СПОСОБ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ СВОЙСТВА ГАЗА Российский патент 2019 года по МПК G01N25/18 G01N29/24 G01N33/22 

Изобретение относится к способу и к измерительному устройству для определения удельных параметров для свойства газа и/или потребления энергии в домашнем хозяйстве и промышленной области.

Состав (природного) газа и, тем самым, свойство газа в будущем, ввиду новых источников происхождения (биогаз, сжиженный природный газ из всех стран света, водород из утилизации избыточного тока при альтернативном получении энергии) будут отклоняться больше и чаще, чем в настоящее время, и, тем самым, будут иметь в процессах использования газа различные, в том числе также негативные воздействия. При прямом измерении удельных параметров для свойства газа на месте процессы могли бы регулироваться в соответствии с изменяющимся качеством газа, чтобы обеспечить оптимальный и надежный режим работы. К удельным параметрам для свойств газа относятся, например, индекс Воббе для управления горелкой, коэффициент избытка воздуха в установках производства энергии (промышленных печах, топливных элементах и т.д.), метановое число для газовых двигателей или теплота сгорания для расчета полученного количества энергии. Последнее, в общем, предполагает, что также измеряется полученное количество газа, что в настоящее время осуществляется, с незначительными исключениями, посредством измерения объемного расхода с помощью сильфонных газометров (в домашнем хозяйстве) или, у газовых потребителей больших объемов газа (в промышленности), посредством счётчиков газа с вращающимся поршнем, с турбинным колесом или ультразвуковых счетчиков. Все эти измерительные средства пригодны только для определения производственного объема. Для того чтобы из этих данных можно было сделать вывод о потребленной, поддающейся учету энергии, необходим как пересчет на нормальный объем, так и знание теплоты сгорания соответствующего поставляемого газа. И то и другое осуществляется лишь неточно: чаще всего нормальный объем рассчитывается при средней температуре и среднем давлении, а также теплота сгорания является значением, усредненным за период расчета.

Целью изобретения является предложить способ и измерительное устройство, с помощью которых удельные параметры для свойства газа и/или потребление энергии могут определяться в реальном времени.

Из патентной заявки ЕР 14001767 известен способ, в котором генерируется расход с помощью критического сопла, чтобы с помощью подключенного микротермического датчика определять удельные параметры для свойства газа. Этот способ основывается на том, что на сопле всегда присутствуют критические степени сжатия, будь то из-за нагружения сопла подпором или из-за генерации вакуума за соплом. Поэтому данный способ не пригоден непосредственно для определения удельных параметров для свойства газа у конечных потребителей, так как сети снабжения на этом месте редко имеют требуемый подпор, а об установке вакуумного насоса за соплом не может быть и речи.

Из ЕР 2 574 918 А1 известен способ, в котором микротермический датчик применяется для того, чтобы объемного расходомер усовершенствовать в том отношении, чтобы можно быть определять тепловую диффузионную способность, что при известной теплопроводности позволяет разделить газы на низкокалорийные (L) или высококалорийные (Н) газы. Из объемного расхода, тепловой диффузионной способности и теплопроводности можно, однако, в общем случае, с недостаточной точностью делать вывод о теплоте сгорания и потоке энергии.

Задачей настоящего изобретения является устранить недостатки упомянутых способов и предложить способ и измерительное устройство, которые пригодны для газораспределительных сетей низкого давления, и посредством которых, наряду с разделением газов на L-газы или H-газы, также могут определяться теплота сгорания и потребление энергии.

Эта задача решается способом согласно пункту 1 формулы изобретения и измерительным устройством согласно пункту 7 формулы изобретения.

В основе изобретения лежит идея, для определения удельных параметров для свойства газа и/или потребления энергии скомбинировать ультразвуковой расходомер с микротермическим датчиком, как описано ниже.

Измерение скорости звука и объемного расхода посредством ультразвукового расходомера:

Для определения объемного расхода обычно в текучую среду вводится ультразвуковой сигнал под углом поперек направления потока, и измеряется разность времен распространения ультразвукового сигнала как в направлении потока, так и против направления потока (фиг.1b). Разность времен распространения обоих ультразвуковых сигналов является тогда мерой для средней скорости течения, из которой при известном поперечном сечении трубопровода может быть вычислен объемный расход:

где

v_x - средняя скорость течения,

с_s - скорость звука,

L - длина измерительного участка,

t₁₂ - время распространения в направлении потока и

t₂₁ - время распространения против направления потока.

Сумма времен распространения содержит информацию о скорости звука с_s среды, которая, однако, в ультразвуковых счетчиках чаще всего не находит никакого дальнейшего применения.

В комбинации с микротермическим датчиком, как описано в патентной заявке ЕР 14001767, благодаря информации о скорости звука, можно отказаться от критического сопла, так как последнее в первую очередь также предоставляет скорость звука, с тем преимуществом, что не требуются критические отношения давлений, то есть можно выполнять измерение при данном давлении. Тем самым, в газораспределительных сетях низкого давления не требуются ни компрессоры, ни вакуумные насосы.

Определение массового потока:

Из скорости звука путем корреляции может определяться плотность, которая для большинства газов хорошо коррелирована со скоростью звука. Для того чтобы дополнительно улучшить корреляцию плотности, можно дополнительно измерять теплопроводность при одной или нескольких температурах и использовать в корреляции.

Массовый поток пропорционален произведению плотности и скорости течения :

причем А обозначает поперечное сечение канала потока.

Измерение теплопроводности посредством микротермического датчика:

Интегрированные CMOS-термоанемометры обеспечивают возможность как микротермического измерения теплопроводности, так и измерение массового потока. В отношении этой технологии можно сослаться на D. Matter, B. Kramer, T. Kleiner, B. Sabbattini, T. Suter, “Mikroelektronischer Haushaltsgaszähler mit neuer Technologie”, Technisches Messen 71, 3 (2004), S.137-146.

Для описания микротермических измерений будем исходить из одномерного уравнения теплопроводности, описывающего микротермическую систему (Kerson Huang: Statistical Mechanics, 2. Auflage, John Wiley & Sons, New York 1987, ISBN 0-471-85913-3):

где

- компонента средней скорости течения (вектора скорости) в направлении х, то есть вдоль потока газа,

Т - температура,

- градиент температуры,

с_р - теплоемкость газа при постоянном давлении,

ρ - плотность,

λ - теплопроводность газа и

- оператор Лапласа, примененный к температуре Т, причем

Так как газ (газовый поток) течет только в направлении х, компоненты v_y и v_z в направлении y и в направлении z средней скорости течения принимаются равными нулю. Θ с единицей измерения Вт/м³ описывает источниковый член нагревательного элемента. Источниковый член проистекает в микротермическом способе из нити накала минииатюризованного интегрального термоанемометра, который вводит тепловую энергию в систему.

Следует отметить, что теплопроводность λ, ввиду источникового члена Θ, отдельно воздействует на решение уравнения (3). Напротив, может определяться теплопроводность, если микротермический датчик используется без подведенного массового потока (= 0 или . Соответствующее дифференциальное уравнение для распределения температуры тогда имеет вид:

Кроме того, посредством варьирования источникового члена, можно изменять распределение температуры, что позволяет определять теплопроводность при различных температурах.

Определение теплоемкости посредством микротермического датчика:

Решение уравнения (3), которое описывает распределение температуры в микротермической системе, позволяет через измерение этого распределения температуры определять коэффициент потока ϕ:

причем А обозначает поперечное сечение канала потока через микротермический датчик, и обозначает массовый поток. При известном массовом потоке и известной теплопроводности можно в итоге определить теплоемкость.

Корреляция удельных параметров для свойства газа:

При наличии скорости звука c_s, теплопроводности λ и теплоемкости с_р, в распоряжение предоставляются три независимых измеренных параметра, с помощью которых могут теперь коррелироваться удельные параметры Q для свойства газа, как, например, теплота сгорания, с использованием корреляционной функции f_corr:

“Выход датчика” S_out является при этом функцией выходных параметров c_s, λ и с_р:

Например, для корреляции показанного на фиг.2а отношения плотностей Q = ρ/ρ_ref при 0°С и 1013,25 мбар получается следующая корреляционная функция:

с коэффициентами а₀ = 36, а₁ = -65 и а₂ = 30 и метаном (G20) в качестве эталона. S_out является при этом просто скоростью звука c_s:

На Фиг.2b показана улучшенная корреляция отношения плотностей Q = ρ/ρ_ref при 0°С и 1013,25 мбар на основе скорости звука и теплопроводности, измеренных при двух различных температурах.

В случае корреляции удельных параметров для свойства газа на фиг.3а уравнение (8а) для примера теплоты сгорания выглядит следующим образом:

с коэффициентами а₀ = 8,1, а₁ = -11 и а₂ = 4,7 и вновь метаном (G20) в качестве эталона. S_out является теперь функцией всех трех выходных параметров:

Из результатов на фиг.2 и фиг.3а легко понять, что посредством c_s, с_ри λ, в качестве дальнейшего свойства газа, может коррелироваться индекс Воббе W как мера для производительности горелки, определенный как

При этом уравнения (8а) для плотности и (9b) для теплоты сгорания комбинируются друг с другом.

Кроме того, в качестве свойства газа, из трех независимых параметров - скорости c_s звука, теплопроводности λ и теплоемкости с_р, может, например, коррелироваться Z-коэффициент или коэффициент сверхсжимаемости газа, который описывает отклонение реального газа от закона идеального газа:

Поведение реального газа отклоняется особенно сильно при высоких давлениях от поведения идеального газа, а именно, при давлениях, которые возникают в больших трубопроводах транспортировки газа (и поэтому должны специально учитываться). Интересным при этом применении является тот факт, что определение независимых параметров должно осуществляться не при том высоком давлении, а, например, также может осуществляться при давлении окружающей среды, при котором конструкция соответствующего измерительного устройства может быть реализована намного проще. На Фиг.3b показана возможная корреляция Z-коэффициента для 50 бар со следующими ориентировочными данными:

с коэффициентами а₀ = 1,1, а₁ = 0,15, а₂ = -0,29 и а₃ = 0,05 и метаном (G20) в качестве эталона. S_out вновь является функцией всех трех выходных параметров (при давлении окружающей среды):

В качестве еще одного примера может быть приведена корреляция кинематической вязкости, η/ρ (вязкость/плотность). Эта величина входит в число Рейнольдса, Re, которое применяется в теории течений и может пониматься как отношение сил инерции к силам вязкости:

причем ρ обозначает плотность, v - скорость течения газа по отношению к обтекаемому телу и d - характеристическую длину тела. Отсюда следует, что режим турбулентности геометрически подобных тел при одинаковом числе Рейнольдса идентичен. При известной кинематической вязкости может, таким образом, оцениваться, когда при некотором газе в системе трубопровода возникает турбулентность, что является для газораспределительных сетей важным входным параметром для расчета таких сетей. Фиг.3с показывает корреляцию между кинематической вязкостью η/ρ и выходом датчика S_out:

с коэффициентами а₀ = 0,15 и а₁ = 0,85 и метаном (G20) в качестве эталона. S_out вновь является функцией всех трех выходных параметров:

Следует подчеркнуть, что выбор S_out, с одной стороны, а также f_corr, с другой стороны, никоим образом не задается, а они свободно выбираются таким образом, что результирующая ошибка корреляции становится как можно меньшей. Приведенная в уравнениях (8а)-(8d) функция полинома является типовым выбором, который чаще всего успешен, в то время как уравнения (9а)-(9d) скорее пытаются описать физическую взаимосвязь.

Для того чтобы показать, что способ согласно настоящему изобретению не ограничивается вышеуказанными примерами, ниже будут приведены дополнительные примеры конкретных параметров для свойств газа, которые могут определяться данным способом:

- Метановое число, которое используется для приводов на газовом двигателе, как в стационарных установках (например, в установках совместной выработки электрической и тепловой энергии), так и в транспортной области (например, в транспортных средствах с газовыми двигателями, на судах и т.д.), является важным показателем для склонности к детонации газообразного топлива.

- “Отношение воздуха к топливу” и, тем самым, количество воздуха, которое должно подводиться в процесс. Знание “отношения воздуха к топливу”, например, важно при процессах сжигания, как стехиометрических (например, в топочных установках), так и с избытком воздуха (например, в двигателях на обедненных горючих смесях), с открытыми пламенем или каталитического типа (например, в процессах преобразования в высокотемпературных топливных элементах), чтобы оптимизировать как эффективность процесса сгорания, так и параметры отработавших газов.

- Содержание метана, контроль которого имеет значение, например, в технологических процессах. В биогазовых установках содержание метана типично контролируется в неочищенном биогазе (например, как мера для эффективности ферментёра) и/или в газе, который должен вводиться в газораспределительную сеть (например, для контроля качества), и/или в выпускаемом в воздух остаточном газе (предпочтительно двуокиси углерода с как можно меньшим количеством метана, так как последний проявляет высокий парниковый эффект).

Этапы способа в типичном примере выполнения

1. Измерение давления р и температуры Т газа.

2. Ультразвуковое определение объемного расхода, пропорционального скорости v_x течения, и скорости c_s звука, которая для большинства газов хорошо коррелирует с нормальной плотностью ρ_norm.

3. Учет измеренной микротермическим датчиком теплопроводности λ_Ti (при одной или нескольких температурах T_i), чтобы дополнительно улучшить корреляцию нормальной плотности ρ_norm.

4. Вычисление плотности при рабочих условиях согласно

5. Использование этой информации (v_x, ρ) для определения массового потока , пропорционального , и, вместе с теплопроводностью λ и измеренным микротермическим датчиком коэффициентом потока ϕ, теплоемкости с_р.

6. Коррелирование желательного удельного параметра для свойства газа, в частности, теплоты сгорания CV, из скорости c_s звука, теплопроводности λ и теплоемкости с_р.

7. При необходимости, путем перемножения массового или объемного потока на теплоту сгорания CV (в Дж/кг или Дж/м³) может определяться энергопотребление Ф_En.

Под вышеупомянутой нормальной плотностью ρ_norm в этом описании понимается плотность при установленной температуре Т_norm и установленном давлении р_norm. Нормальная плотность обычно указывается при 0°С и 1013,25 мбар. Однако также возможно устанавливать другие значения для температуры Т_norm и давления р_norm, для которых известна корреляция между плотностью и скоростью звука.

Способ и измерительное устройство согласно предложенному изобретению

В способе для определения удельных параметров для свойства газа согласно предложенному изобретению

- газ или газовая смесь протекает через ультразвуковой расходомер и через микротермический датчик, причем

- регистрируют температуру и давление газа или газовой смеси;

- с помощью ультразвукового расходомера определяют как скорость течения или объемный поток, так и скорость звука газа или газовой смеси;

- из скорости звука коррелируют плотность газа или смеси газа;

- применяют информацию о плотности, вместе со скоростью течения, для вычисления массового потока;

- с помощью микротермического датчика определяют теплопроводность газа или газовой смеси при одной или нескольких температурах;

- из сигнала расхода микротермического датчика вычисляют коэффициент потока, чтобы из него, вместе с информацией о массовом потоке и теплопроводности, определить теплоемкость или зависимый от теплоемкости параметр газа или газовой смеси;

- наконец, скорость звука, теплопроводность при одной или нескольких температурах и либо теплоемкость, либо зависимый от теплоемкости параметр применяют для корреляции удельных параметров для свойства газа, в частности, теплоты сгорания.

Определенную с помощью ультразвукового расходомера скорость звука можно при необходимости пересчитать на скорость звука при нормальной температуре.

В предпочтительном варианте выполнения определенная с помощью микротермического датчика теплопроводность при одной или нескольких температурах, вместе со скоростью звука, применяется для более точной корреляции плотности.

Плотность, коррелированная из скорости звука или из скорости звука и теплопроводности, может быть, например, нормальной плотностью. Предпочтительным образом, плотность, коррелированная из скорости звука или из скорости звука и теплопроводности, или нормальная плотность с помощью температуры и давления газа или газовой смеси пересчитывается в плотность при рабочих условиях.

В предпочтительном варианте выполнения способа скорость звука, теплопроводность при одной или нескольких температурах и либо теплоемкость, либо зависимый от теплоемкости параметр применяются для корреляции теплоты сгорания или индекса Воббе (W) или Z-коэффициента или кинематической вязкости.

В другом предпочтительном варианте выполнения способа из теплоты сгорания, вместе с объемным или массовым потоком, вычисляется потребление энергии, например, таким образом, что произведение объемного или массового потока и теплота сгорания интегрируются во времени.

Вышеописанный способ и вышеописанные формы и варианты выполнения пригодны как для непрерывного, так и для прерывистого определения удельных параметров для свойства газа и/или потребления энергии.

Измерительное устройство для определения удельных параметров для свойства газа и/или потребления энергии согласно предложенному изобретению включает в себя блок оценки, который выполнен с возможностью осуществления способа согласно вышеописанным формам и вариантам выполнения, а также ультразвуковой расходомер для измерения скорости звука и течения, датчик давления для измерения давления, датчик температуры для измерения температуры и микротермический датчик для измерения теплопроводности и либо теплоемкости, либо зависимого от теплоемкости параметра газа или газовой смеси.

В первом варианте выполнения измерительного устройства ультразвуковой расходомер и микротермический датчик размещены в газопроводе и могут нагружаться тем же самым массовым потоком.

Во втором варианте выполнения измерительного устройства ультразвуковой расходомер расположен в основном газопроводе, а микротермический датчик - в байпасном газопроводе по отношению к основному газопроводу, причем в основном газопроводе предусмотрен элемент, создающий перепад давления, для образования массового потока в байпасном газопроводе.

Предпочтительно в первом и во втором варианте выполнения ультразвуковой расходомер размещен на газопроводе или основном газопроводе не инвазивно.

В третьем варианте выполнения измерительного устройства ультразвуковой расходомер и микротермический датчик расположены в байпасном газопроводе по отношению к основному газопроводу, причем в основном газопроводе предусмотрен элемент, создающий перепад давления для образования массового потока в байпасном газопроводе.

Предпочтительно, во втором и третьем варианте выполнения отношение деления между массовым потоком в байпасном и в основном газопроводе известно, например, посредством калибровки с известным газом.

Независимо от формы и варианта выполнения, измерительное устройство может дополнительно включать в себя участок газопровода или основного газопровода и/или байпасного газопровода, в которых размещен по меньшей мере один из датчиков измерительного устройства, и/или элемент, создающий перепад давления, в основном газопроводе.

Предпочтительным образом, блок оценки вместе с остальным измерительным устройством образует конструктивный блок. В зависимости от применения, измерительное устройство может также образовывать конструктивный блок без блока оценки, причем блок оценки может быть выполнен в отдельном или вышестоящем вычислительном блоке.

Способ и измерительное устройство согласно предложенному изобретению для определения удельных параметров для свойства газа и/или потребления энергии имеет преимущество, состоящее в том, что они могут применяться также в газораспределительных сетях низкого давления, не требуя, как измерительное устройство, описанное в патентной заявке ЕР 14001767, дополнительного компрессора или дополнительного вакуумного насоса.

Кроме того, предпочтительно, что определенная с помощью микротермического датчика теплопроводность газа или газовой смеси при одной или нескольких температурах, вместе со скоростью звука, может применяться для более точной корреляции плотности, что приводит к более точным значениям для массового потока.

Корреляция удельных параметров для свойства газа из трех независимых переменных - скорости звука, теплопроводности и теплоемкости - обеспечивает к тому же более высокую точность при определении теплоты сгорания и потребления энергии, чем это было возможно с помощью вышеописанного способа согласно ЕР 2 574 918 А1.

Изобретение поясняется далее более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

Фиг.1а - схематичная структура примера выполнения микротермического анемометра,

Фиг.1b - схематичное представление ультразвукового расходомера,

Фиг.2а - пример определения плотности (корреляции) на основе скорости звука,

Фиг.2b - пример улучшенного определения плотности (корреляции) на основе скорости звука и теплопроводности,

Фиг.3а - пример определения теплоты сгорания (корреляции) на основе теплоемкости, теплопроводности и скорости звука,

Фиг.3b - пример определения Z-коэффициента (корреляции) на основе теплоемкости, теплопроводности и скорости звука,

Фиг.3с - пример определения кинематической вязкости (корреляции) на основе теплоемкости, теплопроводности и скорости звука,

Фиг.4 - пример выполнения схематичной структуры измерительного устройства согласно предложенному изобретению в основном газопроводе,

Фиг.5 - второй пример выполнения схематичной структуры измерительного устройства согласно предложенному изобретению с микротермическим датчиком в байпасном газопроводе по отношению к основному газопроводу и

Фиг.6 - третий пример выполнения схематичной структуры измерительного устройства согласно предложенному изобретению в байпасном газопроводе.

На Фиг.1а показан пример выполнения микротермического датчика 7 для применения в измерительном устройстве согласно предложенному изобретению. Микротермический датчик может, например, как показано на фиг.1, представлять собой микротермический CMOS-термоанемометр, который при использовании располагается на участке байпасного газопровода и может нагружаться потоком 2а газа или газовой смеси. Микротермический CMOS-термоанемометр включает в себя подложку 13, которая типично содержит мембрану 14 толщиной в несколько микрометров. Кроме того, CMOS-термоанемометр включает в себя два термоэлемента 15.1, 15.2 и нагревательный элемент 16, который может располагаться между обоими термоэлементами. С помощью обоих термоэлементов 15.1, 15.2 может регистрироваться температура, которая устанавливается на основе теплообмена 15.1а, 15.2а с потоком 2а газа или газовой смеси.

В отношении дополнительных деталей функционирования интегрального микротермического CMOS-термоанемометра можно сослаться на D. Matter, B. Kramer, T. Kleiner, B. Sabbattini, T. Suter, “Mikroelektronischer Haushaltsgaszähler mit neuer Technologie”, Technisches Messen 71, 3 (2004), S.137-146.

На Фиг.1b показан пример выполнения ультразвукового расходомера 4 для применения в измерительном устройстве согласно предложенному изобретению. Например, два генерирующих звук и принимающих звук блока 17 и 18 (например, пьезо-возбудители и приемники) расположены в косо противолежащих положениях в измерительном трубопроводе. Звуковой импульс, излученный от возбудителя 17, достигает приемника 18 быстрее, чем звуковой импульс, одновременно излученный из возбудителя 18, достигает приемника 17. Из времен t₁₂ и t₂₁ распространения, совместно с геометрическими факторами расположения, можно вычислить как скорость c_s звука, так и скорость v_x течения.

В отношении дополнительных деталей функционирования ультразвукового датчика можно сослаться на L.C. Lynnwortha, Yi Liub, “Ultrasonic flowmeters: Half-century progress report, 1955 - 2005”, в Ultrasonics, 44, Supplement (2006), S.e1371-e1378.

На Фиг.4 показан пример выполнения схематичной структуры измерительного устройства согласно предложенному изобретению. В примере выполнения измерительное устройство 11 содержит блок 10 оценки, который выполнен с возможностью осуществления способа согласно предложенному изобретению, ультразвуковой расходомер 4 , микротермический датчик 7, а также датчик 8 давления и датчик 9 температуры, причем датчики могут быть расположены в газопроводе 1. Некоторые из этих компонентов или все эти компоненты могут быть объединены в один конструктивный блок, причем блок 10 оценки может быть составной частью этого конструктивного блока (вариант 11а), или блок оценки может предоставляться отдельно от него (вариант 11b), например, в вышестоящем вычислительном блоке.

Структура показанного на фиг.4 примера выполнения пригодна для определения удельных параметров для свойства газа при малых и очень малых расходах газа, как, например, они встречаются в области газового анализа, и где в первую очередь важна информация относительно свойства газа.

Измерительное устройство в показанном на фиг.4 примере выполнения может использоваться, например, в качестве блока анализа или в качестве автономного устройства анализа, причем блок анализа или устройство анализа предпочтительно содержит газопровод 1, в котором размещены датчики 4, 7, 8, 9 измерительного устройства. С помощью блока анализа или устройства анализа могут отбираться и анализироваться пробы газа. Необходимые для этого соединительные элементы и клапаны на фиг.4 не показаны.

Пример выполнения способа для определения удельных параметров для свойства газа или газовой смеси согласно предложенному изобретению описывается ниже со ссылкой на фиг.4. В этом способе газ или газовая смесь протекает в газопроводе через ультразвуковой расходомер 4 и через микротермический датчик 7. С помощью расположенного дополнительно в газопроводе датчика 8 давления и датчика 9 температуры определяются давление и температура газа или газовой смеси, то есть рабочие условия. Кроме того, с помощью ультразвукового датчика измеряется скорость звука и скорость течения или объемный поток. Затем выполняется корреляция плотности на основе скорости звука, причем определенную посредством корреляции плотность целесообразно пересчитать в плотность при данной температуре и данном давлении (рабочих условиях).

К тому же с помощью микротермического датчика 7 измеряется теплопроводность газа при одной или нескольких температурах, при этом мощность накала нити накала варьируется. Если необходимо, результат этого измерения также может вводиться в корреляцию плотности. С использованием значения плотности и объемного потока затем вычисляется массовый поток. Из измеренного также микротермическим датчиком коэффициента потока затем вычисляется отношение между теплоемкостью и теплопроводностью газа и, вместе с уже известной теплопроводностью, вычисляется значение теплоемкости. Скорость звука, теплопроводность и теплоемкость затем применяются для корреляции удельных параметров для свойства газа, например, теплоты сгорания или индекса Воббе (W) или Z-коэффициента или кинематической вязкости. Посредством умножения массового потока на теплоту сгорания можно, при необходимости, определить потребление энергии.

На Фиг.5 показан второй пример выполнения схематичной структуры измерительного устройства 11 согласно предложенному изобретению с микротермическим датчиком 7 в байпасном газопроводе 6 по отношению к основному газопроводу 1. В основном газопроводе в этом случае предусмотрен элемент 5, создающий перепад давления, так что при работе формируется перепад давления через байпасный газопровод, что приводит к газовому потоку 2 в байпасном трубопроводе, причем устанавливается характеристическое отношение 3 деления расхода между основным и байпасным газопроводом.

В показанном примере выполнения измерительное устройство, дополнительно к микротермическому датчику 7, включает в себя блок 10 оценки, который выполнен с возможностью осуществления способа согласно предложенному изобретению, а также ультразвуковой расходомер 4, датчик 8 давления и датчик 9 температуры, которые типично размещены в основном газопроводе 1. Некоторые из этих компонентов или все эти компоненты могут быть объединены в один конструктивный блок, причем блок 10 оценки может быть составной частью этого конструктивного блока (вариант 11а), или блок оценки может предоставляться отдельно от него (вариант 11b), например, в вышестоящем вычислительном блоке.

Структура показанного на фиг.5 примера выполнения пригодна как для определения удельных параметров для свойства газа, так и, в случае теплоты сгорания в качестве свойства газа, для измерения потребления энергии при расходах газа от средних до высоких, как они проявляются в сфере домашнего хозяйства, в промышленности или в подлежащем тарировке движении транспорта.

Ультразвуковой расходомер 4 не должен при этом обязательно встраиваться в основной газопровод 1, а может также в качестве так называемого “фиксируемого прибора” размещаться снаружи на газопроводе или основном газопроводе. Микротермический датчик 7, напротив, требует лишь очень малых величин расходов и поэтому предпочтительно размещается в байпасном трубопроводе 6.

Второй пример выполнения способа для определения удельных параметров свойства газа для газа или газовой смеси согласно предложенному изобретению будет описан ниже со ссылкой на фиг.5. В способе газ или газовая смесь течет через основной газопровод 1 или через элемент 5, создающий перепад давления. Перед элементом 5, создающим перепад давления, ответвляется байпасный газопровод 6, чтобы после него вновь соединиться с основным газопроводом. Посредством элемента 5, создающего перепад давлений, часть газа иди газовой смеси 2 вынуждается к тому, чтобы протекать через байпасный газопровод 6 или через расположенный в нем микротермический датчик 7. Ультразвуковой расходомер 4 нагружается основным газовым потоком.

С помощью дополнительно размещенного в основном газопроводе датчика 8 давления и датчика 9 температуры определяются давление и температура газа или газовой смеси, то есть рабочие условия. Далее, с помощью ультразвукового датчика измеряется скорость звука и скорость течения или объемный поток. Затем выполняется корреляция плотности на основе скорости звука, причем плотность, определенная посредством корреляции, целесообразно пересчитать в плотность при данной температуре и при данном давлении (рабочих условиях).

К тому же с помощью микротермического датчика 7 измеряется теплопроводность газа при одной или нескольких температурах, при этом варьируется мощность нагрева нити накала. Если необходимо, результат этого измерения также может быть включен в корреляцию плотности. С помощью значения плотности и объемного потока затем вычисляется массовый поток через основной газопровод 1. Затем целесообразно использовать отношение деления массового потока между основным и байпасным газопроводом, чтобы вычислить массовый поток в байпасном газопроводе. Отношение деления может определяться, например, заранее в калибровочном измерении с известными газами.

Из коэффициента потока, измеренного также микротермическим датчиком, вычисляется отношение между теплоемкостью и теплопроводностью газа или газовой смеси и, с помощью уже известной теплопроводности, значение теплоемкости. Скорость звука, теплопроводность и теплоемкость затем применяются для корреляции удельных параметров для свойства газа. В случае теплоты сгорания в качестве свойства газа, умножение массового потока в основном газопроводе на теплоту сгорания дополнительно дает потребление энергии.

На Фиг.6 показан третий пример выполнения схематичной структуры измерительного устройства 11 согласно предложенному изобретению в байпасном газопроводе 6 по отношению к основному газопроводу 1. В основном газопроводе в этом случае предусмотрен элемент 5, создающий перепад давлений, так что при работе создается перепад давлений через байпасный газопровод, что приводит к газовому потоку 2 в байпасном газопроводе, причем устанавливается характеристическое отношение 3 деления расхода между основным и байпасным газопроводом.

В показанном примере выполнения измерительное устройство содержит блок 10 оценки, который выполнен с возможностью осуществления способа согласно предложенному изобретению, а также ультразвуковой расходомер 4 и микротермический датчик 7, которые размещены в байпасном газопроводе 6. Кроме того, измерительное устройство содержит датчик 8 давления и датчик 9 температуры, которые чаще всего также размещены в байпасном газопроводе 1. Некоторые из этих компонентов или все эти компоненты могут быть объединены в один конструктивный блок, причем блок 10 оценки может быть составной частью этого конструктивного блока (вариант 11а), или блок оценки может предоставляться отдельно от него (вариант 11b), например, в вышестоящем вычислительном блоке.

Структура показанного на фиг.6 примера выполнения получается предпочтительным образом тогда, когда ультразвуковой датчик 4 также выполнен в микротехнике и, как и микротермический датчик 7, требует лишь очень малых величин расхода. Предпочтительным образом тогда оба датчика расположены в байпасном трубопроводе 6.

Третий пример выполнения способа для определения удельных параметров свойства газа для газа или газовой смеси согласно предложенному изобретению будет описан ниже со ссылкой на фиг.6. Способ пригоден как для непрерывного, так и для прерывистого определения удельных параметров для свойства газа и/или потребления энергии. Необходимые при обстоятельствах соединительные элементы и клапаны на фиг.6 не показаны.

В третьем примере выполнения способа газ или газовая смесь течет через основной газопровод 1 или через элемент 5, создающий перепад давления. Перед элементом 5, создающим перепад давления, ответвляется байпасный газопровод 6, чтобы после него вновь соединиться с основным газопроводом. Посредством элемента, создающего перепад давлений, часть газа или газовой смеси 2 вынуждается к тому, чтобы протекать через байпасный газопровод 6 и через ультразвуковой расходомер 4 и через микротермический датчик 7, которые размещены в байпасном газопроводе. При этом ультразвуковой расходомер 4 и микротермический датчик 7 нагружаются одним и тем же газовым потоком.

С помощью дополнительно размещенного в байпасном газопроводе датчика 8 давления и датчика 9 температуры определяются давление и температура газа или газовой смеси, то есть рабочие условия. Далее, с помощью ультразвукового датчика измеряется скорость звука и скорость течения или объемный поток. Затем выполняется корреляция плотности на основе скорости звука, причем плотность, определенная посредством корреляции, целесообразно пересчитать в плотность при данной температуре и при данном давлении (рабочих условиях).

К тому же с помощью микротермического датчика 7 измеряется теплопроводность газа при одной или нескольких температурах, при этом варьируется мощность нагрева нити накала. Если необходимо, результат этого измерения также может быть включен в корреляцию плотности. С помощью значения плотности и объемного потока затем вычисляется массовый поток через байпасный газопровод 6.

Из коэффициента потока, измеренного также микротермическим датчиком, вычисляется отношение между теплоемкостью и теплопроводностью газа или газовой смеси и, с помощью уже известной теплопроводности, значение теплоемкости. Скорость звука, теплопроводность и теплоемкость затем применяются для корреляции удельных параметров для свойства газа.

Так как вышеописанные измерения и расчеты относятся к байпасному газопроводу, следует использовать отношение деления массового потока между основным и байпасным газопроводом, чтобы вычислить массовый поток в основном газопроводе. Отношение деления может определяться, например, заранее в калибровочном измерении с известными газами. В случае, если в качестве свойства газа была определена теплота сгорания, умножение массового потока в основном газопроводе на теплоту сгорания дополнительно дает потребление энергии.

Способ и измерительное устройство согласно предложенному изобретению, а также вышеописанные формы и варианты выполнения для определения удельных параметров для свойства газа или потребления энергии могут применяться в газораспределительных сетях высокого и низкого давления, и, благодаря корреляции из трех независимых переменных - скорости звука, теплопроводности и теплоемкости - обеспечивают возможность достижения сравнительно высокой точности при определении указанных параметров.

Предложен способ и измерительное устройство для определения параметров качества газа, в котором газ или газовая смесь протекает как через ультразвуковой расходомер (4), так и через микротермический датчик (7), и первый используют для определения скорости звука и течения, а с помощью второго определяют теплопроводность и теплоемкость газа или газовой смеси. Скорость звука, теплопроводность и теплоемкость применяют для корреляции удельных параметров для свойств газа. Технический результат – возможность точного определения параметров качества газа в реальном времени. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ для определения удельных параметров для свойства газа, в котором

газ или газовая смесь протекает через ультразвуковой расходомер и через микротермический датчик, причем регистрируют температуру (Т) и давление (p) газа или газовой смеси;

с помощью ультразвукового расходомера определяют как скорость течения (v_x) или соответственно объемный поток, так и скорость звука (c_s) газа или газовой смеси;

из скорости звука (c_s) коррелируют плотность газа или газовой смеси;

применяют информацию о плотности, вместе со скоростью течения, для вычисления массового потока;

с помощью микротермического датчика определяют теплопроводность (λ) газа или газовой смеси при одной или нескольких температурах;

из сигнала расхода микротермического датчика вычисляют коэффициент потока (ϕ), чтобы из него, вместе с информацией о массовом потоке и теплопроводности, определить теплоемкость (с_р) или зависимый от теплоемкости параметр газа или газовой смеси;

наконец, скорость звука, теплопроводность при одной или нескольких температурах и либо теплоемкость, либо зависимый от теплоемкости параметр применяют для корреляции удельных параметров для свойства газа, в частности, теплоты сгорания.

2. Способ по п. 1, в котором определенную с помощью ультразвукового расходомера скорость звука (c_s) пересчитывают на скорость звука при нормальной температуре (T_norm).

3. Способ по п. 1, в котором определенную с помощью микротермического датчика теплопроводность (λ) при одной или нескольких температурах, вместе со скоростью звука, применяют для более точной корреляции плотности.

4. Способ по п. 1, в котором определенная посредством корреляции плотность является нормальной плотностью, и/или определенную посредством корреляции плотность с помощью температуры (Τ) и давления (р) газа или газовой смеси пересчитывают в плотность (ρ) при рабочих условиях.

5. Способ по п. 1, в котором скорость звука, теплопроводность при одной или нескольких температурах и либо теплоемкость, либо зависимый от теплоемкости параметр применяют для корреляции теплоты сгорания или индекса Воббе (W) или Ζ-коэффициента или кинематической вязкости.

6. Способ по п. 3, в котором скорость звука, теплопроводность при одной или нескольких температурах и либо теплоемкость, либо зависимый от теплоемкости параметр применяют для корреляции теплоты сгорания или индекса Воббе (W) или Ζ-коэффициента или кинематической вязкости.

7. Способ по п. 4, в котором скорость звука, теплопроводность при одной или нескольких температурах и либо теплоемкость, либо зависимый от теплоемкости параметр применяют для корреляции теплоты сгорания или индекса Воббе (W) или Z-коэффициента или кинематической вязкости.

8. Способ по п. 5, в котором из теплоты сгорания, вместе с объемным или массовым потоком, вычисляют потребление энергии (Φ_EN).

9. Измерительное устройство для определения удельных параметров для свойства газа и/или потребления энергии, содержащее блок оценки (10), который выполнен с возможностью осуществления способа согласно любому из п.п. 1-6, ультразвуковой расходомер (4) для измерения скорости звука и течения, датчик давления (8) для измерения давления, датчик температуры (9) для измерения температуры и микротермический датчик (7) для измерения теплопроводности и либо теплоемкости, либо зависимого от теплоемкости параметра газа или газовой смеси.

10. Измерительное устройство по п. 9, в котором ультразвуковой расходомер (4) и микротермический датчик (7) размещены в газопроводе (1) и выполнены с возможностью нагружения тем же самым массовым потоком.

11. Измерительное устройство по п. 9, в котором ультразвуковой расходомер (4) расположен в основном газопроводе (1), а микротермический датчик (7) - в байпасном газопроводе (6) по отношению к основному газопроводу, причем в основном газопроводе предусмотрен элемент (5), создающий перепад давления для образования массового потока в байпасном газопроводе.

12. Измерительное устройство по п. 10, в котором ультразвуковой расходомер (4) не инвазивно размещен на газопроводе или основном газопроводе (1).

13. Измерительное устройство по п. 11, в котором ультразвуковой расходомер (4) не инвазивно размещен на газопроводе или основном газопроводе (1).

14. Измерительное устройство по п. 9, в котором ультразвуковой расходомер (4) и микротермический датчик (7) расположены в байпасном газопроводе (6) по отношению к основному газопроводу (1), и в основном газопроводе предусмотрен элемент (5), создающий перепад давления для образования массового потока в байпасном газопроводе.

15. Измерительное устройство по п. 11, в котором отношение деления между массовым потоком в байпасном и в основном газопроводе известно, например, посредством калибровки с известным газом.

16. Измерительное устройство по п. 14, в котором отношение деления между массовым потоком в байпасном и в основном газопроводе известно, например, посредством калибровки с известным газом.

17. Измерительное устройство по п. 9, в котором измерительное устройство дополнительно включает в себя участок газопровода или основного газопровода (1) и/или байпасный газопровод (6), в которых размещен по меньшей мере один из датчиков (4, 7, 8, 9) измерительного устройства (11), и/или элемент (5), создающий перепад давления, в основном газопроводе (1).

18. Измерительное устройство по п. 10, в котором измерительное устройство дополнительно включает в себя участок газопровода или основного газопровода (1) и/или байпасный газопровод (6), в которых размещен по меньшей мере один из датчиков (4, 7, 8, 9) измерительного устройства (11), и/или элемент (5), создающий перепад давления, в основном газопроводе (1).

19. Измерительное устройство по п. 11, в котором измерительное устройство дополнительно включает в себя участок газопровода или основного газопровода (1) и/или байпасный газопровод (6), в которых размещен по меньшей мере один из датчиков (4, 7, 8, 9) измерительного устройства (11), и/или элемент (5), создающий перепад давления, в основном газопроводе (1).

20. Измерительное устройство по п. 14, в котором измерительное устройство дополнительно включает в себя участок газопровода или основного газопровода (1) и/или байпасный газопровод (6), в которых размещен по меньшей мере один из датчиков (4, 7, 8, 9) измерительного устройства (11), и/или элемент (5), создающий перепад давления, в основном газопроводе (1).

21. Измерительное устройство по п. 9, в котором блок оценки (10) вместе с остальным измерительным устройством образует конструктивный блок, или в котором измерительное устройство образует конструктивный блок без блока оценки (10), причем блок оценки выполнен в отдельном или вышестоящем вычислительном блоке.

22. Измерительное устройство по п. 10, в котором блок оценки (10) вместе с остальным измерительным устройством образует конструктивный блок, или в котором измерительное устройство образует конструктивный блок без блока оценки (10), причем блок оценки выполнен в отдельном или вышестоящем вычислительном блоке.

23. Измерительное устройство по п. 11, в котором блок оценки (10) вместе с остальным измерительным устройством образует конструктивный блок, или в котором измерительное устройство образует конструктивный блок без блока оценки (10), причем блок оценки выполнен в отдельном или вышестоящем вычислительном блоке.

24. Измерительное устройство по п. 14, в котором блок оценки (10) вместе с остальным измерительным устройством образует конструктивный блок, или в котором измерительное устройство образует конструктивный блок без блока оценки (10), причем блок оценки выполнен в отдельном или вышестоящем вычислительном блоке.

25. Измерительное устройство по п. 17, в котором блок оценки (10) вместе с остальным измерительным устройством образует конструктивный блок, или в котором измерительное устройство образует конструктивный блок без блока оценки (10), причем блок оценки выполнен в отдельном или вышестоящем вычислительном блоке.