CN117869785A - 一种液氢储罐中氢燃料质量实时检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液氢储罐中氢燃料质量实时检测方法，在金属液氢储罐的圆柱段的壁面外位于所述金属液氢储罐的相对两侧以金属液氢储罐中轴线为对称轴对称贴附第一电组件贴片和第二电组件贴片，由第一电组件贴片与金属液氢储罐的壁面，金属液氢储罐的壁面与壁面间以及金属液氢储罐壁面与第二电组件贴片间构成三个串联电容，通过检测串联的总电容值，计算第二电组件贴片对应高度段的流体质量；移动第二电组件贴片计算各个分段的流体质量，再进行累加得到整体的流体质量。本发明还公开实时前述方法的液氢储罐中氢燃料质量实时检测装置。本发明采用非接触测量方法检测低温储罐内流体质量，适用范围广。

Description

一种液氢储罐中氢燃料质量实时检测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种储罐内流体质量检测方法及装置，属于质量检测技术领域。
背景技术
氢能源在大规模储氢及运输方面，液态储氢被视为理想方案，并在新能源汽车领域呈现出应用实例。然而，液态储氢技术的应用与普及仍遭遇一个核心挑战，即如何实现高效且精确的氢燃料质量检测。氢燃料质量信息不仅有助于新能源汽车优化驾驶策略、保障安全驾驶，而且是储罐泄漏监测、事故后果评估及应急处置的重要依据。
公开号为CN1396447A的中国专利提出了一种储氢器剩余氢气量的测量方法，其需要连续测量流体输出流量，对于独立储罐而言并不适用。公开号为CN112856225A的中国专利提出一种液氢容器内氢质量的计量方法，通过液位计获取储罐内流体液位，以估算气相与液相的体积，再根据质量计算模型分别计算气体和液体的质量。该方法需储罐配备内置液位计，其为接触式测量方式。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种液氢储罐中氢燃料质量实时检测方法及装置，实现对独立式液氢储罐中氢燃料质量的非接触式测量。
本发明技术方案如下：一种液氢储罐中氢燃料质量实时检测方法，包括步骤：
在金属液氢储罐的圆柱段的壁面外位于所述金属液氢储罐的相对两侧以金属液氢储罐中轴线为对称轴对称贴附第一电组件贴片和第二电组件贴片，所述第一电组件贴片包括依次贴合的第一绝缘层、第一金属极片和第一固态电解质层，所述第二电组件贴片包括依次贴合的第二绝缘层、第二金属极片和第二固态电解质层；其中第一电组件贴片的高度为所述第二电组件贴片的高度的整数倍，所述第一固态电解质层和所述第二固态电解质层贴附于所述金属液氢储罐的壁面，所述第一金属极片、第一固态电解质层和金属液氢储罐的壁面构成第一电容，所述第一金属极片对应的金属液氢储罐的壁面、金属液氢储罐的流体以及所述第二金属极片对应的金属液氢储罐的壁面构成第二电容，所述第二金属极片、第二固态电解质层和金属液氢储罐的壁面构成第三电容；
移动所述第二电组件贴片使其处于初始高度，进行测量计算；
所述测量计算包括：测量所述第一电容、第二电容和第三电容串联构成的总电容值，由所述总电容值计算第二电容的电容值，由第二电容的电容值计算所述第二电组件贴片对应高度段的金属液氢储罐内的流体相对介电常数，由所述流体相对介电常数计算流体密度，再由所述流体计算流体质量；
使所述第二电组件贴片移动一个所述第二电组件贴片高度的距离并进行所述测量计算步骤，重复本步骤直至所述第二电组件贴片移动完整个所述第一电组件贴片的高度距离；
累加计算得到的所述第二电组件贴片处于各高度位置时的流体质量得到液氢储罐中氢燃料质量。
进一步地，所述第二电容的电容值由以下公式计算得到：
，/>，/>，
其中，为总电容值，/>为第一电容的电容值，/>为第二电容的电容值，/>为第三电容的电容值，/>为第一固态电解质层的相对介电常数，/>为第二固态电解质层的相对介电常数，/>为真空介电常量，/>为所述第一电组件贴片与所述第一电组件贴片形成的弧形对应的圆心角，/>为第二电组件贴片的高度，/>为第一金属极片和第二金属极片构成的弧形的半径，/>为金属液氢储罐的圆形横截面的半径。
进一步地，所述第二电组件贴片对应高度段的金属液氢储罐内的流体相对介电常数由以下公式计算得到：
，
其中，为第二电容的电容值，/>为第二电组件贴片对应高度段的金属液氢储罐内的流体相对介电常数，/>为真空介电常量，/>为所述第一电组件贴片与所述第一电组件贴片形成的弧形对应的圆心角，/>为第二电组件贴片的高度。
进一步地，所述流体密度由以下公式计算得到：
，
其中，为流体密度，/>为流体极化率，/>为第二电组件贴片对应高度段的金属液氢储罐内的流体相对介电常数。
进一步地，累加计算得到的所述第二电组件贴片处于各高度位置时的流体质量得到液氢储罐中氢燃料质量包括累加第二电组件贴片未移动覆盖位置的固有流体质量。
本发明的另一技术方案是，一种液氢储罐中氢燃料质量实时检测装置，包括在金属液氢储罐的圆柱段的壁面外位于所述金属液氢储罐的相对两侧以金属液氢储罐中轴线为对称轴对称贴附第一电组件贴片和第二电组件贴片，所述第一电组件贴片包括依次贴合的第一绝缘层、第一金属极片和第一固态电解质层，所述第二电组件贴片包括依次贴合的第二绝缘层、第二金属极片和第二固态电解质层；其中第一电组件贴片的高度为所述第二电组件贴片的高度的整数倍，所述第一固态电解质层和所述第二固态电解质层贴附于所述金属液氢储罐的壁面，所述第一金属极片、第一固态电解质层和金属液氢储罐的壁面构成第一电容，所述第一金属极片对应的金属液氢储罐的壁面、金属液氢储罐的流体以及所述第二金属极片对应的金属液氢储罐的壁面构成第二电容，所述第二金属极片、第二固态电解质层和金属液氢储罐的壁面构成第三电容；
电容检测模块：连接于所述第一金属极片和所述第二金属极片，用于检测所述第一电容、第二电容和第三电容串联构成的总电容值；
移动组件：用于驱动所述第二电组件贴片在所述金属液氢储罐的壁面外纵向移动；
计算模块：用于由所述总电容值计算第二电容的电容值，由第二电容的电容值计算所述第二电组件贴片对应高度段的金属液氢储罐内的流体相对介电常数，由所述流体相对介电常数计算流体密度，再由所述流体计算流体质量，以及累加第二电组件贴片处于各高度位置时的流体质量。
进一步地，所述第二电组件贴片的高度为5～20cm，较小的第二电组件贴片的高度可以有效控制每次测量的流体对应的体积，在气液界面位置形成的误差小，可减少整体测量的误差。
进一步地，所述第一固态电解质层和所述第二固态电解质层的材质相同。
进一步地，所述第一电组件贴片与所述第一电组件贴片形成的弧形对应的圆心角相等。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明方法为不需要在储罐内设置液位计，为非接触检测方法，适用于低温储罐，适用范围广；在高度上实现分段测量，考虑了流体密度梯度和压力梯度，准确性更高。
附图说明
图1为第一电组件贴片和第二电组件贴片在金属液氢储罐表面贴附结构示意图。
图2为第一电组件贴片和第二电组件贴片的横截面结构示意图。
图3为第一电容、第二电容和第三电容等效串联示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
请结合图1至图3所示，本发明的液氢储罐中氢燃料质量实时检测装置包括第一电组件贴片、第二电组件贴片、电容检测模块1、移动组件2和计算模块。
第一电组件贴片为固定贴片，第二电组件贴片为活动贴片。第一电组件贴片包括依次贴合的第一绝缘层3、第一金属极片4和第一固态电解质层5，第二电组件贴片包括依次贴合的第二绝缘层6、第二金属极片7和第二固态电解质层8。为了方便后续的计算，第一固态电解质层5和第二固态电解质层6的材质相同。
第一电组件贴片和第二电组件贴片是分别贴附在金属液氢储罐9的壁面10，两者位于金属液氢储罐1的圆柱段的壁面10外，并且金属液氢储罐9的相对两侧以金属液氢储罐9中轴线为对称轴对称贴附，这里所指的对称贴附是指第一电组件贴片和第二电组件贴片正好位于金属液氢储罐9的周侧的相对180°位置。同时第一电组件贴片和第二电组件贴片贴附后，两者所形成的弧形所对应的圆心角相同。具体贴附时，由第一固态电解质层5和第二固态电解质层8紧贴金属液氢储罐9的圆柱段的壁面。在高度尺寸方面，为了尽可能检测到更大范围的液位变化导致的质量变化，第一电组件贴片的高度与金属液氢储罐9的圆柱段的高度相等，假设高度为H，第一电组件贴片的高度则为L，L的值由H按整数倍缩小确定，即H=N*L，N为正整数，一般来说L可设置在5～20cm。
通过第一电组件贴片和第二电组件贴片的贴附，实际构成三个电容的串联结构，其中第一金属极片4、第一固态电解质层5和金属液氢储罐9的壁面10构成第一电容，第一金属极片4对应的金属液氢储罐9的壁面10、金属液氢储罐9的流体以及第二金属极片7对应的金属液氢储罐9的壁面10构成第二电容，第二金属极片7、第二固态电解质8层和金属液氢储罐9的壁面10构成第三电容。
移动组件2用于驱动第二电组件贴片在金属液氢储罐9的壁面10外纵向移动，移动组件2的结构没有具体限制，可以采用现有技术中常用的丝杆螺母运动机构，只需保证移动过程中第二电组件贴片的第二固态电解质层8始终贴附在金属液氢储罐9的壁面10即可。
电容检测模块1则为电容检测仪，其分别连接于第一金属极片4和第二金属极片7，电容检测模块1用于检测第一电容、第二电容和第三电容串联构成的总电容值。
计算模块接收电容检测模块1测得的总电容值，用于由总电容值计算第二电容的电容值，由第二电容的电容值计算第二电组件贴片对应高度段的金属液氢储罐9内的流体相对介电常数，由流体相对介电常数计算流体密度，再由流体计算流体质量，以及累加第二电组件贴片处于各高度位置时的流体质量。具体的计算方法见以下的详述。
首先介绍液氢储罐中氢燃料质量实时检测方法的总过程，初始时将第二电组件贴片移动至金属液氢储罐的圆柱段的底部（第一电组件贴片与第二电组件贴片的下边沿等高）或者是顶部（第一电组件贴片与第二电组件贴片的上边沿等高）。如初始时位于低部，则后续第二电组件贴片是向上移动；如初始时位于顶部，则后续第二电组件贴片是向下移动。通过计算模块计算第二电组件贴片所对应高度段的流体的质量，然后按第二电组件贴片的高度移动第二电组件贴片，再分别计算每次第二电组件贴片移动后第二电组件贴片所对应高度段的流体的质量，直到完成N次移动。然后累加各次计算得到的流体的质量即可得到整体的质量，同时，由于金属液氢储罐在圆柱段的上下通常都具有非圆柱的曲面部分，这些部分可通过预先的测量获知流体的质量，在完成前述累加后再加上曲面部分对应的流体质量则可以更全面地得到金属液氢储罐内流体的总质量。
对于每次计算第二电组件贴片所对应高度段的流体的质量，过程是这样的：
第一电容和第三电容可以看成由两个同心金属圆弧柱形构成，第二电容则由两个对称金属圆弧构成。总电容值应该表示为：
（1）
为总电容值，/>为第一电容的电容值，/>为第二电容的电容值，/>为第三电容的电容值。
为第一固态电解质层的相对介电常数，/>为第二固态电解质层的相对介电常数，本实施例中/>=/>，即/>。/>为真空介电常量，/>为第一电组件贴片与第一电组件贴片形成的弧形对应的圆心角，/>为第二电组件贴片的高度，/>为第一金属极片和第二金属极片构成的弧形的半径，/>为金属液氢储罐的圆形横截面的半径。
因此通过测量得到总电容值，并计算确定/>和/>后，根据式（1）可以得到，同时/>可以通过保角变换的方法求得
（2）
其中，即为第二电容的电容值，通过式（2）可以求得/>，/>为第二电组件贴片对应高度段的金属液氢储罐内的流体相对介电常数。
相对介电常数为流体在特定压力和温度下的相对介电常数。因为第二电组件贴片尺寸较小，可以认为在高度L范围内对应的金属液氢储罐内的流体相对介电常数为固定数值。对于流体而言，相对介电常数与其密度有着高度相关性。通常采用克劳修斯-莫索蒂方程：
（3）
其中，M为非极性流体的极化率，可近似认为常数。极化率M与流体种类有关。因此，由式（3）可以推算出电容覆盖范围内流体的密度。结合流体对应体积，则可以计算出相应流体质量，如式（4）。
（4）
因此累加后的总质量为
即为分段i的/>，以上方法不需要特意区别流体的状态。
基于上述方法一个具体的实施例为一小型液氢储罐，储罐高度为2 m，内胆直径为0.8 m。气相压力为1.5 MPa。第一固态电解质层和第二固态电解质层采用聚四氟乙烯，相对介电常数=/>为2.0。半径r为0.4 m，R为0.42m，圆心角为90°。计算/>为114.02pF。氢对应极化率M为0.001008451 C·m2/V。
根据储罐高度H，设定N=10，第二电组件贴片的高度L为20 cm。这意味着将储罐的流体区域划分为10个子区域。通过移动组件改变第二电组件贴片的位置，每次移动距离为20厘米，共计移动10次。通过实时监测模块获取每个子区域对应的总电容，然后根据式（1）、（2）计算出相应的流体相对介电常数。接着，根据式（3）求解流体密度。最后，通过式（4）分别计算出每个子区域的流体质量。将各子区域的流体质量相加，即可得到总流体质量。表1给出监测得到的总电容及计算得到的各子区域流体质量。
表1 测量及计算结果
最终计算总流体质量为126.05 kg，与充装量误差在5%以内。

Claims (9)

1.一种液氢储罐中氢燃料质量实时检测方法，其特征在于，包括步骤：
在金属液氢储罐的圆柱段的壁面外位于所述金属液氢储罐的相对两侧以金属液氢储罐中轴线为对称轴对称贴附第一电组件贴片和第二电组件贴片，所述第一电组件贴片包括依次贴合的第一绝缘层、第一金属极片和第一固态电解质层，所述第二电组件贴片包括依次贴合的第二绝缘层、第二金属极片和第二固态电解质层；其中第一电组件贴片的高度为所述第二电组件贴片的高度的整数倍，所述第一固态电解质层和所述第二固态电解质层贴附于所述金属液氢储罐的壁面，所述第一金属极片、第一固态电解质层和金属液氢储罐的壁面构成第一电容，所述第一金属极片对应的金属液氢储罐的壁面、金属液氢储罐的流体以及所述第二金属极片对应的金属液氢储罐的壁面构成第二电容，所述第二金属极片、第二固态电解质层和金属液氢储罐的壁面构成第三电容；
移动所述第二电组件贴片使其处于初始高度，进行测量计算；
所述测量计算包括：测量所述第一电容、第二电容和第三电容串联构成的总电容值，由所述总电容值计算第二电容的电容值，由第二电容的电容值计算所述第二电组件贴片对应高度段的金属液氢储罐内的流体相对介电常数，由所述流体相对介电常数计算流体密度，再由所述流体计算流体质量；
使所述第二电组件贴片移动一个所述第二电组件贴片高度的距离并进行所述测量计算步骤，重复本步骤直至所述第二电组件贴片移动完整个所述第一电组件贴片的高度距离；
累加计算得到的所述第二电组件贴片处于各高度位置时的流体质量得到液氢储罐中氢燃料质量。
2.根据权利要求1所述的液氢储罐中氢燃料质量实时检测方法，其特征在于，所述第二电容的电容值由以下公式计算得到：
，/>，/>，
其中，为总电容值，/>为第一电容的电容值，/>为第二电容的电容值，/>为第三电容的电容值，/>为第一固态电解质层的相对介电常数，/>为第二固态电解质层的相对介电常数，/>为真空介电常量，/>为所述第一电组件贴片与所述第一电组件贴片形成的弧形对应的圆心角，/>为第二电组件贴片的高度，/>为第一金属极片和第二金属极片构成的弧形的半径，/>为金属液氢储罐的圆形横截面的半径。
3.根据权利要求1所述的液氢储罐中氢燃料质量实时检测方法，其特征在于，所述第二电组件贴片对应高度段的金属液氢储罐内的流体相对介电常数由以下公式计算得到：
，其中，/>为第二电容的电容值，/>为第二电组件贴片对应高度段的金属液氢储罐内的流体相对介电常数，/>为真空介电常量，/>为所述第一电组件贴片与所述第一电组件贴片形成的弧形对应的圆心角，/>为第二电组件贴片的高度。
4.根据权利要求1所述的液氢储罐中氢燃料质量实时检测方法，其特征在于，所述流体密度由以下公式计算得到：
，
其中，为流体密度，/>为流体极化率，/>为第二电组件贴片对应高度段的金属液氢储罐内的流体相对介电常数。
5.根据权利要求1所述的液氢储罐中氢燃料质量实时检测方法，其特征在于，累加计算得到的所述第二电组件贴片处于各高度位置时的流体质量得到液氢储罐中氢燃料质量包括累加第二电组件贴片未移动覆盖位置的固有流体质量。
6.一种液氢储罐中氢燃料质量实时检测装置，其特征在于，包括在金属液氢储罐的圆柱段的壁面外位于所述金属液氢储罐的相对两侧以金属液氢储罐中轴线为对称轴对称贴附第一电组件贴片和第二电组件贴片，所述第一电组件贴片包括依次贴合的第一绝缘层、第一金属极片和第一固态电解质层，所述第二电组件贴片包括依次贴合的第二绝缘层、第二金属极片和第二固态电解质层；其中第一电组件贴片的高度为所述第二电组件贴片的高度的整数倍，所述第一固态电解质层和所述第二固态电解质层贴附于所述金属液氢储罐的壁面，所述第一金属极片、第一固态电解质层和金属液氢储罐的壁面构成第一电容，所述第一金属极片对应的金属液氢储罐的壁面、金属液氢储罐的流体以及所述第二金属极片对应的金属液氢储罐的壁面构成第二电容，所述第二金属极片、第二固态电解质层和金属液氢储罐的壁面构成第三电容；
电容检测模块：连接于所述第一金属极片和所述第二金属极片，用于检测所述第一电容、第二电容和第三电容串联构成的总电容值；
移动组件：用于驱动所述第二电组件贴片在所述金属液氢储罐的壁面外纵向移动；
计算模块：用于由所述总电容值计算第二电容的电容值，由第二电容的电容值计算所述第二电组件贴片对应高度段的金属液氢储罐内的流体相对介电常数，由所述流体相对介电常数计算流体密度，再由所述流体计算流体质量，以及累加第二电组件贴片处于各高度位置时的流体质量。
7.根据权利要求6所述的液氢储罐中氢燃料质量实时检测装置，其特征在于，所述第二电组件贴片的高度为5～20cm。
8.根据权利要求6所述的液氢储罐中氢燃料质量实时检测装置，其特征在于，所述第一固态电解质层和所述第二固态电解质层的材质相同。
9.根据权利要求6所述的液氢储罐中氢燃料质量实时检测装置，其特征在于，所述第一电组件贴片与所述第一电组件贴片形成的弧形对应的圆心角相等。
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