CN111623234A - 一种基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置，包括载物台、竖向支柱、空心腔、蓄水结构、液位差突变结构和量液孔；竖向支柱顶端与载物台底面相连并固定，竖向支柱底端与空心腔顶面相连并固定；液位差突变结构与蓄水结构固定相连，液位差突变结构位于空心腔上方；竖向支柱穿过液位差突变结构的竖直通孔；液位差突变结构上设有量液孔。本发明的有益效果是：本发明设置了穿过液位差突变结构竖直通孔的竖向支柱，通过分别设置自由液面面积、与自由液面接触部分的物体截面积的特定数值及两者比例，可形成物体竖向行程ΔX与自由液面高度差ΔH的特定比例关系，实现ΔH对ΔX的放大效应，利用ΔH对ΔX的放大效应可提升测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及称重装置，具体涉及一种基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置。
背景技术
目前，随着能源危机和环境危机的日益严重，氢能由于清洁无污染等优点，是人类未来最理想的能源，越来越受到世界各国的重视。目前国内氢能基础设施产业发展还有许多问题需要解决，其中之一就是氢的高效运输问题。液氢具有运输成本低、储氢纯度高、低压储存等优势，是解决氢的规模化、商业化储运供应的理想方式。
目前一般利用液氢罐车进行液氢运输，由于液氢的特殊性，液氢的供给方往往同时也是需求方，因此液氢计量的准确性并不影响整体经济性，往往不被重视。随着氢能市场的发展，未来液氢供给方将会对接多个需求方，这时液氢计量的准确性就变得尤为重要。由于液氢温度低、粘度低、密度小的特性，再加上用户需求量少，目前市场上暂无可靠的液氢流量计。液氢罐车空车重量往往是满载液氢净重量的10倍以上，若用常规称量装置，由于总量程大，液氢净重量误差也不容忽视。对于称重传感器，一般量程上限越大，精度越低。
此外，在汽车称重以外的领域，称重过程可采用排水法，随着被称重物体的重量增大，称重装置的排水量增加，通过测量排水量可以计算出被称重物体所受浮力大小即被称重物体的重量大小。现有排水称重法的缺陷在于：根据F浮＝G排＝ρ液gV排，若需测量较大值的重量或重量差，需要排出大量的水并测量，这需要额外的大容量蓄液池并配套相应的称重设备或体积测量设备以获得排液的重量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置。
这种基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置，包括载物台、竖向支柱、空心腔、蓄水结构、液位差突变结构和量液孔；竖向支柱顶端与载物台底面相连并固定，竖向支柱底端与空心腔顶面相连并固定；液位差突变结构与蓄水结构固定相连，液位差突变结构位于空心腔上方；竖向支柱穿过液位差突变结构的竖直通孔；液位差突变结构上设有量液孔，量液孔为一竖向贯穿液位差突变结构的细长通孔。整体结构及内部布局，俯视长宽方向分别对称。
作为优选：液位差突变结构与竖向支柱之间的间隔面积自上而下保持一致。
作为优选：非称重条件下，蓄水结构内部水的液面略高于液位差突变结构的底面。
作为优选：空心腔上表面与液位差突变结构底面相接触的部分，在空心腔上表面设置有缓冲垫，以减缓空心腔上表面与液位差突变结构底面的碰撞。
作为优选：量液孔的直径、竖向支柱与液位差突变结构的间距，都不应太小，以避免毛细现象对测量的影响。
作为优选：量液孔内设置电容式液位计。
作为优选：非称重时，浸没在蓄水结构的液体中的部位包括空心腔以及部分的竖向支柱，其所产生的浮力F无车，与空心腔、竖向支柱和载物台的总重G无车，应满足F无车-G无车的值略小于常用最大车重。在实际操作中，可通过临时在载物台上增加或减少负重，以改变F无车-G无车(含临时负重)的值。
作为优选：空心腔底部设置进出水口，用电子阀门控制进出水口的开闭，用压缩空气控制液体的进出，通过控制空心腔内的液量改变浮力F无车。
本发明的有益效果是：
1、本发明设置了穿过液位差突变结构竖直通孔的竖向支柱，通过分别设置自由液面面积、与自由液面接触部分的物体截面积的特定数值及两者比例，可形成物体竖向行程ΔX与自由液面高度差ΔH的特定比例关系，实现ΔH对ΔX的放大效应，利用ΔH对ΔX的放大效应可提升测量精度。
2、无需设置额外的蓄液池并配套相应的称重设备或体积测量设备，仅需测量自由液面高度差ΔH便可获得装卸过程的液氢重量差。
3、竖向支柱与液位差突变结构的间距小，蓄水结构内自由液面总面积小，可有效减少自由液面振荡，提升液位测量精度。
附图说明
图1是基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置的结构示意图；
图2是液位差放大效应原理图(其中，图a为物体竖向行程ΔX与自由液面高度差ΔH的示意图；图b为自由液面面积、与自由液面接触部分的物体截面积的示意图)。
附图标记说明：载物台1、竖向支柱2、空心腔3、缓冲垫3.1、蓄水结构4、液位差突变结构5、量液孔6。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
所述基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置，解决了采用排水称重法准确度需额外蓄液池的缺陷以及传统汽车称重装置对轻密度液体装卸过程计量准确性较低的难点：通过分别设置自由液面面积、与自由液面接触部分的物体截面积的特定数值及两者比例，可形成物体竖向行程ΔX与自由液面高度差ΔH的特定比例关系，实现ΔH对ΔX的放大效应，无需设置额外的蓄液池并配套相应的称重设备或体积测量设备，仅需测量自由液面高度差ΔH便可实现对ΔF浮(＝ΔG排＝ρ液gΔV排)的测量从而获得装卸过程的液氢重量差，并利用ΔH对ΔX的放大效应可实现测量的高精度。其中，ΔV排＝A1×ΔH，A1为竖向支柱的按水平切割截面面积。
如图1所示，所述基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置，包括载物台1、竖向支柱2、空心腔3、蓄水结构4、液位差突变结构5、量液孔6。整体结构俯视长宽方向分别对称，以满足装置内活动结构的水平重力平衡。
量液孔6的直径、竖向支柱2与液位差突变结构5的间距，都不应太小，以避免毛细现象对测量的影响。
竖向支柱2的顶端与载物台1底面相连并固定，竖向支柱2的底端与空心腔3顶面相连并固定。液位差突变结构5与蓄水结构4固定相连，位于空心腔3上方。竖向支柱2穿过液位差突变结构5的竖直通孔。量液孔6为一竖向贯穿液位差突变结构5的细长通孔，在实际操作中，可在量液孔6内设置电容式液位计用于测量蓄水结构4的液位。
载物台1上无车的非称重条件下，蓄水结构4内部水的液面略高于液位差突变结构5的底面。浸没在蓄水结构4中的液体中的部位，包括空心腔3以及部分的竖向支柱2，水对这部分物体产生的浮力F无车，空心腔3、竖向支柱2、载物台1的总重G无车，应满足F无车-G无车的值略小于常用最大车重(采用“最大车重”而不是“最小车重”的原因：如果车重较小，就增加载物台上的负重，改变G无车(含临时负重)，若F无车-G无车的值略小于常用最小车重，则测量较大车重时，浮力F无车无法增大；改为“最小车重”也是一种办法，可以免去负重的使用，但是这样会增大载物台竖向行程ΔX，车辆上下载物台的高度差就增大了)。在实际操作中，可通过临时在载物台1上增加或减少负重，以改变F无车-G无车(含临时负重)的值。因F无车-G无车的值大于0，空心腔3的顶部与液位差突变结构5紧密接触，可在空心腔3上表面设置缓冲垫3.1，以减缓空心腔上表面与液位差突变结构底面的碰撞。
在可选改进方案中，可在空心腔3底部设置进出水口，用电子阀门控制进出水口的开闭，用压缩空气控制液体的进出，通过控制空心腔内的液量改变浮力F无车。
液位差突变结构5、竖向支柱2，两者的间隔面积自上而下保持一致。
如图2所示，液位差突变结构5、竖向支柱2，设计时分别调整竖向支柱的按水平切割截面面积A1、液位差突变结构开孔的按水平切割截面面积A2’，以改变液位差突变结构开孔与竖向支柱的间隔面积A2，通过不同的A1、A2关系，可形成不同的载物台竖向行程ΔX与蓄水池内液面高度差ΔH的比例关系，实现ΔH对ΔX的放大效应：
参考图2中基准线，竖直支柱2的按水平切割截面扫过的体积V物体降低＝ΔX·A1(记为公式1)；
蓄水结构4内的自由液面，即液位差突变结构与竖向支柱的自由液面，其液位高度变化ΔH＝V物体降低/A2＝ΔX·A1/A2(记为公式2)；
又有，ΔF浮＝ρ液·g·ΔH·A1＝ρ液·g·ΔX·A1·A1/A2(记为公式3)；
ΔH＝ΔF浮/(ρ液·g·A1)(记为公式4)；
根据公式2可知，相同的ΔX，增大A1/A2，可增大ΔH对ΔX的放大倍率；
根据公式4可知，蓄水结构4内的液体确定，当ΔF浮即车量负载变化量一定时，减小A1，可增大ΔH。
对于相同的ΔX，较大的ΔH可提升测量精度。
根据以上分析，下表给出了设计参数算例：
| 编号 | ΔX(m) | ΔV排水(m<sup>3</sup>) | A1^2/A2 | A1(m<sup>2</sup>) | A2(m<sup>2</sup>) | ΔH(m) |
| 1 | 0.1 | 2.5 | 25 | 20 | 16 | 0.125 |
| 2 | 0.1 | 2.5 | 25 | 10 | 4 | 0.25 |
| 3 | 0.1 | 2.5 | 25 | 5 | 1 | 0.5 |
| 4 | 0.1 | 2.5 | 25 | 2 | 0.16 | 1.25 |
| 5 | 0.1 | 2.5 | 25 | 1 | 0.04 | 2.5 |
| 6 | 0.05 | 2.5 | 50 | 20 | 8 | 0.125 |
| 7 | 0.05 | 2.5 | 50 | 10 | 2 | 0.25 |
| 8 | 0.05 | 2.5 | 50 | 5 | 0.5 | 0.5 |
| 9 | 0.05 | 2.5 | 50 | 2 | 0.08 | 1.25 |
| 10 | 0.05 | 2.5 | 50 | 1 | 0.02 | 2.5 |
以第9组参数为例，取A1^2/A2＝50，A1＝2m2，A2＝0.08m2。设计8根相同的竖向支柱2，每根竖向支柱2的水平切割截面尺寸为0.5m·0.5m，因此A1＝8·0.25m2＝2m2。每根竖向支柱2的周长为2m，竖向支柱2与液位差突变结构5之间的间隙总面积A2＝0.08m2，竖向支柱2与液位差突变结构5之间的间隙约为0.005m。按照以上设计参数，当ΔV＝2.5m3，即罐车的液氢净重量差2.5t时，ΔX＝0.05m，即装卸过程中载物台1的高度差仅为0.05m，而蓄水池4内的自由液面的液位差ΔH＝1.25m，实现了ΔH将ΔX放大为原值的25倍的放大效果。
Claims (7)
1.一种基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置，其特征在于：包括载物台(1)、竖向支柱(2)、空心腔(3)、蓄水结构(4)、液位差突变结构(5)和量液孔(6)；竖向支柱(2)顶端与载物台(1)底面相连并固定，竖向支柱(2)底端与空心腔(3)顶面相连并固定；液位差突变结构(5)与蓄水结构(4)固定相连，液位差突变结构(5)位于空心腔(3)上方；竖向支柱(2)穿过液位差突变结构(5)的竖直通孔；液位差突变结构(5)上设有量液孔(6)，量液孔(6)为一竖向贯穿液位差突变结构(5)的细长通孔。
2.根据权利要求1所述的基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置，其特征在于：液位差突变结构(5)与竖向支柱(2)之间的间隔面积自上而下保持一致。
3.根据权利要求1所述的基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置，其特征在于：非称重条件下，蓄水结构(4)内部水的液面高于液位差突变结构(5)的底面。
4.根据权利要求1所述的基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置，其特征在于：空心腔(3)上表面与液位差突变结构(5)底面相接触的部分，在空心腔(3)上表面设置有缓冲垫(3.1)。
5.根据权利要求1所述的基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置，其特征在于：量液孔(6)内设置电容式液位计。
6.根据权利要求1所述的基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置，其特征在于：非称重时，浸没在蓄水结构(4)的液体中的部位包括空心腔(3)以及部分的竖向支柱(2)。
7.根据权利要求1所述的基于液位差测量的液氢罐车装卸称重装置，其特征在于：空心腔(3)底部设置进出水口。
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