СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ ВЫДАННОГО ИЗ ЗАМКНУТОЙ ЕМКОСТИ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01F1/86 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в воздухоплавании при заправке аэростатов, воздушных шаров, дирижаблей и других устройств, где необходимо определить подъемную силу выданного из замкнутой емкости газа.

Существует метод дозированной выдачи газа при заправке аэростатов ("Передвижной газозаправщик ПГЗ-2500" Техническое описание и инструкция по эксплуатации 2МВ9400Т0, 1988 г.), в котором по замерам давления газа в коллекторе, сообщающемся с баллонами, по номограммам рассчитывается остаточное давление газа в баллонах, при котором будет выдано требуемое количество газа для обеспечения заданной подъемной силы. При выдаче газа через вентиль коллектора отслеживается снижение давления по манометру и при достижении расчетного значения вентиль выдачи газа из коллектора вручную перекрывается.

В данном методе для расчета требуемой подъемной силы производят измерение давления и температуры окружающего воздуха, а подъемную силу выданного газа определяют по выражению

где K - числовой параметр, для которого составлены номограммы;
K = 1,17•P_i•Z_i,
где P_i - давление газа в замкнутой емкости;
Z_i - сжимаемость газа в зависимости от давления, взятая при нормальной температуре;
1,17 - числовое значение, определяемое для конкретного объема емкости, типа газа и числовых констант;
K_н - начальное значение числового параметра, взятое по номограмме в зависимости от начального давления газа в баллоне;
K_ост- конечное значение числового параметра, взятое по номограмме в зависимости от остаточного давления газа в баллоне;
P₂ - атмосферное давление окружающего воздуха, мм рт.ст.;
T₂ - температура атмосферного воздуха, К.

Недостатком данного метода является низкая точность из-за вычисления остаточного давления газа в баллонах по номограммам, отсутствие учета зависимости фактора сжимаемости газа от изменения температуры газа в баллонах во время его выдачи, что особенно важно при высоких давлениях газа в баллонах, а также отсутствие автоматизации процесса выдачи газа.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание способа измерения подъемной силы выдаваемого из замкнутой емкости газа и устройства для его осуществления, обладающего повышенной точностью, быстродействием, надежностью, с низкими массогабаритными характеристиками, позволяющего автоматизировать процесс выдачи газа из замкнутой емкости.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что способ измерения подъемной силы выдаваемого из замкнутой емкости газа и устройство для его осуществления основаны на прямых измерениях состояния газа в замкнутой емкости и мгновенного определения (с помощью электронного устройства с ПЗУ) подъемной силы выданного газа и позволяют автоматизировать процесс выдачи газа с контролем по заданной величине подъемной силы.

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

где P₀ - начальное давление газа в замкнутой емкости, Па;
V_б - объем замкнутой емкости, м³;
R - газовая постоянная, Дж/кг;
T₀ - начальная температура газа в замкнутой емкости, К;
Z - фактор сжимаемости газа, зависящий от давления и температуры газа в замкнутой емкости.

Оставшуюся массу газа в емкости для каждого момента времени определяют по выражению

где P₁ - текущее давление газа в замкнутой емкости, Па;
T₁ - текущая температура газа в замкнутой емкости, К.

Выданную массу газа определяют по выражению
m_выд = m₀ - m_ост
Начальный запас газа в замкнутой емкости, приведенный к нормальным условиям, определяют по выражению

где ρ₀ - плотность газа при нормальных условиях, кг/м³, а объем выданного газа, приведенный к нормальным условиям, определяют по выражению

подъемную силу выданного газа определяют по выражению
Ф_п.выд= (γ_возд.о-γ_го)•V_выд.0,
где γ_возд.0 - удельный вес воздуха при нормальных условиях
(γ_возд.0= 1,293 кг/м³);
γ_го - удельный вес заправляемого газа при нормальных условиях, кг/м³.

Подставив полученные ранее выражения для определения V_выд.о, получим выражение для подъемной силы, которое реализовано в устройстве

Устройство для измерения подъемной силы выданного из замкнутой емкости газа содержит датчики давления и температуры, установленные в замкнутой емкости, и электронное устройство, выполняющее обработку информации с датчиков, причем электронное устройство содержит двухканальный аналого-цифровой преобразователь, устройство вычисления подъемной силы на ПЗУ, вычитающее устройство, цифробуквенный индикатор, устройство сравнения, задающее устройство, в которое вводятся тип газа, объем замкнутой емкости и требуемая величина подъемной силы, причем датчики давления и температуры соединены со входом двухканального аналого-цифрового преобразователя, выход которого вместе с выходом задающего устройства, подсоединен ко входу устройства вычисления подъемной силы на ПЗУ, а выход последнего подсоединен ко входу вычитающего устройства, выход которого подсоединен к цифробуквенному индикатору и вместе с выходом задающего устройства - ко входу устройства сравнения, выход которого предназначен для выдачи соответствующего сигнала на внешнее исполнительное устройство.

На чертеже изображена блок-схема устройства для измерения подъемной силы 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, задающее устройство 3, двухканальный аналого-цифровой преобразователь 4, устройство вычисления подъемной силы на ПЗУ 5, вычитающее устройство 6, цифробуквенный индикатор 7 и устройство сравнения 8.

Устройство работает следующим образом.

На задающем устройстве 3 выбирается тип газа, задаются требуемая подъемная сила и обьем замкнутой емкости.

Аналоговые сигналы с датчиков 1 и 2 преобразуются двухканальным аналого-цифровым преобразователем 4 в двоичный код и поступают на устройство вычисления подъемной силы 5. Устройство вычисления подъемной силы 5 выдает на вычитающее устройство 6 в двоично-десятичном коде мгновенное значение подъемной силы, которое может быть выдано оставшейся в замкнутой емкости массой газа с учетом зависимости фактора сжимаемости газа Z (P, T), как функции текущих значений давления и температуры. Вычитающее устройство выдает в двоично-десятичном коде разность между начальным и текущим значениями подъемной силы газа.

С выхода вычитающего устройства 6 значение измеренной подъемной силы поступает на вход 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 подъемной силы газа при выдаче его из замкнутой емкости и устройство для его осуществления позволяют:
- увеличить точность измерения подъемной силы газа за счет учета зависимости фактора сжимаемости газа как функции давления и температуры;
- уменьшить время измерения значения текущей подъемной силы до 10 мкс;
- применять изобретение для широкого диапазона давлений и температур газа в емкости, а также для выдачи различных типов газа (водород, гелий);
- увеличить надежность при простоте, малых габаритах и малой массе устройства.

Кроме того, изобретение позволяет автоматизировать процесс зарядки воздухоплавательных средств.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в воздухоплавании, в частности, при заправке аэростатов, воздушных шаров, дирижаблей. Способ измерения подъемной силы выданного из замкнутой емкости газа основан на прямых измерениях состояния газа и определении подъемной силы выданного газа с учетом фактора сжимаемости газа в зависимости от давления и температуры методом сравнения начальной массы газа с оставшейся массой газа в замкнутой емкости. Способ реализован с помощью устройства, содержащего датчики давления и температуры, установленные в замкнутой емкости, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, устройство вычисления подъемной силы на ПЗУ, вычитающее устройство, цифробуквенный индикатор, устройство сравнения и задающее устройство, в которое вводятся тип газа, объем замкнутой емкости и требуемая величина подъемной силы. Такое техническое решение позволяет автоматизировать процесс выдачи газа с контролем по заданной величине подъемной силы. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения подъемной силы выданного из замкнутой емкости газа, при котором измеряют давление газа в замкнутой емкости и определяют подъемную силу выданного газа, отличающийся тем, что давление газа измеряют непосредственно в замкнутой емкости и измеряют температуру газа также непосредственно в замкнутой емкости, а подъемную силу газа измеряют с учетом фактора сжимаемости газа в зависимости от давления и температуры методом сравнения начальной массы газа с оставшейся массой газа в замкнутой емкости, при этом начальную массу газа определяют по выражению

где P₀ - начальное давление газа в замкнутой емкости, Па;
V_б - объем замкнутой емкости, м³;
R - газовая постоянная, Дж/кг;
Т₀ - 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

где P₁ - текущее давление газа в замкнутой емкости, Па;
T₁ - текущая температура газа в замкнутой емкости, K,
выданную массу газа определяют по выражению
m_выд = m₀ - m_ост,
начальный запас газа в замкнутой емкости, приведенный к нормальным условиям, определяют по выражению

где ρ₀ - плотность газа при нормальных условиях, кг/м³,
а объем выданного газа, приведенный к нормальным условиям, определяют по выражению

подъемную силу выданного газа определяют по выражению
Ф_п.выд= (γ_возд.о-γ_г.о)•V_выд.o,
где γ_возд.o - удельный вес воздуха при нормальных условиях (γ_возд.o= 1,293 кг/м³);
γ_г.о - удельный вес заправляемого газа при нормальных условиях, кг/м³,
подставив, полученные ранее выражения для определения V_выд.о, получим выражение для определения подъемной силы

2. Устройство для измерения подъемной силы выданного из замкнутой емкости газа, содержащее датчики давления и температуры, установленные в замкнутой емкости, и электронное устройство, выполняющее обработку информации с датчиков и содержащее двухканальный аналого-цифровой преобразователь, устройство вычисления подъемной силы на ПЗУ, вычитающее устройство, цифробуквенный индикатор, устройство сравнения, задающее устройство, в которое вводятся тип газа, объем замкнутой емкости и требуемая величина подъемной силы, причем датчики давления и температуры соединены со входом двухканального аналого-цифрового преобразователя, выход которого вместе с выходом задающего устройства подсоединен ко входу устройства вычисления подъемной силы на ПЗУ, а выход последнего подсоединен ко входу вычитающего устройства, выход которого подсоединен к цифробуквенному индикатору и вместе с выходом задающего устройства ко входу устройства сравнения, выход которого предназначен для выдачи соответствующего сигнала на внешнее исполнительное устройство.