此，本发明通过将该对插式的电容测量组件设置在内管的内腔底部的方式，实现了在液位较高时通过第一电容式测量组件进行高度测量，在液位较低时有效通过第二电容式测量组件和第一电容式测量组件组合测量提高液位测量精度的目的，从而满足液氢测量的高度和精度的需求。并且，由于第二电容式测量组件设置在第一电容式测量组件的内腔底端，因此，在车辆的加速、刹车或爬坡等工况条件下，可以显著降低在较低液面时液面波动对检测精度的影响，显著提高运动状态下液氢测量的准确度。

3.本发明提供中上端盖与第一电容式测量组件之间设置有轴向和径向上的活动裕量，由于液氢的温度较低，通过设置活动裕量的方式，能有效避免安装后由于冷缩作用导致的第一电容式测量组件的损坏，提高安装后的稳定性。

4.本发明提供中进一步优化了内管和外管以及下插件和上插件是尺寸位置，即内管直径规格为φ30×3mm，外管直径规格为φ42×4mm，所述上插件和下插件上的圆环均设置为两个，上插件上圆环的外径分别为φ40、φ28，下插件上圆环的外径分别为φ34、φ22；尤其是通过上述内管和外管之间距离，以及上下插件尺寸的优化，在达到测量目的的情况下，能进一步提高检测的精度，更好的满足检测需求。

5.本发明提供的车载液氢液位计能有效适用于液氢这类温度低、介电常数小的物质的液位测量，本发明结构的优化，也适用于在加速、刹车或爬坡等晃动的工况下进行测量，并且具有测量精度高、测量结果准确的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明安装后的结构示意图；

图3为本发明中第二电容式测量组件的结构示意图。

附图标记说明：

1－上端盖，2－绝缘盖，3－第一连线结构，4－第一固定螺钉，5－第二固定螺钉，6－第二连线结构，7－内管，8－外管，9－第三连线结构，11－固定螺母，12－隔离结构，13－固定杆，14－下插件，15－上插件，16－绝缘定位件，17－下端盖。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，一种车载液氢液位测量装置，其具体实施方式，包括：第一电容式测量组件，包括内管7，及套在内管7外的外管8，所述内管与所述外管之间形成第一液位腔，所述内管的内腔为第二液位腔；第二电容式测量组件，设于第二液位腔的中下部位，并与第二液位腔的腔壁间隔设置；绝缘定位结构，与所述第一电容式测量组件、所述第二电容式测量组件分别连接，并设有连通所述第一液位腔和第二液位腔的流通通孔。

本发明公开采用了两组电容式测量组件，分别为第一电容式测量组件和第二电容式测量组件，第一电容式测量组件包括内管和外管，第二电容式测量组件设置在内管内，并且结合在绝缘定位结构上的连通通孔的设置，使液体可以从底部流入或流出第一电容式测量组件和第二电容式测量组件中，有效使第一液位腔和第二液位腔中的液体高度与需要测量液位高度的腔体内的液位高度一致，避免当液位较低时电容组件无法测量的问题；同时，本发明通过内外管构成的第一电容式测量组件和设于第二液位腔中下部位的第二电容式测量组件的结合，既可以实现在液位较高时的有效通过第一电容式测量组件进行测量，也可以在液位较低时通过第二电容式测量组件提高测量精度，满足液氢的测量需求；并且，本发明通过第一电容式测量组件中内外管的设置方式，可以有效减弱车辆在加速、刹车或爬坡等工况条件下液面波动幅度，进而减弱液面波动幅度较大时对电容组件检测结果的影响，而且该第二电容式测量组件设置在内管的中下部位置处，通过内外管的隔离作用，能在第一电容式测量组件降低减弱车辆在加速、刹车或爬坡等工况条件下液面波动幅度的情况下，采用第二电容式测量组件对液位进行进一步检测，进一步减弱晃动对检测结果的影响，尤其是能够显著降低在较低液面时液面波动对检测精度的影响，效果十分显著。

本发明中第二电容式测量组件只要是能够实现高精度测量的电容测量组件均可达到本发明的效果。本发明中该第二电容式测量组件选择为对插式液位报警结构。本发明还提供了该该对插式液位报警结构的具体组成，具体包括：固定杆13，位于所述第二液位腔中；下插件14，套接在固定杆13上，包括下本体，及同轴设置于所述下本体上的至少两个下环状结构，相邻的下环状结构之间具有间隙；上插件15，套接在固定杆13上，包括上本体，及同轴设置于所述上本体上的至少两个上环状结构；所述上环状结构插置于所述下插件中，并与所述下环状结构沿径向交替设置。

本发明中，该上本体和下本体的作用仅仅是用于连接将多个下环状结构或多个上环状结构连接为同轴设置的一体式结构，该上本体和下本体上还应当具有可以便于第二液位腔中的液体流入和流出该环状结构的连通口，提高检测的准确度。本发明中该上环状结构和下环状结构的数量可以为两个，也可以设置为多个；本发明中直径最大的环状结构可以是上环状结构，也可以是下环状结构；本发明中该上环状结构和下环状结构的横截面可以为椭圆形，也可以设置为圆形。本实施例中，该上环状结构和下环状结构的形状相同、数量相同，如图3所示。

如图2所示，为了提高检测精度，并满足车载液氢存贮腔大小的需求，并且，由于第二电容式测量组件是设置在第一电容式测量组件的内管7的内腔中下部，基于第一电容式测量组件的尺寸需求，本发明进一步优化了第二电容式测量组件的尺寸大小。本实施例中将所述上环状结构和下环状结构设置为圆环，所述上插件15和下插件14上的圆环的数量均设置为两个，最大直径的圆环为上环状结构，上插件15上圆环的外径分别为φ40、φ28，下插件14上圆环的外径分别为φ34、φ22，如图3所示。

通过上述结构的优化设置，能进一步提高检测的精度，通过验证得知：在该对插式液位报警结构的高度为15mm的区间内，与传统同轴圆柱结构相比较，高度为十分之一的区间内，电容变化约达到5pf，点液位响应灵敏度提高了一倍。

为了达到检测稳定、方便安装等效果，本发明还进一步优化了下插件14、上插件15的具体结构，并增加了隔离结构12。具体的，所述上本体包括上连接件和上套环，所述上连接件连接各个所述上环状结构，所述上套环由所述上连接件靠近所述固定杆的一端朝向所述下插件延伸而出；下本体包括下连接件和下套环，所述下连接件连接各个所述下环状结构，所述下套环由所述下连接件靠近所述固定杆的一端朝向所述上插件延伸而出。当所述固定杆13为绝缘材质时，该隔离结构12为三个片状环形结构，三个片状环形结构的内径与固定杆13的外径相同，三个片状环形结构均套接在固定杆13上，且分别位于下插件14下方、下插件14和上插件15之间以及上插件15的上方。当所述固定杆13无论为何种材质时，该隔离结构12均可以包括三个片状环形结构以及一个套筒状结构，其中两个圆片状结构的内径与套筒状结构的内径相同，另外一个片状环形结构的内径与套筒状结构的外径相同，使用时，只需先将小内径的片状环形结构套在固定杆13上，再将套筒状结构套在固定杆13上，安装下插件14，然后将大内径的片状环形结构套在套筒状结构上，安装上插件15，最后将剩余的一个内径的片状环形结构套在固定杆13上即可。本实施例中该隔离结构12的具体形状无需进行详细描述，只要是能够实现固定杆13、下插件14和上插件15之间两两隔离的结构均可。本实施例中该固定杆13上还可以设置有螺纹，因此，可以通过固定螺母11将隔离结构12、下插件14和上插件15拧紧在固定杆13上，如图1和图3所示。

本发明中，为了便于安装，使安装后结构更加稳定，本发明还优化了绝缘定位结构的设置，具体的，所述绝缘定位结构包括绝缘定位件16和下端盖17。其中，所述绝缘定位件16固定在所述下端盖17上，绝缘定位件16包括设于所述第二液位腔内的第一定位块，及设于所述外管外的第二定位块；所述流通通孔设于所述下端盖17。本实施例中该第一定位块包括外壁直径与内管7的内壁直径相同的环状绝缘筒体，第二定位块包括内壁直径与外管8外壁直径相同的环状绝缘筒体，该下端盖17上的流通通孔同时连通第一液位腔、第二液位腔和外管8外壁外腔体。该第一定位块和第二定位块上还可以分别设置用于分别放置内管7和外管8的绝缘台阶。该绝缘定位件16固定在下端盖17上，进而实现内管7和外管8的定位，该固定杆13底端也可以直接固定在下端盖17上，便于整体安装。

本发明中为了提高第一电容式测量组件的检测精度，所述内管7和外管8之间的间距为1mm－3mm。优选的，所述内管7直径规格为φ30×3mm，外管8直径规格为φ42×4mm。

本发明的一种车载液氢液位测量装置，还包括上端盖1，所述上端盖设置在第一电容式测量组件上方，所述第一电容式测量组件与上端盖1之间设置有轴向和径向上的活动裕量，为了便于安装该上端盖1采用金属材质构成，因此，该上端盖1与第一电容式测量组件顶端之间还设置有绝缘盖2，用于隔离上端盖1与第一电容式测量组件。经过检测得知，在本发明的上述尺寸结构下，液氢低温条件下，第一电容式测量组件的径向收缩余量为2mm，轴向收缩余量7mm，因此，通过本发明中活动裕量的设置，能有效避免安装后由于冷缩作用导致的第一电容式测量组件的损坏，提高安装后的稳定性。

为了便于导线的连接，本发明中第一电容式测量组件和第二电容式测量组件上还连接有导出结构，具体的，所述导出结构包括：与外管8电连接的第一连线结构3，与内管7电连接的第二连线结构6，与第二电容式测量组件电连接的第三连线结构9。其中，第一连线结构3为传导片，通过通过第一固定螺钉4与外管8电连接；第二连线结构6为连接片，通过第二固定螺钉5与内管7电连接。所述第三连线结构9为连线片，数量设置为两个，分别通过固定铆钉连接分别固定在下插件14和上插件15上，如图3所示。

采用上述结构，经过液氢真实介质的加注试验，性能良好，能够真实反映液位实际工作状态，下表1所示是液氢加注过程中记录的电容数值和理论值的比较表。

表1

由于传感器在设计加工过程中需要开液流孔，因此其电容实际值小于理论值是正常现象，且其误差值在设计误差范围内，上述表1中的报警小节即为第二电容式测量组件。

实施例2

本实施例提供了一种车载液氢液位计，包括上述实施例1中的一种车载液氢液位测量装置，还包括将检测到的电容信号转换为高度或容积的液位计变送仪。

所述液位计变送仪包括：C－H线性变换电路，接收电容信号将其转化为液位高度信号；液位报警电路，在液位接近零位时报警警示；液位及报警传输显示电路，用于把液位信号转变为贮箱体积，同时实现液位信号的远传。

本发明中第一电容式测量组件、第二电容式测量组件均采用电容三端测量原理进行测量，克服了分布电容、漏感及铜阻的影响，形成了完整的高输入屏蔽链，实现了点液位小信号的快速提取和显示，电容三端测量原理为现有技术，在本发明中不再赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种车载液氢液位测量装置，其特征在于，包括：

第一电容式测量组件，包括内管(7)，及套在内管(7)外的外管(8)，所述内管与所述外管之间形成第一液位腔，所述内管的内腔为第二液位腔；

第二电容式测量组件，设于第二液位腔中，并与第二液位腔的腔壁间隔设置；

绝缘定位结构，与所述第一电容式测量组件、所述第二电容式测量组件分别连接，并设有连通所述第一液位腔和第二液位腔的流通通孔。

2.根据权利要求1所述的一种车载液氢液位测量装置，其特征在于，所述第二电容式测量组件设置在第二液位腔的底部位置处，并包括：

固定杆(13)，位于所述第二液位腔中；

下插件(14)，套接在固定杆(13)上，包括下本体，及同轴设置于所述下本体上的至少两个下环状结构，相邻的下环状结构之间具有间隙；

上插件(15)，套接在固定杆(13)上，包括上本体，及同轴设置于所述上本体上的至少两个上环状结构；所述上环状结构插置于所述下插件中，并与所述下环状结构沿径向交替设置。

3.根据权利要求2所述的一种车载液氢液位测量装置，其特征在于，所述第二电容式测量组件还包括隔离结构(12)，所述隔离结构(12)设置在固定杆(13)上，用于对固定杆(13)、下插件(14)和上插件(15)进行两两之间的隔离。

4.根据权利要求2或3所述的一种车载液氢液位测量装置，其特征在于，所述环状结构为圆环，所述上插件(15)和下插件(14)上的圆环均设置为两个，上插件(15)上圆环的外径分别为φ40、φ28，下插件(14)上圆环的外径分别为φ34、φ22。

5.根据权利要求2－4任一项所述的一种车载液氢液位测量装置，其特征在于，

所述上本体包括上连接件和上套环，所述上连接件连接各个所述上环状结构，所述上套环由所述上连接件靠近所述固定杆的一端朝向所述下插件延伸而出；

所述下本体包括下连接件和下套环，所述下连接件连接各个所述下环状结构，所述下套环由所述下连接件靠近所述固定杆的一端朝向所述上插件延伸而出。

6.根据权利要求1－5任一项所述的一种车载液氢液位测量装置，其特征在于，所述绝缘定位结构包括绝缘定位件(16)和下端盖(17)；

所述绝缘定位件(16)固定在所述下端盖(17)上，绝缘定位件(16)包括设于所述第二液位腔内的第一定位块，及设于所述外管(8)外的第二定位块；

所述流通通孔设于所述下端盖(17)。

7.根据权利要求1－6任一项所述的一种车载液氢液位测量装置，其特征在于，还包括上端盖(1)，所述上端盖(1)设置在第一电容式测量组件上方，所述第一电容式测量组件与上端盖(1)之间设置有轴向和径向上的活动裕量。

8.根据权利要求1－7任一项所述的一种车载液氢液位测量装置，其特征在于，所述内管(7)和外管(8)之间的间距为1mm－3mm。

9.根据权利要求8所述的一种车载液氢液位测量装置，其特征在于，所述内管(7)直径规格为φ30×3mm，外管(8)直径规格为φ42×4mm。

10.根据权利要求1－9任一项所述的一种车载液氢液位测量装置，其特征在于，还包括导出结构，所述导出结构包括：

第一连线结构(3)，与外管(8)电连接，

第二连线结构(6)，与内管(7)电连接，

第三连线结构(9)，与第二电容式测量组件电连接。

11.一种车载液氢液位计，其特征在于，包括如权利要求1－10任一项所述的一种车载液氢液位测量装置。

12.根据权利要求11所述的车载液氢液位计，其特征在于，还包括将检测到的电容信号转换为高度或容积的液位计变送仪，所述液位计变送仪包括：

C－H线性变换电路，接收电容信号将其转化为液位高度信号；

液位报警电路，在液位接近零位时报警警示；

液位及报警传输显示电路，用于把液位信号转变为贮箱体积，同时实现液位信号的远传。

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