Способ измерения расхода газа при выдаче его из замкнутой емкости
Владельцы патента RU 2383867:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" (RU)
Изобретение относится к области расходометрии газов и может быть использовано для прецизионных измерений малых расходов неагрессивных газов при их постоянном расходе из замкнутой емкости известного объема, например при подаче горючих газов в горелку для измерения их теплотворной способности, при градуировке измерителей малых расходов газов, а также для научных исследований. Техническим результатом изобретения является уменьшение объема информации, необходимого для измерения малых расходов неагрессивных газов неизвестной номенклатуры и их смесей, а также повышение точности измерений. Способ определения расхода газа при выдаче его из замкнутой емкости включает поддержание постоянного расход газа при его выдаче, измерение через равные интервалы времени давления и температуры газа непосредственно в замкнутой емкости и определение расхода газа из замкнутой емкости с использованием уравнения состояния газа по скорости изменения давления в замкнутой емкости при нормальных условиях с учетом объема емкости. 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области расходометрии газов и может быть использовано для прецизионных измерений малых расходов неагрессивных газов при их постоянном расходе из замкнутой емкости известного объема, например при подаче горючих газов в горелку для измерения их теплотворной способности, при градуировке измерителей малых расходов газов, а также для научных исследований.
К современным измерениям малых расходов газов предъявляется много требований, удовлетворить которые достаточно сложно и не всегда возможно (Кремлевский П.П. «Расходомеры и счетчики количества». Справочник. Изд. 4-е, Л., «Машиностроение», 1989 г., с.5-6).
К этим требованиям относятся:
1. Высокая точность измерения - одно из основных требований. В настоящее время для прецизионных измерений малых расходов газов допустимая погрешность не более 0,1-0,3%.
2. Независимость результатов измерений от изменения плотности вещества, что особенно важно при измерении расходов газов, у которых плотность зависит от температуры и давления.
3. Быстродействие измерений, что очень важно при применении системы автоматического регулирования при измерении малых расходов газов.
Одним из наиболее часто используемых в практике измерения расхода является способ переменного перепада давления с сужающимися устройствами (там же, с.8-10). Известный способ основан на зависимости расход-давление газа в системе (в частности в трубопроводе), однако нуждается в градуировке.
Известен способ измерения расхода газа при выдаче его из замкнутой емкости (RU 2156960 С2, МПК 7 G01F 1/86, 2000.09.27), который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого решения.
Согласно известному способу измеряют температуру и давление газа непосредственно в замкнутой емкости, а массовый расход газа G из замкнутой емкости с учетом фактора сжимаемости газа и в зависимости от давления и температуры за время Δt рассчитывают по формуле (1):
где mвыд=m0-mост, кг,
m0 - начальная масса газа, кг,
mост - оставшаяся масса газа для каждого момента времени, кг,
причем объемный расход Q0 за время Δt определяют по выражению (2):
где ρ - плотность газа, кг/м3.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится необходимость знания номенклатуры газа (или газов) и, соответственно, их параметров таких, как плотность, сжимаемость и/или молекулярная масса исследуемого газа.
Известен также, например, электронный регулятор расхода газов фирмы Bronkhorst High-Tech BV модель F-201-C-FAC-33-V-MFC (Каталог фирмы Bronkhorst Hi-Tec. «Mass Flow and Pressure Measurement and Control", 2000).
Этот электронный регулятор расхода обеспечивает стабильность выдаваемого потока газа с погрешностью порядка 0,2% и имеет градуировку, выполненную производителями для одного газа из определенного набора различных газов.
Регулятор расхода позволяет определять расход только того газа, по которому была проведена его калибровка. При этом погрешность определения расхода существенно зависит от расхода и может достигать 1%.
Возможен также расчет расхода другого, известного газа или смеси газов известного состава по показаниям регулятора расхода с помощью коэффициентов конверсии. Погрешность при этом значительно увеличивается, тем более что коэффициенты конверсии известны с неприемлемой точностью. В случае отсутствия информации о составе газа расчет расхода вообще невозможен.
Заявителю не известны регуляторы расхода, работающие в требуемом диапазоне расходов, принцип действия которых не зависит от состава газа.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание высокоточного прецизионного способа измерения малых расходов неагрессивных газов или их смесей неизвестной номенклатуры, при выпуске их из замкнутой емкости.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в том, что отпадает необходимость в знании молекулярной массы и плотности газов при прецизионном измерении малых расходов неагрессивных газов неизвестной номенклатуры и их смесей.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что по заявляемому способу определения расхода газа при выдаче его из замкнутой емкости, использующему непрерывное измерение давления и температуры газа непосредственно в емкости, в отличие от известного способа при выдаче газа устанавливают и поддерживают постоянным требуемый расход выдаваемого газа в течение всего времени измерений. Все измеренные текущие значения давления приводят к нормальной температуре Т0=273.15 К по формуле:
где pтек - измеренное текущее значение давления, Па,
Tтек - измеренное текущее значение температуры, К.
Затем для каждого значения давления p вычисляют скорость изменения давления Qp по формуле:
где Δt - промежуток времени между измерениями, с,
Δp - изменение давления газа в емкости за время Δt, Па,
Из полученной зависимости Qp=f(p) с помощью линейной аппроксимации вычисляют значение скорости изменения давления Qp0 при нормальном давлении p0=101325 Па и с учетом известного значения объема V, дм3, емкости определяют истинный расход выданного газа Q0 при нормальных условиях по формуле:
На фиг.1 изображено устройство, реализующее заявляемый способ; на фиг.2 - график зависимости приведенного к нормальной температуре давления газа от времени; на фиг.3 - графики зависимости скорости изменения давления от давления при разных расходах для метана (1), смеси (2), состоящей из 89.2% метана и 10.8% азота, и смеси (3), состоящей из 76.4% метана и 23.6% азота.
Устройство, реализующее заявляемый способ (фиг.1), содержит баллон 1, снабженный запорным вентилем 2, расположенный на поверхности баллона 1 платиновый термометр сопротивления 3, подключенный к измерителю температуры 4, соединенные с баллоном 1 через вентиль 2 измеритель 5 давления газа и регулятор 6 расхода газа. Газ, расход которого требуется измерять, помещается под давлением в баллон 1, например емкостью около 1 литра. Баллон 1 через вентиль 2 соединен коммуникациями с измерителем давления 5 и электронным регулятором расхода газа 6, обеспечивающим при выдаче газа в течение всего времени измерения стабильность расхода не менее, чем требуемая точность определения расхода газа.
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
Баллон 1 с запорным вентилем 2 отсоединяют от устройства и присоединяют к форвакуумному насосу для удаления остатков предыдущего газа. Затем баллон 1 с запорным вентилем 2 присоединяют через редуктор к большому баллону с исследуемым газом или смесью газов. Газ из большого баллона подают в баллон 1 до достижения в нем давления, не превышающего максимально допустимого давления, например 0.9 МПа. После этого вентиль 2 закрывают и баллон 1 с вентилем 2 присоединяют к устройству. Проверяют герметичность соединений при открытом вентиле 2 и выключенном регуляторе расхода газа 6 путем измерения давления pтек и температуры Tтек газа. О герметичности судят по постоянству давления газа р, приведенного к нормальной температуре. Затем с помощью регулятора расхода газа 6 устанавливают требуемый расход газа (например, 2 л/час). Продолжают измерения давления и температуры газа до момента, когда давление уменьшится до минимально допустимого значения (например, 0.2 МПа), при котором регулятор расхода газа 6 еще сохраняет свои технические характеристики. Измерения производят через постоянные интервалы времени (например, 12 с).
Согласно уравнению Менделеева - Клапейрона
pV=nRT,
где p - давление газа, Па;
V - занимаемый газом объем, дм3;
n - число молей газа, моль;
R - универсальная газовая постоянная, Дж·моль-1·К-1;
T - температура газа, К.
Один моль любого газа при нормальных условиях (Т0=273.15 К, p0=101325 Па) занимает объем V0=22.4138 дм3·моль-1:
где pг - давление газа в баллоне 1 при температуре Т, Па;
Vг - занимаемый газом при нормальных условиях объем, м3.
где 
- давление газа в баллоне при температуре
Т0, Па;
Отсюда видно, что расход газа 
прямо пропорционален скорости изменения давления газа 
в замкнутой емкости, из которой он подается. Результаты измерений можно обрабатывать с помощью компьютерной программы (например, Microsoft Excel).
С помощью описанного устройства были проведены измерения расхода эталонных мер объемной теплоты сгорания для газовой калориметрии. В качестве регулятора расхода газа 6 использовался регулятор F-201C-FAC-33-V с электронным блоком управления Е-7200 фирмы Bronkhorst, откалиброванный для поддержания постоянного расхода метана в диапазоне от 0 до 3 л/час. В качестве измерителя давления газа 5 использовался преобразователь давления измерительный АИР-20/М2-ДА с установленным верхним пределом измерений 1,0 МПа.
Выходной сигнал преобразователя давления (0…5 мА) и платиновый термометр сопротивления 3 подключены к свободным каналам компьютерной измерительной системы АК-6.20. Все параметры измерялись под управлением компьютерной программы через интервалы времени, равные 12 с.
Кроме чистого метана (99.95%) для эксперимента была взята смесь, состоящая из 89.2% метана и 10.8% азота, а также смесь, состоящая из 76.4% метана и 23.6% азота, аттестованные по удельной теплоте сгорания на государственном эталоне ГЭТ 16-96. На фиг.3 показаны полученные в результате обработки результатов измерений зависимости скорости изменения давления от давления для метана (1), смеси №1 (2) и смеси №2 (3) при разных расходах. Линия 1 соответствует установленному на регуляторе расходу 2.0 л/час, линия 2 - расходу 1.95 л/час, линия 3 - расходу 1.87 л/час.
С выхода регулятора расхода газ подавался на газовый калориметр, позволявший измерить мощность, выделяющуюся при сгорании газа. Таким образом, при известной удельной теплоте сгорания определялся расход газа другим способом (RU 2256156 С2, МПК 7 G01F 1/68, 2005.07.10).
В таблице приведен расход (л/час) метана и смесей метана с азотом, измеренный заявляемым способом и калориметрическим способом.
| Метан (99.95%) | Метан (89.2%)+Азот | Метан (76.4%)+Азот | |
| Показания регулятора расхода | 2.0 | 1.95 | 1.87 |
| Заявляемый способ | 2.0175 | 2.0194 | 1.9987 |
| Калориметрический способ | 2.0187 | 2.0294 | 2.0033 |
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.
Способ определения расхода газа при выдаче его из замкнутой емкости, использующий непрерывное измерение давления и температуры газа в емкости, отличающийся тем, что при выдаче газа устанавливают и поддерживают постоянным его требуемый расход до окончания измерений, все измеренные текущие значения давления приводят к нормальной температуре Т0=273,15 К по формуле:
где ртек - измеренное текущее значение давления, Па;
Ттек - измеренное текущее значение температуры, К,
затем для каждого значения давления р вычисляют скорость изменения давления Qp по формуле:
где Δt - промежуток времени между измерениями, с;
Δр - изменение давления газа в емкости за время Δt, Па,
из полученной зависимости Qp=f(p) с помощью линейной аппроксимации вычисляют значение скорости изменения давления Qρ0 при нормальном давлении р0=101325 Па, и с учетом известного значения объема V, дм3, емкости определяют истинный расход выданного газа Q0 при нормальных условиях по формуле:
