Способ определения физических параметров сжиженного газа в емкости

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения физических параметров сжиженных газов в емкости. Технический результат - повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата производят первое измерение уровня жидкости по величине измеряемой электрической емкости С1 первого радиочастотного датчика. Определение плотности газовой фазы осуществляют на основе величины электрической емкости С3 соответствующего радиочастотного датчика. При этом одновременно производят второе определение уровня жидкости в уменьшенном или увеличенном снизу диапазоне его изменения на основе измеряемой величины электрической емкости С2 соответствующего радиочастотного датчика. Затем выполняют функциональное преобразование измеренных электрических емкостей C1, C2 и С3 и определяют диэлектрическую проницаемость жидкой и газовой фазы. 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для высокоточного определения физических параметров сжиженного газа, содержащегося в емкости.

Известны способы определения физических, в том числе количественных (уровня, объема, массы), параметров вещества в емкости, основанные на электрических - емкостных, радиоволновых - принципах построения измерительных приборов (монографии: 1) Бобровников Г.Н., Катков А.Г. Методы измерения уровня. М.: Машиностроение. 1977. С.115-141; 2) Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. С.84-117). Так, в частности, измерение электрической емкости, используя емкостные методы измерения, или резонансной частоты электромагнитных колебаний ВЧ- или СВЧ-резонатора, частично заполняемых контролируемыми веществами, позволяет определить уровень контролируемой жидкости. Такие способы применимы в тех случаях, когда электрофизические параметры жидкости и газовой среды над ней неизменны. При решении задачи измерения количества (массы) сжиженного газа такие методы характеризуются большой методической погрешностью измерения вследствие непостоянства соотношения жидкой и газовой фаз, возможности его произвольного и неконтролируемого изменения из-за изменения температуры и других факторов.

Наиболее близким по технической сущности и назначению является емкостный способ измерения количества (уровня) сжиженного углеводородного газа (статья: Атаянц Б.А., Пещенко А.Н., Северин И.Д. "Контроль уровня сжиженных углеводородных газов с помощью емкостных приборов". Газовая промышленность. 1997. N 6. С.25-28), принятый в качестве прототипа. Согласно этому способу-прототипу в емкости со сжиженным газом располагают вертикально емкостный датчик в виде цилиндрического конденсатора (две трубы с кольцевым зазором) и измеряют электрическую емкость этого конденсатора, частично заполняемого контролируемым веществом. При этом степень заполнения емкости сжиженным газом соответствует степени погружения в него датчика.

Данный способ, однако, имеет ряд существенных недостатков. Для определения массы сжиженного газа, являющейся наиболее объективным параметром содержания данного двухфазного вещества в емкости, требуется производить дополнительно измерения плотности специальным датчиком плотности. Поскольку имеет место в емкости неконтролируемый переход газа (это зависит от его температуры, состава) из жидкой фазы в газообразную и наоборот, то показания такого датчика плотности являются неточными; применение двух датчиков плотности отдельно для жидкой и газовой фаз существенно усложняет процесс измерения и конструкции измерительных устройств, реализующих данный способ. Поскольку плотность паров сжиженного газа зависит от температуры, давления и состава (в частности, соотношения пропана и бутана), то при измерении массы паровая фаза может вносить дополнительную методическую погрешность (3-7%). К этому может добавиться также погрешность, возникающая вследствие изменения давления при перекачке газа. Таким образом, для высокоточного измерения массы сжиженного газа необходимо иметь канал измерения газа (пара) и коррекции погрешностей из-за изменения плотности пара. Далее, отметим, что в сжиженных газах имеет место кипение, вследствие чего пропадает "зеркало жидкости". Поэтому различные известные способы измерения (радиоволновые, ультразвуковые, емкостные), позволяющие определять лишь уровень или границу радела сред, не могут обеспечить высокую точность измерения, устойчивую и надежную работу измерительных приборов для определения реального значения количества (массы) сжиженного газа. К тому же при имеющем место кипении сжиженного газа изменяются как уровень, так и плотность газа. Интенсивное кипение (увеличение уровня на 5-10%) происходит в конце процесса перекачки сжиженного газа, при уравнивании давления паровой фазы и при сбросе давления по любой причине; оно длится несколько минут. Более слабое кипение (увеличение уровня на 1-3%) наблюдается после интенсивного кипения как затухающий процесс, а также при отборе пара компрессором, при смешивании сжиженных газов разного состава или с разной температурой и может длиться в этом случае несколько часов.

Для однозначного определения уровня z необходимо знание диэлектрических проницаемостей ε_ж жидкости и ε_г газа. При наличии основного датчика уровня и соответствующих датчиков для измерения ε_ж и ε_г, располагаемых в жидкости и газовой фазе в емкости, возможно было бы определить физические параметры сжиженного газа. Однако практически в большинстве случаев имеется возможность проводить измерения, вводя в емкость 4 датчики лишь с верхней части (поверхности) емкости. Известные же пути определения уровня z с реализацией датчиков для измерения ε_ж и ε_г достаточно сложны (пат. США N 6016697, инт. кл.: G 01 F 23/00). Поэтому необходим иной способ проведения измерений физических параметров контролируемого вещества в емкости.

Предлагаемый способ определения физических параметров сжиженного газа в емкости свободен от указанных недостатков. Он обеспечивает высокоточное определение следующих параметров: общей массы сжиженного газа в реальных условиях его хранения в емкости, независимо от его фазового состава и соотношения жидкой и газовой фаз, наличия кипения; массы жидкости; массы газовой фазы; плотности сжиженного газа; плотности газовой фазы; уровня сжиженного газа; объема жидкой и газовой фаз.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения и расширение области применения.

Поставленная цель в предлагаемом способе определения физических параметров сжиженного газа в емкости, в том числе плотности жидкой и газовой фаз, уровня сжиженного газа, объема жидкой фазы и газовой фазы, массы жидкой фазы, газовой фазы и общей массы, при котором производят первое определение уровня жидкости по величине измеряемой электрической емкости С₁ вертикально располагаемого в емкости первого радиочастотного датчика и определение плотности газовой фазы по величине измеряемой электрической емкости C₃ соответствующего радиочастотного датчика, располагаемого в газовой фазе, достигается тем, что одновременно производят второе определение уровня жидкости в уменьшенном или увеличенном снизу диапазоне его измерения по измеряемой величине электрической емкости C₂ второго вертикально располагаемого радиочастотного датчика, выполняют совместное функциональное преобразование измеренных электрических емкостей С₁, С₂ и С₃ и определяют диэлектрическую проницаемость жидкой и газовой фазы по формулам соответственно где знаки "+" и "-" соответствует уменьшенному и увеличенному снизу диапазонам измерения уровня, плотность жидкой и газовой фаз - по формулам соответственно где А - постоянная для каждого вещества величина, уровень жидкости - по формуле , где l - диапазон измерения уровня, С₀ - электрическая емкость на единицу длины датчика, объем жидкой и газовой фаз - по формулам соответственно V_ж=zS(z), V_г=V₀-V_ж, где V₀ - объем емкости, S - площадь поперечного сечения емкости, массу жидкой и газовой фаз - по формулам соответственно, М_ж=ρ_жV_ж, М_г=ρ_гV_г, а общую массу сжиженного газа в емкости - по формуле М=М_ж+М_г.

Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, является:

- выполнение двух измерений уровня в различных диапазонах измерения;

- осуществление совместных функциональных преобразований результатов двух измерений уровня в разных диапазонах его изменения и измерения плотности газовой фазы.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого способа обусловливает его новое свойство: определение каждого из указанных физических параметров сжиженного газа в емкости только радиочастотными (емкостными или радиоволновыми) датчиками независимо от фазового состояния сжиженного газа, наличия или отсутствия его кипения. Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами на фиг.1 и фиг.2. На фиг.1,а и фиг.1,б представлены функциональные схемы устройств для реализации данного способа. На фиг.2,а и фиг.2,б - графики зависимости эквивалентной электрической емкости датчиков от уровня жидкости.

Реализацию данного способа производят с применением радиочастотных датчиков и измерением какого-либо информативного параметра каждого из них. К числу радиочастотных датчиков, работающих, как правило, в мегагерцевом диапазоне частот, относятся как емкостные датчики, так и датчики на основе отрезков длинных линий; в последних имеет место процесс распространения вдоль них электромагнитных волн. Так, при реализации данного способа с применением емкостных или радиоволновых (в виде отрезков длинных линий) радиочастотных датчиков измеряемым информативным параметром каждого датчика может быть резонансная частота электромагнитных колебаний f_p колебательного контура (резонатора), содержащего такой датчик в качестве частотозадающего элемента. При реализации же этого способа с применением отрезков длинной линии сам отрезок длинной линии является резонатором с колебаниями ТЕМ-типа. Для схем с емкостными датчиками резонансная частота f_p емкостного датчика есть , где L - индуктивность, подсоединенная к датчику с эквивалентной емкостью С. Для схем с радиоволновыми датчиками зависимости от определяемых физических параметров описываются точными трансцендентными уравнениями в неявном виде или в явном виде приближенными соотношениями, которые тем не менее достаточно точны для решения задач технологических измерений (см., например, монографию: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 280 с.).

Для реализации данного способа измерения возможно применение различных конструкций радиочастотных датчиков.

Для радиочастотных датчиков уровня, плотности диэлектрических веществ, которыми являются сжиженные газы, в частности емкостных датчиков, возможно их представление в виде эквивалентных электрических емкостей. Получаемые выводы полностью распространяются и на случаи реализации данного способа на основе отрезков длинной линии.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

Как показано ниже, проведение двух измерений уровня в разных диапазонах его изменения и измерения плотности газа в емкости позволяет решить поставленную задачу.

Для определения текущих значений физических параметров сжиженного газа в емкости производят, помимо первого измерения уровня по величине эквивалентной электрической емкости С₁ датчика одного из указанных типов, второе измерение по величине эквивалентной электрической емкости С₂ другого датчика. Плотность газовой фазы сжиженного газа определяют посредством определения его диэлектрической проницаемости ε_г, которую находят путем измерения соответствующей эквивалентной электрической емкости С₃ третьего датчика, располагаемого в верхней части емкости, заполненной газом.

При первом измерении уровня емкостный (конденсатор) или радиоволновый (отрезок длинной линии) радиочастотный датчик 1 обеспечивает определение уровня z сжиженного газа в емкости 4 во всем диапазоне его измерения - от нулевого значения до полного заполнения (при этом z=l, где l - длина первого датчика уровня). В этом случае

Здесь ε_ж и ε_г - диэлектрическая проницаемость соответственно жидкой и газовой фаз контролируемого вещества; С₀ - емкость на единицу длины (т.е. погонная емкость).

При втором измерении уровня контролируемого вещества в емкости 4 эквивалентную емкость C₂ емкостного или радиоволнового (в виде отрезка длинной линии) радиочастотного датчика 2 определяют при уменьшенном снизу (фиг.1,а) или увеличенном снизу (фиг.1,б) на величину l₀ диапазоне изменения уровня (диапазоне измерения):

Здесь знаки "+" и "-" соответствуют увеличению и уменьшению длины датчика 2 при втором измерении уровня. Как показано на фиг.1,б, обеспечить увеличение диапазона измерения (длины датчика 2) можно путем добавления к нижнему концу емкостного или радиоволнового (отрезка длинной линии) датчика 2 горизонтального участка, заполняемого сжиженным газом сразу на глубине его подсоединения, которая может быть той же, что и у первого датчика (при первом измерении уровня). Рассматриваемое увеличение или уменьшение диапазона измерения уровня может быть принципиально любым. Если к увеличению диапазона измерений нет практических ограничений, то при уменьшении диапазона измерений следует учитывать практические рекомендации. На практике такое изменение (уменьшение) l₀ может составлять величину 0,3÷0,4l. Его выбор l₀ обусловлен тем, что при больших его значениях уменьшается часть рабочего диапазона изменения уровня, в котором определяют текущее значение ε_ж. При меньших же значениях l₀ увеличивается погрешность при расчете ε_ж согласно нижеприводимому соотношению (3): абсолютная погрешность измеренных значений емкостей С₁ и С₂ при делении на малое значение произведения l₀C₀(C₀=const) приводит к существенному увеличению относительной погрешности определения ε_ж.

На фиг.1,а и фиг.1,б приведен блок функциональной обработки сигналов 5, поступающих с радиочастотных датчиков 7, 2 и 3, для определения искомых физических параметров сжиженного газа в емкости 4 в результате совместного преобразования выходных сигналов этих датчиков.

Из совместного преобразования соотношений (1) и (2) находим:

Здесь знак "-" соответствует уменьшенному диапазону второго измерения уровня (фиг.1,а); в этом случае С₁>С₂. Знаку "+" соответствует увеличенный диапазон измерения при втором измерении уровня и фиг.1,б; в этом случае С₁<С₂.

Диэлектрическую проницаемость газа можно определить, измерив (датчиком 3) эквивалентную емкость С₃:

где - начальное (при ε_г=1) значение эквивалентной емкости С₃.

Для упрощения будем рассматривать далее процесс измерений, в котором второму измерению соответствует уменьшенный диапазон измерения уровня.

В этом случае из соотношений (1) и (2) получаем:

Здесь значения ε_ж и ε_г выражаются соответственно формулами (3) и (4).

На фиг.2,а приведены графики зависимости эквивалентных емкостей С₁ (линия 1) и С₂ (линия 2) в зависимости от уровня z жидкости. Они соответствуют иллюстрации процесса измерений на фиг.1,б. Здесь также обозначен участок длиной l₀, на которую уменьшен датчик 2 при втором измерении уровня z. Графики, соответствующие фиг.2,б, приведены на фиг.2,б. Здесь пунктирная линия показывает эффективное увеличение диапазона измерения при втором измерении уровня z на величину l₀ (мгновенное увеличение заполнения датчика за счет его горизонтального участка на данную величину). На этих графиках обозначены также пунктиром линии, соответствующие некоторому текущему значению уровня z и соответствующих ему эквивалентных емкостей C₁(z) и С₂(z).

Зная геометрию емкости, содержащей сжиженный газ, можно найти объем, занимаемый жидкой и газовой фазами. На практике, где используются емкости сложных форм, типоразмеров, используются часто специальные эмпирические или расчетные таблицы, характеризующие зависимость V(z) объема V заполнения емкости жидкостью от ее уровня z; при этом учитывается зависимость от z площади поперечного сечения S емкости. В более простых случаях, когда площадь поперечного сечения емкости постоянна, зависимость V(z) можно записать аналитически. Это имеет место, в частности, для емкости цилиндрической формы, заполняемой вдоль ее продольной оси. В этом случае объем жидкой V_ж и газовой V_г фаз есть соответственно: V_ж=zS; V_г=V₀-V_ж, где V₀ - объем емкости.

Для сжиженного газа наиболее приемлемым параметром для определения его запасов в емкости является его масса. Для неполярных веществ, в том числе сжиженных углеводородных газов (СУГ), справедливо соотношение Клаузиуса - Мосотти, характеризующее функциональную связь между плотностью вещества (жидкости, газа) и его диэлектрической проницаемостью (Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область слабых полей). М.-Л., ГИТТЛ. 1949).

где ε - диэлектрическая проницаемость вещества, μ - его молекулярная масса, ρ - плотность вещества, α - поляризуемость его молекул, N - число Авогадро.

Из соотношения (6) следует, что

где А=4πNα/3μ - постоянная для каждого вещества величина.

Следовательно

Тогда, зная плотность жидкой и газовой фаз вещества, можно определить соответствующие значения массы:

Известно, что для смесей газов, смесей сжиженных газов, в частности пропан-бутановых смесей, справедливо с высокой точностью следующее соотношение (Рудаков Г.Я. и др. "Диэлектрическая проницаемость газовых конденсатов и их фракций". Научно-техн. обзор. Серия: Переработка газа и газового конденсата. М.: ВНИИЭгазпром. 1973):

Здесь ρ_см и ε_см - плотность и диэлектрическая проницаемость смеси; n_i - число молекул i-го вида в единице объема, α_i - поляризуемость молекулы i-го вида, μ_i - молекулярная масса молекулы i-го вида.

Для каждого вида смеси величина

является постоянной.

Из соотношений (12) и (13) вытекает следующая формула для смесей веществ:

Данное соотношение справедливо с высокой точностью для любого фазового состояния смеси веществ, в том числе сжиженных газов. Поэтому и в этом случае на основании (14) можно найти аналогично (10) и (11) массу жидкой, газовой фаз смеси и общую массу.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять совокупность различных физических параметров сжиженного газа, содержащегося в емкости, с высокой точностью независимо от его фазового состояния и соотношения жидкой и газовой фаз, наличия кипения. Возможно определение массы сжиженного газа, отдельно массы жидкости и массы газа над жидкостью, уровня сжиженного газа, объема его жидкой и газовой фаз, плотности жидкости, плотности газа. В частности, данный способ может быть применен для высокоточного определения указанных параметров сжиженного углеводородного газа (СУГ).

Способ определения физических параметров сжиженного газа в емкости, в том числе массы жидкой, газовой фаз и общей массы сжиженного газа, уровня сжиженного газа, объема сжиженного газа, плотности жидкой и газовой фаз, при котором производят первое измерение уровня жидкости по величине измеряемой электрической емкости С₁ первого радиочастотного датчика и определение плотности газовой фазы по величине измеряемой электрической емкости С₃ соответствующего радиочастотного датчика, отличающийся тем, что одновременно производят второе определение уровня жидкости в уменьшенном или увеличенном снизу диапазоне его изменения по измеряемой величине электрической емкости С₂ соответствующего радиочастотного датчика, выполняют совместное функциональное преобразование измеренных электрических емкостей С₁, С₂ и С₃ и определяют диэлектрическую проницаемость жидкой и газовой фазы по формулам соответственно

где знак "-" соответствует уменьшенному диапазону второго измерения уровня, знак "+" соответствует увеличенному диапазону измерения при втором измерении уровня;

l₀ - величина диапазона изменения уровня;

С₀ - электрическая емкость на единицу длины датчика,

плотность жидкой и газовой фаз определяют по формулам соответственно

где А - постоянная для каждого вещества величина,

уровень жидкости определяют по формуле

где l - диапазон измерения уровня,

объем жидкой и газовой фаз - по формулам соответственно V_ж=zS и V_г=V₀-V_ж, где S - площадь поперечного сечения емкости; V₀ - объем емкости,

массу жидкой и газовой фаз - по формулам соответственно, М_ж=ρ_жV_ж и М_г=ρ_гV_г, где V_ж и V_г объем емкости жидкой и газовой фаз соответственно.