CN110901828A - 自由液面控制装置及其控制方法、储存装置和船舶 - Google Patents

自由液面控制装置及其控制方法、储存装置和船舶 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自由液面控制装置及其控制方法、储存装置和船舶，所述控制装置包括：液位检测模块，用于检测储存容器中的液面高度；舱壁晃荡载荷测量模块，用于检测舱壁受到的晃荡载荷；填充气囊，设置于储存容器中；气压检测模块，设置于填充气囊之中，用于检测填充气囊内的气压；充气装置，用于对填充气囊充气；控制模块，用于根据液面高度和晃荡载荷，确定填充气囊的目标气压，控制充气装置向填充气囊充气，直到气压检测模块所检测的气压达到目标气压。本发明能够有效地限制储存容器内的液体自由晃动，使得船只在运输液体时减少储存容器破裂或者船只侧翻的可能。本发明可以广泛应用于船舶运输安全技术领域。

Description

自由液面控制装置及其控制方法、储存装置和船舶
技术领域
本发明涉及船舶运输安全技术领域，尤其是一种自由液面控制装置及其控制方法、储存装置和船舶。
背景技术
自由液面所产生的效应是指液体或小型固体，如稻谷、种子或砂石的聚集物响应海浪或风力引发的作用与船体的状况，在船舶运输中船舶货仓、淡水舱、主机日用油柜等液体储存罐发生姿态改变的状况，对液舱内壁产生撞击，即晃荡载荷，这种载荷撞击到液舱内壁会对焊缝、拐角等部位产生应力集中的现象，极易产生破坏，引发液舱泄漏等安全事故。同时自由液面效应是造成船只倾覆的重要原因之一，是船舶工程、轮机工程领域亟待解决的重要问题。
发明内容
为解决上述技术问题的至少之一，本发明的目的在于：提供一种自由液面控制装置及其控制方法、储存装置和船舶，以保障船舶在运输小型固体或者液体时的安全。
第一方面，本发明实施例提供了：
一种自由液面控制装置，包括：
液位检测模块，用于检测储存容器中的液面高度；
舱壁晃荡载荷测量模块，用于检测舱壁受到的晃荡载荷；
填充气囊，设置于储存容器中；
气压检测模块，设置于填充气囊之中，用于检测填充气囊内的气压；
充气装置，用于对填充气囊充气；
控制模块，用于根据液面高度和晃荡载荷，确定填充气囊的目标气压，控制充气装置向填充气囊充气，直到气压检测模块所检测的气压达到目标气压。
进一步，所述液位检测模块包括多个液位测量单元，多个所述的液位测量单元分别用于检测储存容器中不同方向上的液面高度，所述液位检测模块根据不同方向上的液面高度计算液面高度。
进一步，所述控制模块根据气压检测模块的检测数据，采用PID算法对填充气囊内的气压进行调节。
进一步，所述控制模块在控制充气装置向填充气囊充气时，根据舱壁晃荡载荷测量模块的检测数据，控制充气装置的充气速度。
进一步，还包括显示模块，所述显示模块与控制模块连接，所述显示模块用于根据控制模块的指令显示液面高度、晃荡载荷和填充气囊内的气压。
进一步，所述充气装置为空气压缩装置。
进一步，所述填充气囊设置在储存容器的顶部。
第二方面，本发明实施例提供了：
一种自由液面控制装置的控制方法，包括以下步骤：
检测储存容器中的液面高度；
检测舱壁受到的晃荡载荷；
根据液面高度和晃荡载荷，确定填充气囊的目标气压，控制充气装置向填充气囊充气，直到检测到的填充气囊的气压达到目标气压。
第三方面，本发明实施例提供了：
一种储存装置，包括储存容器和所述的自由液面控制装置。
第四方面，本发明实施例提供了：
一种船舶，包括所述的存储装置或者所述的自由液面控制装置。
本发明实施例的有益效果是：本发明根据储存容器的液面高度和晃荡载荷，确定填充气囊的气体压力，能够有效地限制储存容器内的液体自由晃动，使得船只在运输液体时减少储存容器破裂或者船只侧翻的可能。
附图说明
图1为本发明一种具体实施例中的自由液面控制装置的模块框图；
图2为本发明一种具体实施例中的自由液面控制装置的应用示意图；
图3为本发明一种具体实施例中的自由页面控制装置的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明。
众所周知，在海上航运中，随着诸如淡水、燃油等液体的消耗，以及卸货产生的液体减少，均会导致船只上的储存容器处于不满载的状态，这时候储存容器内的液面随着风浪的波动产生晃动，若风浪较大的时候，自由液面效应可能会与船只外部的风浪形成正反馈效应，导致船只失去平衡，因而造成侧翻。同时，液体产生剧烈的冲击也可能损坏储存容器，导致液体泄漏。因而本发明通过在储存容器中设置一填充气囊，以填充储存容器中未填满的部分。并设置液位检测模块、舱壁晃荡载荷测量模块和气压检测模块作为数据采集模块来控制填充气囊的充气状态。
参照图1，本实施例公开了一种自由液面控制装置，包括：液位检测模块、舱壁晃荡载荷测量模块、填充气囊、气压检测模块、充气装置和控制模块。
其中，液位检测模块，用于检测储存容器中的液面高度。
具体地，液位检测模块可以由安装在储存容器底部的一个或者多个液压传感器构成。也可以由安装在储存容器侧壁的一个或多个液位传感器构成。液位检测模块所输出的液面高度值，可以是多个传感器的平均值，也可以是指定一个传感器的输出值。
舱壁晃荡载荷测量模块，用于检测舱壁受到的晃荡载荷。
晃荡载荷测量模块由声波共振系统、信息处理系统组成。
声波共振系统由声波发射器、声波接收器、处理单元租组成，通过声波发射器发出频率随时间变化的扫频声波。在发射声波的同时，接收器进行采集数据，发射器产生的声波沿导管的方向传播到液面并垂直反射回来，发射器发出的声波信号与反射波信号叠加产生驻波。定义w1为发射器产生的声波，w2为反射声波，则有：
Figure BDA0002267367220000031
Figure BDA0002267367220000032
将两个声波合成为：
Figure BDA0002267367220000033
其中，Λ为声波的幅度，f是声波的频率，l是从发射器到液面的距离，即为探测距离。通过测试到的距离进行如下的晃荡载荷的计算：
液舱的晃荡载荷主要为：1)静态或准静态过程；2)晃荡运动的动态过程；其中静态或准静态过程，该水平下晃荡运动引起的载荷以静载荷为主，动态运动载荷不考虑；其中晃荡运动的动态过程，该水平下晃荡运动引起的载荷包括静载荷和动载荷。
1)静态或准静态过程所产生的晃荡载荷，是由自由液面线性变化引起的作用于液舱边界的压力。晃荡运动方向为纵向运动时，需要计算装载液面的总体积V，规则中心体积V1和边界体积V2。采用等体积法计算公式为：
V＝∑V1+∑V2
晃荡运动为横向运动时，计算与纵向类似；
2)动态晃荡载荷，动态晃荡载荷是由于液体的静压力和晃荡运动引起的作用于液舱边界的平均晃荡压力，计算公式为：p＝p0+ps。
其中：p0＝ρgh，h为单元与液面的距离。
平均晃荡压力的计算公式为：
Figure BDA0002267367220000041
式中：
Figure BDA0002267367220000042
其中：
h—充液高度(m)；
H—0.15ls范围内的液舱高度(m)；
ls—有效晃荡长度(m)，可由下式确定：
Figure BDA0002267367220000043
其中：
l—液舱长度(m)；
b—液舱宽度(m)；
nt—液舱中制荡横舱壁的数目；
αt—制荡舱壁上开口面积与充液高度以下液舱总横剖面积之间的比值；
n2—横向框架的数目；
βt—横向框架开口面积与充液高度以下液舱的总横剖面积之间的比值。
填充气囊，设置于储存容器中。在设计填充气囊时，采用的材质应当考虑与液体的相溶问题，同时气囊的强度应该考虑需要承受的最大气压。
气压检测模块，设置于填充气囊之中，用于检测填充气囊内的气压。具体地，由于填充气囊的展开体积会随着储存容器中液体的体积而变化，因此气压检测模块可以采用无线的方式实现。
充气装置，用于对填充气囊充气。在本实施例中，在考虑到填充气囊的设计强度足够时，可以采用空气压缩系统作为充气装置，以节省设备和气体成本。当然，为了避免填充气囊损坏，泄漏气体对储存容器中的液体造成不良影响，也可以采用使用惰性气体的充气装置。使用惰性气体需要增加气罐和气体回收装置。
控制模块，用于根据液面高度和晃荡载荷，确定填充气囊的目标气压，控制充气装置向填充气囊充气，直到气压检测模块所检测的气压达到目标气压。在本实施例中，根据液面高度可以确定出液体的体积，液体体积占容器的比例使得液体晃动时产生的冲击力不同，而液体实际的晃荡载荷也受到外部环境所影响，因此需要据此调整填充气囊中的气压。
本实施例根据储存容器的液面高度和晃荡载荷，确定填充气囊的气体压力，能够有效地限制储存容器内的液体自由晃动，使得船只在运输液体时减少储存容器破裂或者船只侧翻的可能。
参照图2，本实施例提供了一种自由液面控制装置的应用示意图。
在图2中可以看出，储存容器201之中设置有填充气囊202，而储存容器201的侧壁上设置有液位检测模块203，填充气囊202内部设有气压检测模块204，储存容器201外部设置有与填充气囊202连通的充气装置205。而本实施例中的控制模块，根据液面高度和晃荡载荷，确定填充气囊202的目标气压，控制充气装置205向填充气囊202充气，直到气压检测模块204所检测的气压达到目标气压。
作为优选的实施例，所述液位检测模块包括多个液位测量单元，多个所述的液位测量单元分别用于检测储存容器中不同方向上的液面高度，所述液位检测模块根据不同方向上的液面高度计算液面高度。
由于液体在运输过程中可能出现晃动，因此在不同方向部署传感器，可以通过求平均的方式计算液面的平均高度，使得测量更加准确。
作为优选的实施例，所述控制模块根据气压检测模块的检测数据，采用PID算法对填充气囊内的气压进行调节。本实施例根据气压检测模块实时返回的检测数据作为PID算法的反馈数据，可以准确地将填充气囊的气压稳定在目标值。
作为优选的实施例，所述控制模块在控制充气装置向填充气囊充气时，根据舱壁晃荡载荷测量模块的检测数据，控制充气装置的充气速度。
在晃荡剧烈的时候，可以增加充气速度，以保证气压可以较快地达到目标值，避免短时间内的剧烈晃荡。
作为优选的实施例，还包括显示模块，所述显示模块与控制模块连接，所述显示模块用于根据控制模块的指令显示液面高度、晃荡载荷和填充气囊内的气压。
所述显示模块由一个或者多个显示屏组成，其用于向船舶驾驶员了解当前储存容器的储存量、晃荡载荷和填充气囊的气压。
作为优选的实施例，所述充气装置为空气压缩装置。本实施例采用空气压缩装置，可以直接抽取空气进行填充，无需设置气瓶等，简单而且廉价。
作为优选的实施例，所述填充气囊设置在储存容器的顶部。
参照图3，本实施例公开了一种自由液面控制装置的控制方法，其应用于上述装置实施例中的控制模块，包括以下步骤：
S301、检测储存容器中的液面高度；
S302、检测舱壁受到的晃荡载荷；
S303、根据液面高度和晃荡载荷，确定填充气囊的目标气压，控制充气装置向填充气囊充气，直到检测到的填充气囊的气压达到目标气压。
本实施例公开了一种储存装置，包括储存容器和所述的自由液面控制装置。
本实施例公开了一种船舶，包括所述的存储装置或者所述的自由液面控制装置。
上述方法、存储装置以及船舶实施例可以实现与自由液面控制装置实施例相同或者对应的技术效果。
对于上述方法实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种自由液面控制装置，其特征在于：包括：
液位检测模块，用于检测储存容器中的液面高度；
舱壁晃荡载荷测量模块，用于检测舱壁受到的晃荡载荷；
填充气囊，设置于储存容器中；
气压检测模块，用于检测填充气囊内的气压，其设置于填充气囊之中；
充气装置，用于对填充气囊充气；
控制模块，用于根据液面高度和晃荡载荷，确定填充气囊的目标气压，控制充气装置向填充气囊充气，直到气压检测模块所检测的气压达到目标气压。
2.根据权利要求1所述的一种自由液面控制装置，其特征在于：所述液位检测模块包括多个液位测量单元，多个所述的液位测量单元分别用于检测储存容器中不同方向上的液面高度，所述液位检测模块根据不同方向上的液面高度计算液面高度。
3.根据权利要求1所述的一种自由液面控制装置，其特征在于：所述控制模块根据气压检测模块的检测数据，采用PID算法对填充气囊内的气压进行调节。
4.根据权利要求1所述的一种自由液面控制装置，其特征在于：所述控制模块在控制充气装置向填充气囊充气时，根据舱壁晃荡载荷测量模块的检测数据，控制充气装置的充气速度。
5.根据权利要求1所述的一种自由液面控制装置，其特征在于：还包括显示模块，所述显示模块与控制模块连接，所述显示模块用于根据控制模块的指令显示液面高度、晃荡载荷和填充气囊内的气压。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种自由液面控制装置，其特征在于：所述充气装置为空气压缩装置。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种自由液面控制装置，其特征在于：所述填充气囊设置在储存容器的顶部。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的自由液面控制装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
检测储存容器中的液面高度；
检测舱壁受到的晃荡载荷；
根据液面高度和晃荡载荷，确定填充气囊的目标气压，控制充气装置向填充气囊充气，直到检测到的填充气囊的气压达到目标气压。
9.一种储存装置，其特征在于：包括储存容器和如权利要求1-7任一项所述的自由液面控制装置。
10.一种船舶，其特征在于：包括如权利要求9所述的存储装置或者如权利要求1-7任一项所述的自由液面控制装置。
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