ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА И СЖИЖЕННОГО АЗОТА

Полезная модель относится к высокоточным взвешивающим устройствам, а именно, к весоизмерительным установкам для сжиженного природного газа (СПГ) и сжиженного азота в криогенном баке и может быть использована  в качестве эталонного средства измерений при проведении испытаний, калибровке и поверке газо-раздаточных колонок СПГ (далее ГРК СПГ), применяемых для заправки СПГ криогенных топливных баков автомобилей, спецтехники и тягового состава железнодорожного транспорта.
Из уровня техники известно весоизмерительное устройство для грузоподъемных машин, содержащее  опорную площадку, подвес с шаровой опорой и весоизмерительный модуль, расположенный над грузом (см. а.с. SU711372, кл.G01G 19/12, опубл. 25.01.1980). Основными недостатками известного устройства являются сложность операции разгружения весоизмерительного модуля и невозможность использования для взвешивания СПГ.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является весоизмерительная установка для сжиженного природного газа, содержащая криогенный бак и опорную площадку с весоизмерительным модулем на основе тензодатчиков (см. патент RU2668642,  кл.G01G 17/04, опубл. 02.10.2018). Основным недостатком известной установки является относительно высокая погрешность измерения веса СПГ, обусловленная, наличием сильфонных компенсаторов на трубопроводах криогенной емкости,  неравномерным распределением нагрузки между тензодатчиками в процессе заполнения криогенного бака и отсутствием технической возможности взвешивания криогенной емкости методом замещения эталонными гирями.
Технической проблемой является создание эталонной измерительной установки, которая может быть использована при проведении испытаний, калибровки и поверки топливо-раздаточных колонок СПГ. Технический результат заключается в повышении точности измерения веса СПГ. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что весоизмерительная установка для сжиженного природного газа и сжиженного азота, содержащая криогенный бак и опорную площадку с весоизмерительным модулем, снабжена подвесом криогенного бака, оборудованным упорным винтом, нижний торец которого взаимодействует с весоизмерительным модулем, содержащим платформенные весы, установленные над криогенным баком.  Нижний торец упорного винта предпочтительно оборудован концевым шаровым упором, а весоизмерительный модуль снабжен ответной полусферической опорой, закрепленной на платформенных весах. Подвес криогенного бака предпочтительно выполнен в виде П-образной рамы, верхняя часть которой образует коромысло, а упорный винт закреплен в центральной части указанного коромысла, причем  коромысло снабжено регулировочными грузами с резьбовыми отверстиями, установленными на резьбовых штангах, расположенных по обе стороны от упорного винта. Подвес предпочтительно снабжен площадкой для установки эталонных гирь. Упорный винт предпочтительно оборудован штурвалом. Опорная платформа предпочтительно снабжена ложементами для криогенного бака, поворотными колесами и регулируемыми по высоте винтовыми опорами.
На фиг.1 представлена предлагаемая установка, вид сбоку;
на фиг.2 – принципиальная схема установки с не нагруженным весоизмерительным модулем, вид спереди;
на фиг.3 – то же с нагруженным весоизмерительным модулем;
на фиг.4-5 – наклон бака в процессе заполнения СПГ.
Предлагаемая весоизмерительная установка по существу состоит из опорной площадки 1 для размещения оборудования, весоизмерительного модуля на базе электронных платформенных весов 2, набора эталонных гирь 3, криогенного бака 4 и подвеса для него.
Опорная площадка 1 представляет собой жесткую металлическую конструкцию каркасного типа, на которой над баком 4 закреплен весовой стол 5. Площадка 1 имеет регулируемые по высоте винтовые опоры 6 для обеспечения устойчивого положения при взвешивании криогенного бака  4 и регулировки горизонтального положения весового стола 5. На площадке 1 размещены два ложемента 7, выполняющие роль опор для криогенного бака 4. Площадка может комплектоваться поворотными колесами 8 для перемещения установки по территории автомобильных  газозаправочных станций (АГЗС) или автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) (далее - станции) силами оператора. Электронные платформенные весы 2 установлены на весовом столе 5.
3
3
В качестве бака 4 могут быть использованы  криогенные топливные баки, устанавливаемые на автотранспортные средства и спецтехнику, оснащенную газо-дизельными силовыми агрегатами или силовыми агрегатами адаптированные для работы на природном  газе. Криогенный бак 4 изготовлен в виде емкости с двойными стенками из нержавеющей стали. Для обеспечения наименьшей теплопередачи с окружающей средой из междустеночного пространства криогенного бака 4 откачан воздух. Криогенный бак 4 снабжен арматурой 9: патрубками с запорными кранами и быстроразъемными соединениями для подключения штатных рукавов линий подачи жидкой фазы газа и линии паровозврата ГРК СПГ, стрелочным индикатором наличия избыточного давления паровой фазы газа и клапаном сброса избыточного давления газа при превышении давления 1,8 МПа. В криогенный бак 4 встроен  датчик уровня раздела жидкой и газовой фаз СПГ или сжиженного азота. Датчик уровня изготовлен во взрывобезопасном исполнении. В составе установки могут применяться криогенные топливные баки с внутренним полезным объемом для СПГ от 0,16 м до 0,57 м.
Электронные платформенные весы 2 и датчик уровня раздела фаз в криогенном баке 4 имеют независимое электропитание от комплектов литиевых батареек.
Подвес для криогенного бака 4 предназначен для передачи нагрузки, создаваемой суммарным весом бака 4 и подвеса или набора эталонных замещающих гирь 3 и подвеса на грузоприемную платформу электронных весов 2 при измерениях массы сжиженного газа в криогенном баке 4  методом замещения массой эталонных гирь. Конструкция подвеса 10 выполнена в виде металлической рамы П-образной формы, к нижней части которой посредством быстросъемных резьбовых соединений крепится криогенный бак 4.  В верхнюю образующую (далее — коромысло 11) подвеса встроен механизм нагружения весов, посредством которого суммарный вес оборудования передается на грузоприемную платформу весов 2. Механизм нагружения выполнен в виде свободно вращаемого упорного винта 12 и жестко закрепленной к коромыслу подвеса гайки 13. Нижний торец упорного винта 12 оборудован концевым шаровым упором 14. Верхняя оконечность упорного винта 12 оборудована штурвалом 15. На  грузоприемной платформе весов 2 закреплена ответная полусферическая опора 16 с посадочным местом для шарового упора 14. Подвес 10 дополнительно снабжен жестко закрепленной на подвесе площадкой 17 для установки эталонных замещающих гирь 3. Конструкция подвеса позволяет выполнять раздельное взвешивание криогенного бака 4 без  набора эталонных замещающих гирь 3 или  набора эталонных замещающих гирь 3 без криогенного бака 4.
В зависимости от вместимости применяемого в составе установки криогенного бака 4 установка комплектуется электронными весами 2 платформенного типа с наибольшим пределом взвешивания от 300 кг до 800 кг,  с ценой деления от 5 г до 15 г и комплектом эталонных гирь 3 с номинальной суммарной массой от 40 кг до 260 кг класса точности М1 в соответствии с ГОСТ OIML R 111-1-2009 ГСИ. Гири классов Е1, Е2, F1, М1, М1-2, М2, М2-3, и М3. Часть 1. Метрологические и технические требования.
Точки крепления быстросъемных резьбовых соединений 20 подвеса к криогенному баку 4 распределены таким образом, что при взвешивании пустого бака ось бака занимает горизонтальное положение (фиг.4). Однако в процессе заполнения бака сжиженным газом центр масс смещается, что вызывает наклон подвеса с баком при взвешивании в противоположную от арматуры 9 сторону (фиг.5). При этом нижняя образующая поверхности бака 4 отклоняется от горизонтали, что затрудняет выход от соприкосновения с одним из ложементов 7 основания при нагружении весов 2. Для снижения влияния данного вредоносного эффекта в коромысле 11 предусмотрены два регулировочных груза 18 в виде металлических цилиндров с резьбовыми отверстиями по осям вращения. При вращении грузов вокруг осей они перемещаются в горизонтальной плоскости вдоль коромысла 11 по резьбовым штангам 19. Перемещая грузы вдоль коромысла 11, оператор компенсирует смещение центра масс при заполнении криогенного бака, добиваясь горизонтального положения продольной оси криогенного бака 4.
Предлагаемая установка работает следующим образом.
В не нагруженном состоянии весоизмерительного модуля криогенный бак 4 покоится на ложементах 7, шаровый упор 14 не соприкасается с поверхностью посадочного места полусферической опоры 16. Суммарный вес оборудования воспринимается ложементами 7 и не передается на грузоприемную платформу весов 2. Для нагружения весоизмерительного модуля оператор вращает штурвал 15 упорного винта 12 по часовой стрелке, тем самым перемещая упорный винт 12 по направлению вниз относительно гайки 13. Шаровый упор 14 входит в соприкосновение с полусферической поверхностью посадочного места опоры 16 и при дальнейшем вращении штурвала 7 подвес начинает движение вверх.
При взвешивании криогенного бака 4 (пустого или с сжиженным газом), криогенный бак 4 закреплен на подвесе с помощью быстросъемных соединений 20, при движении подвеса 10 вверх нижняя образующая криогенного бака 4 выходит из соприкосновения с ложементами 7 и суммарный вес подвеса 10, бака 4 и площадки для гирь 17 (без замещающих гирь) начинает действовать на грузоприемную платформу весов 2.
При взвешивании замещающего набора гирь криогенный бак 4 не закреплен на подвесе, при движении подвеса 10 вверх быстросъемные  соединения 20 выходят из зацепления с криогенным баком 4, криогенный бак 4 остается покоиться на ложементах 7 и суммарный вес подвеса 10 и площадки для гирь 17 с установленным набором  замещающих гирь начинает действовать на грузоприемную платформу весов 2.
Принцип действия установки основан на измерении массы СПГ или сжиженного азота, отпущенного через ГРК СПГ в криогенный бак 4 установки методом замещения суммарной массой набора эталонных гирь и сравнении полученного результата с показаниями ГРК СПГ.
Конструкция установки позволяет моделировать различные условия для наполнения бака 4, аналогичные реальным условиям, возникающим при заправке СПГ криогенных топливных баков автотранспортных средств, локомотивов и спецтехники, а именно:
а) заправка нового (после ремонта) пустого предварительно не захоложенного криогенного бака;
б) заправка криогенного бака, частично заполненного СПГ;
в) заправка криогенного бака до максимального уровня СПГ;
г) частичная заправка криогенного бака заданной массой СПГ.
Методика измерении массы СПГ или сжиженного азота, отпущенного через ГРК СПГ в криогенный бак 4 следующая.
При проведении испытаний/поверки/калибровки установка размещается в непосредственной близости от ГРК СПГ.
Измерение массы сжиженного газа, отпускаемого через ГРК СПГ в криогенный бак весов выполняется в пять этапов:
I. Взвешивание криогенного бака до наполнения бака заданной массой сжиженного газа;
II. Взвешивание 1-го набора замещающих эталонных гирь;
III. Наполнение криогенного бака заданной массой сжиженного газа;
IV. Взвешивание криогенного бака после наполнения массой сжиженного газа, отпущенной через ГРК СПГ;
V. Взвешивание 2-го набора замещающих эталонных гирь;
Этап I. Взвешивание криогенного бака до наполнения бака заданной массой сжиженного газа.
Перед взвешиванием криогенного бака выполняется тарировка весов при нагружении грузоприемной платформы весом подвеса 10 с весовым столом для гирь без установленного набора гирь и отсоединенным криогенным баком 4.
te
Для нагружения грузоприемной платформы весов весом криогенного бака оператор производит крепление бака к подвесу, после чего вращает штурвал механизма нагрузки по часовой стрелке до тех пор, пока шар нижней оконечности упорного винта не войдет в соприкосновение со сферической поверхностью  посадочного места опоры на грузоприемной платформе весов и нижняя образующая корпуса  криогенного бака не поднимется над ложементами основания стойки на высоту 15-20 мм. После стабилизации показаний весов оператор фиксирует результат взвешивания W1 (показания веса криогенного бака для этапа I) и разгружает грузоприемную платформу весов, вращая штурвал механизма нагружения против часовой стрелки.
Этап II. Взвешивание 1-го набора замещающих эталонных гирь.
Оператор отсоединяет крепления криогенного бака от подвеса.
В зависимости от результата взвешивания криогенного бака на этапе I оператор устанавливает на весовой стол подвеса набор эталонных гирь с суммарной номинальной массой, определяемой по формуле:
, кг (1)
gs
где М2 – номинальная суммарная условная масса набора гирь для замещения веса криогенного бака на этапе II, кг;
te
W1 – показания весов при взвешивании криогенного бака на этапе I, кг.
gs
gs
Оператор выполняет нагружение грузоприемной платформы весов суммарным весом подвеса 10 с весовым столом для гирь с установленным набором гирь массой М2 и отсоединенным криогенным баком 4. После стабилизации показаний весов оператор фиксирует показания весов для 1-го набора замещающих гирь  WII для этапа II, кг.
Этап III. Наполнение криогенного бака заданной массой сжиженного газа.
Оператор разгружает грузоприемную платформу весов вращая штурвал механизма нагрузки против часовой стрелки до тех пор, пока нижняя образующая  не ляжет на посадочные местами на верхней образующей криогенного бака и шар нижней оконечности упорного винта не выйдет из соприкосновения со сферической поверхностью  посадочного места опоры на грузоприемной платформе весов, после чего выполняет крепление криогенного бака к подвесу. При этом грузоприемная платформа весов должна быть разгружена и нижняя образующая криогенного бака должна покоиться на ложементах основания стойки.
Оператор подключает подающий рукав линии подачи жидкой фазы газа и рукав линии паровозврата ГРК СПГ к быстроразъемными соединениями криогенного бака и открывает запорные краны в соответствии с технологической схемой трубной обвязки криогенного бака. После этого в зависимости от заданного варианта моделирования выполняется заправка криогенного бака заданной порцией сжиженного газа, (вариант в) или заправка до максимального возможного уровня сжиженного газа в криогенном баке (вариант г). После окончания заправки оператор закрывает запорные краны криогенного бака и отключает подающий рукав линии подачи жидкой фазы сжиженного газа и рукав линии паровозврата ГРК СПГ от быстроразъемных соединений криогенного бака.
Этап IV. Взвешивание криогенного бака после наполнения массой сжиженного газа, отпущенной через ГРК СПГ.
Перед взвешиванием заполненного сжиженным газом криогенного бака необходимо удалить кристаллы льда и жидкий конденсат с поверхностей наружной трубной арматуры аналогично процедуре Этапа I.
tf
Взвешивание заполненного сжиженным газом криогенного бака выполняют аналогично процедуре взвешивания криогенного бака до наполнения бака заданной массой сжиженного газа для Этапа I. После стабилизации показаний весов оператор фиксирует результат взвешивания WIV (показания веса криогенного бака для этапа I) и разгружает грузоприемную платформу весов, вращая штурвал механизма нагружения против часовой стрелки.
Этап V. Взвешивание  2-го набора замещающих эталонных гирь.
Оператор отсоединяет крепления криогенного бака от подвеса и помещает гайки болтов креплений на весовой стол подвеса.
В зависимости от результата взвешивания криогенного бака на этапе IV оператор устанавливает на весовой стол подвеса 2-й набор эталонных гирь с суммарной номинальной массой, определяемой по формуле:
, кг (2)
gs
где М2 – номинальная суммарная масса 2-го набора эталонных гирь для замещения веса криогенного бака на этапе V, кг;
tf
WIV – показания весов при взвешивании заполненного криогенного бака на этапе IV , кг.
gs
Взвешивание 2-го набора эталонных гирь для замещения заполненного сжиженным газом криогенного бака выполняют аналогично процедуре взвешивания 1-го набора гирь для Этапа II. После стабилизации показаний весов оператор фиксирует результат взвешивания WV (показания веса 2-го набора эталонных гирь) и разгружает грузоприемную платформу весов, вращая штурвал механизма нагружения против часовой стрелки.
Расчет массы партии СПГ, отпущенной в криогенный бак ГРК СПГ выполняют по формуле:
Масса партии сжиженного газа, отпущенной в криогенный бак весов рассчитывается по формуле:
, кг (3)
LG
где М – результат измерений массы сжиженного газа в криогенном баке весов, кг;
tf
WIV – показания весов при взвешивании заполненного сжиженным газом криогенного бака на этапе IV, кг;
gs
WV – показания весов при взвешивании 2-го набора замещающих гирь на этапе V, кг;
gs
M2 -суммарная условная масса 2-го набора гирь, кг;
te
WI - показания весов при взвешивании криогенного бака на этапе I, кг;
gs
WII - показания весов при взвешивании 1-го набора замещающих гирь на этапе II, кг;
gs
M1 – суммарная условная масса 1-го набора замещающих гирь, кг;
3
е — плотность атмосферного воздуха при взвешивании, кг/м.
Таким образом, в предлагаемой конструкции за счет низкого положения центра масс, несмотря на то, что сила, создаваемая весом оборудования приложена к грузоприемной платформе весов 2, процесс взвешивания аналогичен процессу взвешивания «под весами». Конструкция подвеса криогенного бака 4 позволяет реализовать метод взвешивания «под весами» для любых типов платформенных весов 2, в конструкции которых такой возможности не предусмотрено. Конструкция установки обеспечивает положение центра масс подвеса с криогенным баком 4 всегда на одной вертикальной оси с геометрическим центром посадочного места опоры 16, который совпадает с центром приложения нагрузки к грузоприемной платформе весов 2. Благодаря этому исключается дополнительная составляющая погрешности взвешивания, связанная с различным положением точки приложения нагрузки на грузоприемной платформе весов 2 при взвешивании криогенного бака 4 до и после заполнения СПГ или сжиженным азотом. Конструкция установки обеспечивает возможность реализации, как метода прямого взвешивания, так и взвешивания методом замещения массой набора эталонных гирь. Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет значительно повысить точность измерения веса СПГ.