СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ, РАСХОДА И ОБЪЕМА ГАЗА ПРИ ВЫДАЧЕ ЕГО ИЗ ЗАМКНУТОЙ ЕМКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01F1/86 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где необходимо измерение массы, расхода и объема газа при выдаче его из замкнутой емкости и управление процессом выдачи газа.

Известны способы и устройства для измерения расхода газа, дозаторы и счетчики количества, основанные, как правило, на измерениях в движущемся газе при его течении по трубопроводам, в которые устанавливаются сужающие устройства или другие преобразователи расхода [1], которые имеют низкую точность. Известны расходомеры газа и счетчики количества, которые для повышения точности измерений снабжены вычислительными устройствами [2]. Микропроцессорное вычислительное устройство А351-11 [2] предназначено для измерения расхода трех газов и основано на методе обработки информации по алгоритму: логарифм - антилогарифм, что не обеспечивает высокого быстродействия и точности. Наличие в устройстве операционного микропроцессора приводит к повышенной сложности изделия, а следовательно, снижению надежности, увеличению массы и габаритных размеров устройства.

Известен способ определения количества веществ в замкнутой емкости с автоматизацией процессов измерений и вычислений [3], где объем вещества в емкости определяют по газодинамическим соотношениям, но способ разработан для низких давлений газа в емкости и не учитывает фактора сжимаемости реальных газов, имеет сложное вычислительное устройство, а также требует значительного задания показателя политропы процесса истечения газа, что приводит к снижению точности метода.

Наиболее близким по технической сущности к решаемой задаче является устройство для измерения массового расхода истечения газа из емкостей [4], содержащее датчики давления и температур газа в емкости, а также устройство, основанное на частотно-импульсном методе обработки информации, получаемой с датчиков, позволяющее учесть фактор сжимаемости газа в зависимости от давления. Недостатком данного устройства является отсутствие учета зависимости фактора сжимаемости газа от изменения температуры во время его выдачи из емкости, что особенно важно при высоких давлениях газа в емкости. Устройство обладает также невысокими быстродействием и точностью из-за примененного метода обработки информации, кроме того, устройство применяется, в основном, в быстродействующих процессах.

Устройство [4] основано на способе измерения массового расхода газа из емкости методом цифрового дифференицирования уравнения состояния реального газа, что не дает возможности для определения количества выданного газа.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание способа для измерения массы, расхода и объема газа при выдаче его из замкнутой емкости и устройства для его осуществления, обладающего повышенной точностью, быстродействием, надежностью, с низкими габаритно-массовыми характеристики.

Поставленная техническая задача решается тем, что способ измерения массы, расхода и объема газа при выдаче его из замкнутой емкости и устройство для его осуществления основаны на прямых измерениях состояния газа в емкости и мгновенного определения (с помощью электронного устройства) оставшейся и выданной массы газа, расхода и объема выданного газа.

Согласно способу измеряют температуру и давление газа непосредственно в замкнутой емкости и определяют расход газа из замкнутой емкости, причем начальную массу газа в замкнутой емкости определяют с учетом фактора сжимаемости газа в зависимости от давления и температуры по выражению

где P₁₀ - начальное давление газа в емкости, Па;
V_δ - объем замкнутой емкости, м³;
R - газовая постоянная, Дж/кг;
T₂₀ - начальная температура газа в замкнутой емкости, K;
Z - фактор сжимаемости газа, зависящий от давления и температуры газа в замкнутой емкости,
оставшуюся массу газа в замкнутой емкости для каждого момента времени определяют по выражению

где P₁ - текущее давление газа в замкнутой емкости, Па;
T₂ - текущая температура газа в замкнутой емкости, K;
выданную массу газа определяют по выражению m_выд = m_о - m_ост, массовый расход газа за время Δt определяют по выражению G = m_выд/ Δt, начальный запас газа в замкнутой емкости, приведенный к нормальным условиям, определяют по выражению V_o = m_o/ ρ_o, где ρ_o - плотность газа при нормальных условиях, кг/м³, а объем выданного газа, приведенный к нормальным условиям, определяют по выражению V_выд = m_выд/ ρ_o.

Устройство для измерения массы, расхода и объема газа при выдаче его из замкнутой емкости содержит датчики давления и температуры, установленные в замкнутой емкости, и электронное устройство, выполняющее обработку информации с датчиков, причем электронное устройство содержит устройство управления, содержащее блок выбора типа газа, выбора измеряемой функции и задания объема замкнутой емкости; двухканальный аналого-цифровой преобразователь; функциональное устройство на носителях памяти (например, на постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ)) для определения оставшейся массы газа в замкнутой емкости; дифференцирующее устройство на носителях памяти, например на ПЗУ; цифробуквенный индикатор и устройство сравнения, в которое вводится контролируемый параметр, причем датчики давления и температуры соединены с двухканальным аналого-цифровым преобразователем, вход которого вместе с выходом устройства управления подсоединен к функциональному устройству на носителях памяти для определения оставшейся массы газа в замкнутой емкости, выход которого вместе с выходом устройства управления подсоединен к дифференцирующему устройству на носителях памяти, выход которого подсоединен к цифробуквенному индикатору, и к устройству сравнения, вход которого соединен с выходом устройства управления, а выход устройства сравнения предназначен для выдачи соответствующего сигнала на внешнее исполнительное устройство.

На чертеже изображена блок-схема устройства для измерения массы, расхода и объема газа при выдаче его из замкнутой емкости по п. 2 формулы.

Устройство содержит датчик давления газа 1 и датчик температуры газа 2, установленные в замкнутой емкости, устройство управления 3, двухканальный аналого-цифровой преобразователь 4, функциональное устройство на носителях памяти 5, дифференцирующее устройство на носителях памяти 6, цифробуквенный индикатор 7, устройство сравнения 8.

Устройство работает следующим образом: на устройстве управления 3 выбираются тип газа, требуемая измеряемая функция и задается объем емкости. Необходимые контролируемые параметры устанавливаются на устройстве сравнения 8.

Аналоговые сигналы с датчиков 1 и 2 преобразуются двухканальным аналого-цифровым преобразователем 4 и поступают на функциональное устройство 5. Функциональное устройство 5 выдает на дифференцирующее устройство 6 мгновенное значение оставшейся массы газа в замкнутой емкости с учетом зависимости фактора сжимаемости Z(P, T), как функции текущих значений давления и температуры. Дифференцирующее устройство при измерении расхода газа производит цифровое дифференцирование по времени входного сигнала, а при измерении выданной массы или объема газа выдает разность между начальным и текущим значением. При измерении оставшейся массы или объема газа оно выдает это значение. С выхода дифференцирующего устройства 6 значение измеренной функции поступает на входы цифробуквенного индикатора 7 и устройства сравнения 8. Устройство сравнения сравнивает полученный результат с заданным и выдает соответствующий сигнал на внешнее исполнительное устройство.

Предлагаемый способ измерения масс, расхода и объема газа при выдаче его из замкнутой емкости и устройство для его осуществления позволяют:
- увеличить точность измерений за счет учета зависимости фактора сжимаемости газа как функции давления и температуры;
- уменьшить время получения значения требуемой функции до 10 мкс;
- применять изобретение для широкого диапазона давлений и температур газа в емкости, а также для выдачи различных типов газа (водород, гелий, азот, воздух, кислород, природный газ и др.);
- увеличить надежность при простоте, малых габаритах и малой массе.

Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет автоматизировать процессы:
- задать и выдать заданную массу газа;
- задать и выдать заданный объем газа;
- управлять заданным расходом газа.

Источники информации
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник - 4-ое изд., перераб и доп. - Л.: Машиностроение, 1989. - 701 с.

2. Шорников Е. А. Применение микропроцессорного устройства А351-11 для вычисления расхода природного газа, воздуха и теплоты потока газа, пара. Измерительная техника, 1987, N 6, c. 27 - 28.

3. Патент РФ N 2079112, кл. G 01 F 17/00 от 10.05.97 "Способ определения объема вещества в замкнутой емкости и устройство для его осуществления".

4. Авторское свидетельство СССР N 594411, кл. G 01 F 1/86 от 25.12.78 "Устройство для измерения массового расхода истечения газа из емкостей".

Использование: в технике определения расхода и количества газа. Сущность изобретения: измеряют температуру и давление газа непосредственно в замкнутой емкости и определяют расход газа из замкнутой емкости с использованием уравнения состояния газа с учетом коэффициента сжимаемости реального газа, рассматриваемого как функция двух переменных - давления и температуры. Способ осуществляется с помощью устройства, содержащего датчики давления и температуры, установленные в замкнутой емкости, и электронное устройство для обработки информации с этих датчиков. Электронное устройство содержит устройство управления, содержащее блок выбора типа газа, выбора измеряемой функции и задания объема замкнутой емкости, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, функциональное устройство на носителях памяти для определения оставшейся массы газа в замкнутой емкости, дифференцирующее устройство на носителях памяти, цифробуквенный индикатор и устройство сравнения, в которое вводится контролируемый параметр. Такое техническое решение позволяет увеличить точность измерений. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения массы, расхода и объема газа при выдаче его из замкнутой емкости, при котором измеряют температуру и давление газа непосредственно в замкнутой емкости и определяют расход газа из замкнутой емкости, отличающийся тем, что начальную массу газа в замкнутой емкости определяют с учетом фактора сжимаемости газа в зависимости от давления и температуры по выражению

где P₁₀ - начальное давление газа в замкнутой емкости, Па;
V_δ - объем замкнутой емкости, м³;
R - газовая постоянная, Дж/кг;
T₂₀ - начальная температура газа в замкнутой емкости, К;
Z - фактор сжимаемости газа, зависящий от давления и температуры газа в замкнутой емкости,
оставшуюся массу газа в замкнутой емкости для каждого момента времени определяют по выражению

P₁ - текущее давление газа в замкнутой емкости, Па;
T₂ - текущая температура газа в замкнутой емкости, К;
выданную массу газа определяют по выражению:
m_выд. = m_о - m_ост.,
массовый расход газа за время Δt определяют по выражению
G = m_выд./Δt
начальный запас газа в замкнутой емкости, приведенный к нормальным условиям, определяют по выражению
V_о = m_о/ρ_o, где ρ_o - плотность газа при нормальных условиях, кг/м³,
а объем выданного газа, приведенный к нормальным условиям, определяют по выражению
V_выд. = m_выд./ρ_o,
2. Устройство для измерения массы, расхода и объема газа при выдаче его из замкнутой емкости, содержащее датчики давления и температуры, установленные в замкнутой емкости, и электронное устройство, выполняющее обработку информации с датчиков, отличающееся тем, что электронное устройство содержит устройство управления, содержащее блок выбора типа газа, выбора измеряемой функции и задания объема замкнутой емкости, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, функциональное устройство на носителях памяти для определения оставшейся массы газа в замкнутой емкости, дифференцирующее устройство на носителях памяти, цифробуквенный индикатор и устройство сравнения, в которое вводится контролируемый параметр, причем датчики давления и температуры соединены с двухканальным аналого-цифровым преобразователем, вход которого вместе с выходом устройства управления подсоединен к функциональному устройству на носителях памяти для определения оставшейся массы газа в замкнутой емкости, выход которого вместе с выходом устройства управления подсоединен к дифференцирующему устройству на носителях памяти, выход которого подсоединен к цифробуквенному индикатору и к устройству сравнения, вход которого соединен с выходом устройства управления, а выход устройства сравнения предназначен для выдачи соответствующего сигнала на внешнее исполнительное устройство.