CN111121915A - 一种热式液位计、液位测量方法及装置、系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热式液位计、液位测量方法及装置、系统，液位测量方法包括步骤：根据低温液体于存储容器的气相的压力值P，获取低温液体对应所述压力值P的饱和温度T'；获取热式液位计位于两个不同高度h1和h2所对应的两个测点的温度T1和T2，其中，高度h1对应的测点的温度为温度T1，高度h2对应的测点的温度为温度T2；根据公式获取低温液体的液面高度h。本发明为低温液体尤其是密度较低的低温液体的液位测量提供了一种新型的测量技术，测量方式简单、易于实现、无堵塞现象，测量精准且使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及低温液体存储特别是常压饱和温度低于室温的低温液体存储技术领域，尤指一种热式液位计、液位测量方法及装置、系统。
背景技术
因为低温存储装置的绝热设计和封闭性要求，使得低温液体的液位测量较常温液体的液位测量有着其特殊的困难。
如传统的浮球式和玻璃板液位计，存在传热量大、装拆困难、结霜、低温脆裂、静电积聚等问题。而目前各类新型的液位测量仪，如电容式、光纤式、辐射式等液位测量仪，大部分还处于实验室阶段。因此目前大部分的低温存储设备，使用的仍是差压式液位计，通过液相空间和气相空间的压差计算得到液位。但是针对部分密度较低的低温液体，如液氢、液氦，在一定的液位高度下，其自身重量低，液相和气相的压差很小，使用差压式液位计难以准确测量液位。并且由于差压式液位计测量管路管径较小，容易被堵塞，导致无法测量。
因此，本领域技术人员亟待研发出一种适用于低温液体尤其是密度较低的低温液体的液位测量技术。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明提供了一种热式液位计、液位测量方法及装置、系统，为低温液体尤其是密度较低的低温液体的液位测量提供了一种新型的测量技术，测量精准且使用寿命长，没有传统的浮球式和玻璃板液位计存在的传热量大、装拆困难、结霜、低温脆裂、静电积聚等问题；也没有差压式液位计因测量管路管径较小，容易被堵塞，导致无法测量的不良现象。
本发明提供的技术方案如下：
一种低温液体存储容器的液位测量方法，包括步骤：
根据低温液体于存储容器的气相的压力值P，获取低温液体对应所述压力值P的饱和温度T'；
获取热式液位计位于两个不同高度h1和h2所对应的两个测点的温度T1和T2，其中，高度h1对应的测点的温度为温度T1，高度h2对应的测点的温度为温度T2；
根据公式获取低温液体的液面高度h，其中，公式为：
其中，q为热流，单位为W；k为热式液位计的封闭套管的热导率，单位为W/mK；A为热式液位计的封闭套管的截面积，单位为m2；T1、T2、T'均为温度，单位为K；h1、h2分别为两个测点的高度，h为液面高度，h1、h2、h的单位均为m。
在上述技术方案中，利用低温液体液面处温度等于该压力下的饱和温度的原理，利用温度测量元件封闭套管上的温度分布数据，根据温度分布数据以及该压力下的饱和温度得到低温液体气液界面位置，由此得到低温液体的液面高度。测量方式简单、易于实现、精准且使用寿命长，没有传统的浮球式和玻璃板液位计存在的传热量大、装拆困难、结霜、低温脆裂、静电积聚等问题；也没有差压式液位计因测量管路管径较小，容易被堵塞，导致无法测量的不良现象。
进一步，校正所述液面高度h以获取最终液面高度h'。
在上述技术方案中，通过公式计算出来的液面高度进行校准，从而得到更为真实、可靠且科学的数据。
本发明还提供了一种低温液体存储容器的液位测量装置，包括：压力传感器，用以获取低温液体于存储容器的气相的压力值P；根据压力值P获取低温液体对应所述压力值P的饱和温度T'；
热式液位计，用以获取位于两个不同高度h1和h2所对应的两个测点的温度T1和T2，其中，高度h1对应的测点的温度为温度T1，高度h2对应的测点的温度为温度T2；
根据公式获取低温液体的液面高度h，其中，公式为：
其中，q为热流，单位为W；k为热式液位计的封闭套管的热导率，单位为W/mK；A为热式液位计的封闭套管的截面积，单位为m2；T1、T2、T'均为温度，单位为K；h1、h2分别为两个测点的高度，h为液面高度，h1、h2、h的单位均为m。
进一步，还包括带有显示屏的控制器，用以根据公式获取低温液体的液面高度h；所述控制器分别与所述压力传感器和所述热式温度计连接；和/或，所述热式液位计包括所述压力传感器。
在上述技术方案中，显示屏可显示各个参数(如压力值P、饱和温度T'、高度h1、高度h2、温度T1、温度T2、液面高度h、热导率k、截面积A中的一个以上)，还可通过公式计算出液面高度h，无需人为计算，只需查看显示屏即可，使用非常的便捷且实用。
在上述技术方案中，压力传感器与热式液位计一体化设置，便于使用和安装，提高热式液位计的实用性和适用范围。
进一步，所述热式液位计包括温度测量元件和沿液面高度方向延展的封闭套管；两个以上所述温度测量元件沿液面高度方向依次设置于所述封闭套管的内壁。
在上述技术方案中，结构简单、紧凑，易于安装，多个温度测量元件的设置提高了本发明的测量精准性和真实性、科学性。
进一步，所述封闭套管为高热导率封闭套管；和/或，所示封闭套管为真空封闭套管。
在上述技术方案中，提高了热式液位计检测的精准度，进而保证了本发明的数据的真实性、科学性和精准性。
在上述技术方案中，封闭套管的真空状态，大大减少其它换热因素对套管温度分布的影响，提高本发明的测量科学性、真实性和精准性。
本发明还公开了一种低温液体存储容器的液位测量系统，包括：存储有低温液体的存储容器以及上述任意一项所述的低温液体存储容器的液位测量装置；所述低温液体存储容器的液位测量装置安装于所述存储容器。
本发明还公开了一种热式液位计，包括：温度测量元件和沿液面高度方向延展的封闭套管；两个以上所述温度测量元件沿液面高度方向依次设置于所述封闭套管的内壁。
在上述技术方案中，本发明的热式液位计具有的优点；(1)本发明无移动部件，可靠性高；(2)本发明可适用于密度较轻的低温液体的液位测量，如液氢、液氦；(3)本发明可完全封闭，不会导致低温液体泄漏；(4)本发明兼具液位测量、温度测量、压力测量多项参数测量，可一机多用；(5)本发明造价便宜，可大范围推广。综上可知，本发明的热式液位计结构简单、紧凑，易于安装，多个温度测量元件的设置提高了本发明的测量精准性和真实性、科学性。
进一步，还包括用以获取低温液体于存储容器的气相的压力值的压力传感器。
在上述技术方案中，本热式液位计兼有压力检测功能，从而只需将本热式液位计整体进行安装即可，无需调试和组装，直接安装便可使用，非常便捷。
进一步，还包括带有显示屏的控制器，所述控制器分别与所述压力传感器和所述热式温度计连接。
在上述技术方案中，本热式液位计兼具温度检测、压力检测以及显示和计算，使用非常的便捷且智能化高。
与现有技术相比，本热式液位计、液位测量方法及装置、系统有益效果在于：利用低温液体液面处温度等于该压力下的饱和温度的原理，利用温度测量元件封闭套管上的温度分布数据，根据温度分布数据以及该压力下的饱和温度得到低温液体气液界面位置，由此得到低温液体的液面高度。测量方式简单、易于实现、精准且使用寿命长。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种热式液位计、液位测量方法及装置、系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明的低温液体存储容器的液位测量方法一种实施例流程图示意图；
图2是本发明的低温液体存储容器的液位测量系统一种实施例剖面图结构示意图。
附图标号说明：
1.温度测量元件，2.封闭套管，3.控制器，4.压力传感器，5.存储容器，6.低温液体。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。在本文中，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。还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在本发明的一种实施例中，一种低温液体存储容器的液位测量方法，包括步骤：
根据低温液体于存储容器的气相的压力值P，获取低温液体对应所述压力值P的饱和温度T'；
获取热式液位计位于两个不同高度h1和h2所对应的两个测点的温度T1和T2，其中，高度h1对应的测点的温度为温度T1，高度h2对应的测点的温度为温度T2；
根据公式获取低温液体的液面高度h，其中，公式为：
其中，q为热流，单位为W；k为热式液位计的封闭套管的热导率，单位为W/mK；A为热式液位计的封闭套管的截面积，单位为m2；T1、T2、T'均为温度，单位为K；h1、h2分别为两个测点的高度，h为液面高度，h1、h2、h的单位均为m。
本实施例中，在知道低温液体当前的气相的压力值P，并根据压力值P获取在该压力值P下的饱和温度T'，然后获取热式液位计位于两个不同高度h1和h2所对应的两个测点的温度T1和T2，并将上述各个参数代入到公式，便可得到低温液体的液面高度h。在实际应用中，为了便于计算，可沿液面高度的方向由上而下或由下而上的将各个测点所对应的参数带入该公式便可获得低温液体的液面高度h，如T2对应的高度h2高于T1对应的高度h1，液面高度h介于h2和h1之间，此时的q为正值；如T2对应高度h2低于T1对应高度h1，液面高度h介于h2和h1之间，则此时的q为正值；当然，T2对应的高度h2和T1对应的高度h1也可均高于液面高度h。值得说明的是，高度h1和高度h2为热式液位计的测点相对于存储容器的底面的高度，即放置有温度测量元件的测点距离存放低温液体的底面之间高度。
在本发明的另一种实施例中，一种低温液体存储容器的液位测量方法，在上述实施例的基础上，校正所述液面高度h以获取最终液面高度h'。在实际应用中，可根据不同种类的低温液体的修正函数来修正液面高度h，修正函数可基于热流经验值(则此时公式为：
S、S1、S2为低温液体的热流经验值，单位为W；不同低温液体的热流经验值可不相同)或基于实际热式液位计测量与实际液面高度得到的液面高度修正值关于不同液面高度、压力值P等参数的函数(则h'＝h+f(P)或h'＝h+f(h))。具体可根据实际需要进行设置，满足不同精度需求的客户。
在本发明的另一种实施例中，如图2所示，一种低温液体存储容器的液位测量装置，包括：压力传感器4，用以获取低温液体6于存储容器的气相的压力值P；热式液位计，用以获取位于两个不同高度h1和h2所对应的两个测点的温度T1和T2，其中，高度h1对应的测点的温度为温度T1，高度h2对应的测点的温度为温度T2；根据公式获取低温液体6的液面高度h，其中，公式为：
其中，q为热流，单位为W；k为热式液位计的封闭套管的热导率，单位为W/mK；A为热式液位计的封闭套管的截面积，单位为m2；T1、T2、T'均为温度，单位为K；h1、h2分别为两个测点的高度，h为液面高度，h1、h2、h的单位均为m。
本实施例中，公式可通过人为获取或者控制器3自动计算得到，非常便捷。优选地，控制器3为带有显示屏的控制器，控制器3分别与压力传感器4和热式温度计连接，用于显示各个参数。当然，当液面高度h通过人为计算，则压力传感器4与热式液位计可与一显示屏连接，显示屏用于显示各个参数。当然，压力传感器4和热式液位计也可分别为带有显示屏的部件，人可通过显示屏获取各个参数通过公式进行计算。优选地，压力传感器4为热式液位计的一个部件。优选地，压力传感器4与热式液位传感器分别通过通信电缆连接。显示屏或控制器3安装于存储容器5的外侧，便于人为读取、获取。值得说明的是，在实际应用中，由于等式两边均有k和A，因此，公式可简化为
因此，只需知道每一测点的高度以及该测点的温度即可。
优选地，热式液位计包括温度测量元件1和沿液面高度方向延展的封闭套管2；两个以上温度测量元件1沿液面高度方向依次设置于封闭套管2的内壁。优选地，封闭套管2为高热导率封闭套管。在实际应用中，高热导率封闭套管2为铜封闭套管、铝封闭套管、不锈钢封闭套管、银封闭套管、金封闭套管等热导率高材质制成的封闭套管。优选地，每一温度测量元件1分别通过通信电缆与显示屏或控制器3连接。优选地，温度测量元件1与封闭套管2的内壁焊接或粘接，如温度测量元件1通过导热胶与封闭套管2连接。当温度测量元件1为两个时，则其中一个温度测量元件1放置于封闭套管2的上端，另一个温度测量元件1放置于封闭套管2的下端。当温度测量元件1为三个以上时，则三个以上温度测量元件1优选沿封闭套管2的高度方向均匀布置。优选地，封闭套管2设有用于便于通信电缆通过的通孔，通信电缆与通孔之间通过密封胶进行安装和密封，从而保证封闭套管2的封闭性。优选地，封闭套管2的截面积可为圆形、长方形或不规则多边形均可。在实际应用中，封闭套管2沿液面高度的方向插入存储容器5，使得封闭套管2的下端浸入低温液体6；温度传感器也插入存储容器5，使得温度传感器与存储容器5的气相接触，从而保证了本低温液体存储容器的液位测量装置测量的精准度和科学性。
在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是，压力传感器4和热式液位计为两个独立的部件，并分别与显示屏或控制器3连接。优选地，控制器3能够校正液面高度h以获取最终液面高度h'。在实际应用中，可根据不同种类的低温液体6的修正函数来修正液面高度h，修正函数可基于热流经验值(则此时公式为：
S、S1、S2为热流经验值，单位为W；不同低温液体的热流经验值可不相同)或基于实际热式液位计测量与实际液面高度得到的液面高度修正值关于不同液面高度、压力值P等参数的函数(则h'＝h+f(P)或h'＝h+f(h))。
在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是，封闭套管2的内部空间为真空状态，安装好温度测量元件1和通信电缆后对封闭套管2进行抽真空处理后，通过密封胶对贯穿通信电缆的通孔进行密封处理即可。
在本发明的另一实施例中，一种低温液体存储容器的液位测量系统，包括：存储有低温液体6的存储容器5以及上述任意一项的低温液体存储容器的液位测量装置；存储容器5的液位测量装置安装于存储容器5。优选地，低温存储器为具有双层外壳的低温存储器，双层外壳之间形成的空间为真空层或填充有绝热层。
在本发明的另一实施例中，如图2所示，一种热式液位计，包括：温度测量元件1和沿液面高度方向延展的封闭套管2；两个以上温度测量元件1沿液面高度方向依次设置于封闭套管2的内壁。优选地，还包括用以获取低温液体6于存储容器5的气相的压力值的压力传感器4。优选地，还包括带有显示屏的控制器3，控制器3分别与压力传感器4和热式温度计连接。在实际应用中，显示屏可显示各个参数，控制器3可实现液面高度的自动和智能化计算和显示。优选地，优选地，压力传感器4与热式液位传感器分别通过通信电缆连接。显示屏或控制器3安装于存储容器5的外侧，便于人为读取、获取。优选地，控制器3能够校正液面高度h以获取最终液面高度h'。在实际应用中，可根据不同种类的低温液体6的修正函数来修正液面高度h，修正函数可基于热流经验值(则此时公式为：
S、S1、S2为热流经验值，单位为W；不同低温液体的热流经验值可不相同)或基于实际热式液位计测量与实际液面高度得到的液面高度修正值关于不同液面高度、压力值P等参数的函数(则h'＝h+f(P)或h'＝h+f(h))。
优选地，热式液位计包括温度测量元件1和沿液面高度方向延展的封闭套管2；两个以上温度测量元件1沿液面高度方向依次设置于封闭套管2的内壁。优选地，封闭套管2为高热导率封闭套管。在实际应用中，高热导率封闭套管为铜封闭套管、铝封闭套管、不锈钢封闭套管、银封闭套管、金封闭套管等热导率高材质制成的封闭套管。优选地，每一温度测量元件1分别通过通信电缆与显示屏或控制器3连接。优选地，温度测量元件1与封闭套管2的内壁焊接或粘接，如温度测量元件1通过导热胶与封闭套管2连接。当温度测量元件1为两个时，则其中一个温度测量元件1放置于封闭套管2的上端，另一个温度测量元件1放置于封闭套管2的下端。当温度测量元件1为三个以上时，则三个以上温度测量元件1优选沿封闭套管2的高度方向均匀布置。优选地，封闭套管2设有用于便于通信电缆通过的通孔，通信电缆与通孔之间通过密封胶进行安装和密封，从而保证封闭套管2的封闭性。优选地，封闭套管2的截面积可为圆形、长方形或不规则多边形均可。在实际应用中，封闭套管2沿液面高度的方向插入存储容器5，使得封闭套管2的下端浸入低温液体6；温度传感器也插入存储容器5，使得温度传感器与存储容器5的气相接触，从而保证了本低温液体存储容器的液位测量装置测量的精准度和科学性。
在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是，封闭套管2的内部空间为真空状态，安装好温度测量元件1和通信电缆后对封闭套管2进行抽真空处理后，通过密封胶对贯穿通信电缆的通孔进行密封处理即可。
示例性的，如图2所示，本热式液位计分别于封闭套管2的上端和底部分别设有一温度测量元件1，此时，上端的温度测量元件1所在位置为第一测点的位置，对应的高度为h2；底部的温度测量元件1所在位置为第二测点的位置，对应的高度为h1；存储容器5存储的低温液体为氮液，压力传感器4测得存储容器5的气相(即氮液的液面上空位置)为1MPa；1MPa下的氮液的饱和温度T'为-196℃；上端的温度测量元件1测得高度h2的温度T2为10℃；底端的温度测量元件1测得高度h1的温度T1为-196℃；封闭套筒2的直径为5mm，封闭套管2的厚度尺寸为0.5mm，高度h2和高度h1之间的差值为1m(即本热式液位计的底部与存储容器5的底面接触，即高度h1为0m；高度值h2为1m)，封闭套筒2为铜封闭套筒，铜封闭套筒的热导率为400W/mK；将上述参数代入公式计算得到液氮的液面高度h为0.13m。
值得说明的是，为了保证本热式液位计能够更好的检测低温液体的液面高度，热式液位计的底部与存储容器5的底面接触，且本热式液位计的底部设有一温度测量元件1。当然，实际应用中，只需知道一个以上温度测量元件1相对于存储容器5的底面的液面高度时，便可获取其他温度测量元件1相对于该温度测量元件1的位置(因为每一温度测量元件1的安装间距以及相邻距离在设计之初便可获知)。因此，本热式液位计的底部也可不与存储容器5的底面接触，只需知道其中一个温度测量元件1与存储容器5的底面的距离值即可。具体地，可于存储容器5的指定位置设置本热式液位计的安装位置，且该指定位置距离存储容器5的底面的距离可知；或者直接让本热式液位计垂直放入存储容器5且本热式液位计的底部与存储容器5的底面接触亦可。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低温液体存储容器的液位测量方法，其特征在于，包括步骤：
根据低温液体于存储容器的气相的压力值P，获取低温液体对应所述压力值P的饱和温度T'；
获取热式液位计位于两个不同高度h1和h2所对应的两个测点的温度T1和T2，其中，高度h1对应的测点的温度为温度T1，高度h2对应的测点的温度为温度T2；
根据公式获取低温液体的液面高度h，其中，公式为：
其中，q为热流，单位为W；k为热式液位计的封闭套管的热导率，单位为W/mK；A为热式液位计的封闭套管的截面积，单位为m2；T1、T2、T'均为温度，单位为K；h1、h2分别为两个测点的高度，h为液面高度值，h1、h2、h的单位均为m。
2.如权利要求1所述的低温液体存储容器的液位测量方法，其特征在于：
校正所述液面高度h以获取最终液面高度h'。
3.一种低温液体存储容器的液位测量装置，其特征在于，包括：
压力传感器，用以获取低温液体于存储容器的气相的压力值P；
热式液位计，用以获取位于两个不同高度h1和h2所对应的两个测点的温度T1和T2，其中，高度h1对应的测点的温度为温度T1，高度h2对应的测点的温度为温度T2；
根据公式获取低温液体的液面高度h，其中，公式为：
其中，q为热流，单位为W；k为热式液位计的封闭套管的热导率，单位为W/mK；A为热式液位计的封闭套管的截面积，单位为m2；T1、T2、T'均为温度，单位为K；h1、h2分别为两个测点的高度，h为液面高度，h1、h2、h的单位均为m。
4.如权利要求3所述的低温液体存储容器的液位测量装置，其特征在于，还包括：
带有显示屏的控制器，用以根据公式获取低温液体的液面高度h；所述控制器分别与所述压力传感器和所述热式温度计连接；和/或，
所述热式液位计包括所述压力传感器。
5.如权利要求3所述的低温液体存储容器的液位测量装置，其特征在于：
所述热式液位计包括温度测量元件和沿液面高度方向延展的封闭套管；
两个以上所述温度测量元件沿液面高度方向依次设置于所述封闭套管的内壁。
6.如权利要求5所述的低温液体存储容器的液位测量装置，其特征在于：
所述封闭套管为高热导率封闭套管；和/或，
所示封闭套管为真空封闭套管。
7.一种低温液体存储容器的液位测量系统，其特征在于，包括：
存储有低温液体的存储容器以及上述权利要求3-6任意一项所述的低温液体存储容器的液位测量装置；
所述低温液体存储容器的液位测量装置安装于所述存储容器。
8.一种热式液位计，其特征在于，包括：
温度测量元件和沿液面高度方向延展的封闭套管；
两个以上所述温度测量元件沿液面高度方向依次设置于所述封闭套管的内壁。
9.如权利要求8所述的热式液位计，其特征在于，还包括：
用以获取低温液体于存储容器的气相的压力值的压力传感器。
10.如权利要求9所述的热式液位计，其特征在于，还包括：
带有显示屏的控制器，所述控制器分别与所述压力传感器和所述热式温度计连接。
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