СПОСОБ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ГАЗА ПУТЕМ КОРРЕЛЯЦИИ Российский патент 2020 года по МПК G01N25/18 G01N25/20 G01N25/36 G01N33/22 G06F30/3308 G06F17/15 G06F40/44 

Изобретение относится к способу и измерительному прибору для определения свойств газа путем корреляции.

Состав газа (природного), а следовательно, и качество газа может в будущем изменяться в большей степени и чаще, чем в настоящее время, в результате получения новых источников происхождения (биогаз, сжиженный природный газ из всех районов мира, водород, полученный при эксплуатации избыточного тока в альтернативных источниках тока), и будет иметь различные эффекты в процессах применения газа, которые также могут включать в себя и такие, которые обладают негативным воздействием. Со знанием соответствующих свойств газа на месте, процессы могут быть отрегулированы, с изменением качества газа, для обеспечения оптимальной и безопасной работы. Применительно к свойствам газа, которые уместны в этой связи, это включает в себя, например, показатель Уобба для контроллеров горелок, состав горючей смеси в энергоблоках, таких как промышленные печи и топливные элементы, метановое число для газовых двигателей, или теплопроизводительность для учета количества затраченной энергии. Эти свойства газа часто могут быть измерены лишь непосредственно, при больших затратах, вследствие чего их определение на месте обычно становится невыгодным.

Способ и измерительный прибор для определения физических свойств газа известен из EP 2 806 271 A1, в котором желаемое свойство газа определяют посредством корреляции из нескольких основных физических величин газа, которое может быть определено простым образом, такое как теплопроводность. Определение на месте желаемого свойства газа с использованием этого простого измерительного прибора затем также облегчается. Хотя возможная функция корреляции упомянута в уравнении 16 упомянутой патентной заявки, не указана точность, которая применяется для этой корреляции для газовой смеси, показанной на Фиг. 4.

В зависимости от свойства газа и выбора газовых смесей, для которых определяют свойство газа, может быть сложным с достаточной точностью определить желаемое свойство газа, исходя из измерения величин лишь с одной корреляцией.

Поэтому, целью изобретения является обеспечение способа и измерительного прибора, с помощью которых корреляция свойств газа может быть повышена, и/или выбор газовых смесей, для которых корреляция обеспечивает возможность повышения желаемой точности.

Эта задача достигается с помощью способа по п. 1 формулы изобретения и с помощью измерительного прибора по п. 14 формулы изобретения.

Настоящий способ создан на основе наблюдений заявителя, которые были проведены для комплекта газовых смесей, для которых необходимо определить свойство газа, представляющих собой группы, в которых газовые смеси обладают физически сходными характеристиками. Применительно к определению свойств газа это означает, что корреляция между измеренными величинами и желаемым свойством газа в пределах такой группы газовых смесей становится лучше, чем во всем комплекте, и что газовые смеси из такой группы могут быть отделены от остальных газовых смесей комплекта посредством физических измеряемых величин, которые выявляют в ходе выполнения способа.

Очевидно, что имеется связь между физически сходными характеристиками газовых смесей из группы газовых смесей и сходством в составе газовых смесей. Следовательно, газовые смеси типа CH₄+H₂ из одного из вариантов воплощения, описанных ниже, образуют группу газовых смесей. Однако, сходство состава для настоящего способа заранее никак не обусловлено. В данной связи, это касается лишь того, что корреляция в пределах группы газовых смесей лучше, чем во всем комплекте, и что газовые смеси из группы газовых смесей могут быть отделены от газовых смесей комплекта.

В способе, который будет представлен ниже, корреляция описывается функцией корреляции f_corr для свойства газа Q, где f_corr - функция выхода датчика S_out

, (1)

Способ создан на основе поэтапной или составной процедуры, в которой предпринимают попытку определить выход датчика S_out,1 на первом этапе таким образом, чтобы первую группу газовых смесей из комплекта можно было отделить вдоль оси S_out,1 от всех других газовых смесей комплекта и можно было бы осуществить корреляцию с помощью первой функции корреляции f_corr,1, чтобы уже не рассматривать этого на следующем этапе. Остальные или другие газовые смеси комплекта затем сопоставляют на втором этапе со вторым выходом датчика S_out,2, чтобы снова задать их для корреляции отдельно второй группы газовых смесей с помощью второй функции корреляции f_corr,2. Эту процедуру можно повторять столь часто, насколько это желательно, до достижения желаемой степени корреляции.

I^й выход датчика S_out,i (i=1,…,n) представляет собой функцию f_i для одного или нескольких физических измерительных величин μ_j (j=1,…,m) одного или нескольких датчиков:

, (2)

причем функция корреляции f_corr,i (i=1…n ) может быть кусочно различной относительно S_out,i, а на границах участков даже возможно скачкообразное изменение f_corr,i.

Типичным аспектом в данном способе является то, что можно путем введения выхода датчика S_out,i, который является функцией физических измерительных величин, чтобы сделать определенный вывод для функций f_i, исходя из табличных значений этих физических измерительных величин для групп газовых смесей, в частности, для данной группы газовых смесей, что тогда приводит к разделению группы газовых смесей, как было описано выше. Если свойство газа Q на оси Y вводят в зависимости от S_out,i по оси X, точки газовой смеси при изменении функции f_i движутся исключительно параллельно оси X, что значительно облегчает визуальное отслеживание эффектов изменения функции f_i (см. Фиг. 1b).

Визуальное отслеживание также может быть автоматизировано с помощью компьютерной программы следующим образом: функциональные параметры p_fi функции f_i, такие как коэффициенты полинома, экспоненты или константы, изменяются для каждой функции f_i в комплекте возможных функций выхода датчика в пределах граничных значений для p_fi, вводимых, например, посредством метода выбора Монте-Карло. В то же время, подсчитывают количество неточностей, т.е., количество событий, для которых две или более газовых смесей показывают «различные» значения для величины Q, определяемого при «идентичном» выходе датчика S_out,i. Термины «идентичные» и «различные» также могут означать внутри или вне предварительно задаваемых интервалов значений. Например, Фиг. 2a показывает возможное значение для ширины Δ интервала выхода датчика S_out,2. Целью этого является, например, определение функции f_i и комплекта p_fi параметров функции, в котором возникает самое меньшее количество таких событий неточности. Если вдоль оси X (S_out,i) получается гистограмма этих событий, такие участки можно определить вдоль оси X, как показано на Фиг. 2b, где и для какой группы газовых смесей возможна хорошая или лучшая корреляция (с минимальным количеством n таких событий неточности или минимальной дисперсией 3σ значений Q в случае, когда события неточности находятся в интервале). Вместо минимального поиска, для способа выбора также возможно предварительно определение максимально допустимого количества n событий неточности или максимально допустимой дисперсии 3σ значений Q в случае, когда события неточности находятся в интервале.

С помощью настоящего способа для определения свойств газа, также безусловно обеспечивается физическое определение группы газовых смесей: газовые смеси, которые физически сходны, могут быть отделены от газовых смесей, которые также могут быть физически сходными между собой, но которые отличаются по одному физическому параметру сходства от первой группы газовых смесей.

Для физического параметра сходства упомянуты тепловые степени свободы молекул газа. Согласно теореме о разделении на равные части, при тепловом равновесии к каждой степени свободы отнесена одна и та же средняя энергия 1/2kT. Горючие газы, такие как метан, этан и все другие высшие углеводороды действуют как высокоатомные газы с шестью степенями свободы, тогда как инертные газообразные компоненты, такие как азот, кислород и аргон могут быть скорее связаны с одноатомными газами с пятью степенями свободы, поскольку конкретные степени свободы при комнатной температуре еще «заморожены». Этот факт оказывает влияние на теплоемкость этих молекул (больше степеней свободы=более высокая теплоемкость). Однако, в то же время, и это имеет химические причины, инертные молекулы не вносят вклад в теплопроизводительность (Q). Поэтому, в этом случае, группа газов с высокой теплопроизводительностью (H-газы) может быть отделена от группы газов с низкой теплопроизводительностью (L-газы) путем измерения теплоемкости c_p=μ.

Другими примерами для физических измерительных величин μ_i являются плотность ρ, теплопроводность λ, скорость звука c_s, диэлектрическая проницаемость ε и т.д.

Примерами для определяемых свойств газа Q являются вязкость (которая важна в конфигурации систем трубопроводов), коэффициент сжатия Z (который важен в целях расчета в линиях газопереноса), и также скорость распространения пламени (для термических применений в обрабатывающей промышленности), или параметры прямых способов получения, такие как угол начала воспламенения в газовых двигателях. Последние параметры представляют особый интерес, поскольку в этом случае физические параметры сходства сложно выявить, исходя из состава газа, поскольку свойства газа в «традиционном» смысле заданы газом, тогда как параметры процесса заданы процессом.

В способе для определения свойств газа согласно настоящему изобретению определяемое свойство газа, такое как физическое свойство газа, определяют путем корреляции, исходя из измерений величин газов и/или газовых смесей, в которых физические измерительные величины объединяют в выход датчика, воспользовавшись функцией выхода датчика, а выход датчика сопоставляют с граничным значением , для определения того, находится ли выход датчика в пределах комплекта G газов и/или газовых смесей, для которых способ применим, которые относятся к группе газов и/или газовых смесей, которые упомянуты ниже как группа газовых смесей GG, где корреляция между выходом датчика и определяемым свойством газа лучше, чем во всем комплекте G. Если выход датчика относится к вышеупомянутой группе газовых смесей GG, свойство газа определяют, исходя из выхода датчика, с помощью функции корреляции, которая характерна для группы газовых смесей.

В предпочтительном варианте воплощения способа принадлежность к группе газовых смесей проверяют в два, три, четыре или более этапов, в том смысле, что физические измерительные величины комбинируют в дополнительный выход датчика, воспользовавшись, соответственно, функцией выхода датчика, которая характерна для газов и/или газовых смесей G_rest,i комплекта, которые остаются после разделения предшествующей группы или групп газовых смесей, которые упоминаются ниже как оставшиеся газы и/или газовые смеси G_rest,i, а дополнительный выход датчика сопоставляют с дополнительным граничным значением для определения того, относится ли дополнительный выход датчика в рамках оставшихся газов и/или газовых смесей G_rest,i к дополнительной группе газовых смесей GG_i, в которых корреляция между дополнительным выходом датчика и определяемым свойством газа лучше, чем в рамках оставшихся газов и/или газовых смесей G_rest,i. Если дополнительный выход датчика относится к вышеупомянутой дополнительной группе газовых смесей GG_i, свойство газа определяют из дополнительного выхода датчика с функцией корреляции, которая характерна для дополнительной группы газовых смесей.

Если выход датчика не относится к одной из вышеупомянутых групп газовых смесей, свойство газа может быть определено из выхода датчика с помощью функции корреляции, которая характерна для оставшихся газов и/или газовых смесей.

Во множестве случаев может быть выгодным изменить выход датчика ранее корреляции с помощью дополнительной функции выхода датчика для приготовления или улучшения корреляции между выходом датчика и свойством газа и/или для упрощения поиска подходящей функции корреляции.

В другом предпочтительном варианте воплощения способа, функцию выхода датчика и граничное значение для выхода датчика определяют таким образом, чтобы группа газовых смесей GG была отделена граничным значением от комплекта G газов и/или газовых смесей, для которых свойство газа определяют, в пределах которых корреляция между выходом датчика и желаемым свойством газа лучше, чем во всем комплекте G.

Разделение групп газовых смесей также может протекать в два, три, четыре или более этапов в том смысле, что новый комплект соответственно формируют из оставшихся газов и/или газовых смесей G_rest,i, т.е., из тех, которые остались в результате предшествующего разделения, от которой отделяют заданную дополнительную группу газовых смесей с отдельной функцией выхода датчика и с отдельным граничным значением для выхода датчика, и в том смысле, что корреляция от выхода датчика происходит для газов и/или газовых смесей дополнительной группы газовых смесей с помощью отдельной функции корреляции.

Соотношение обычно применимо для газов и/или газовых смесей группы газовых смесей GG, а соотношение - для оставшихся газов и/или газовых смесей G_rest комплекта, или от случая к случаю, вместо вышеупомянутых соотношений, применимы соотношения и .

Способ может быть осуществлен автоматически, безотносительно к вышеупомянутым вариантам воплощения и вариантам, например, в измерительном приборе.

Функция выхода датчика или функции выхода датчика и/или граничное значение или значения , для выхода датчика и/или функции корреляции выгодно определяют заранее, т.е., обычно ранее определения свойств газа на месте, например, исходя из значений физических измерительных величин и свойств газа, определяемых из таблиц и/или технической литературы и/или баз данных и/или измерений, и сохраняют в соответствии с требованиями.

В другом предпочтительном варианте воплощения способа функцию выхода датчика или функции выхода датчика и/или граничное значение или значения , для выхода датчика определяют с помощью компьютерной программы, в том смысле, что для каждой функции f_i в комплекте возможных функций выхода датчика соответствующие функциональные параметры p_fi функции f_i, такие как коэффициенты полинома, экспоненты или константы, изменяют в пределах предварительно заданных граничных значений для p_fi, например, посредством метод выбора Монте-Карло. Диапазон выхода датчика в этом способе подразделяют на интервалы, и в частности, в каждом интервале подсчитывают количество неточностей, т.е., количество событий, для которых две или более газовых смесей демонстрируют различные значения для определяемого количества Q или значения для определяемой величины Q, лежащие за пределами предварительно заданного интервала значений. Задача состоит в определении функции f_i и соответствующего комплекта функциональных параметров p_fi, в которых возникает наименьшее количество таких событий неточности, или дисперсия 3σ значений для определяемой величины Q минимальна в случае, когда события неточности находятся в интервале, или предварительно заданное максимально допустимое количество n_max событий неточности или предварительно заданная максимально допустимая дисперсия 3σ_max значений Q, в случае когда события неточности находятся в интервале, не превышена.

Дополнительно, подходящим образом определяют, исходя из какого граничного значения количество n_max событий неточности, которое предварительно задано на интервал для определения граничного значения, или дисперсия 3σ_max значений Q, которая предварительно задана на интервал для определения граничного значения, не превышена в случае событий неточности.

По меньшей мере, две или все функции выхода датчика обычно отличаются друг от друга и/или, по меньшей мере, два или все граничных значения для выхода датчика отличаются друг от друга.

Каждая из точек газов и/или газовых смесей группы или групп газовых смесей выгодно расположена на линии, описанной отличной от других функцией корреляции, или в областях допустимых значений, которые примыкают к такой линии по обеим сторонам, и которые составляют, например, не более 0,25% или 0,75% или 2% от величины свойства (Q) газа. По меньшей мере, две или все функции корреляции обычно отличаются друг от друга.

В предпочтительном варианте воплощения функция выхода датчика или функции выхода датчика имеют тип

,

а p_1,i, …, p_m,i - экспоненты, и/или

функция корреляции или функции корреляции типа

,

а a_0,i, a_1,i и a_2,i - константы.

Коэффициент корреляции Пирсона может быть использован, например, в качестве меры для точности измерения корреляции, в котором лучшая корреляция означает, что коэффициент корреляции Пирсона находится ближе к значению +1 или -1, а абсолютное значение разности - к значению +1 или -1, что составляет, например, менее 0,3 или 0,2 или 0,1.

Коэффициент корреляции Пирсона

(3)

является мерой для отклонения двух переменных , от линейности, где и представляют собой средние значения для всех n газов и газовых смесей.

Если все n точек газов и газовых смесей лежат на прямой линии с положительным градиентом, коэффициент корреляции Пирсона имеет значение +1. Если, с другой стороны, все n точек находятся на прямой линии, с отрицательным градиентом, значение составляет -1. Если все n точек стохастически распределены вокруг точки, то какая-либо корреляция отсутствует, и коэффициент корреляции Пирсона имеет значение 0.

Функции корреляции, которые используются в вышеупомянутом способе и в описанных вариантах воплощения, и варианты обычно бывают нелинейными, т.е., значения +1 и -1 коэффициента корреляции Пирсона в большинстве случаях не достигаются. Поскольку отклонения от линейности в большинстве случаях являются умеренными, коэффициент корреляции Пирсона очень подходит на практике в целях сравнения, в том смысле, что корреляция или функция является наилучшей, а точнее, между переменными , более близкий коэффициент корреляции Пирсона имеет значение +1 или -1.

Физические измерительные величины выгодно выявляются одним или несколькими датчиками. По меньшей мере, две из следующих измерительных величин выявляют, например, в качестве физических измерений величин: теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности, плотности, скорости потока, массового расхода, скорости звука, диэлектрической постоянной, вязкости, поглощения в инфракрасной области спектра, давления и температуры, причем этот список не является исчерпывающим.

Изобретение дополнительно содержит измерительный прибор для определения свойств газа с помощью одного или нескольких датчиков для выявления физических измерительных величин и с помощью блока оценки, который устанавливают для осуществления способа согласно одному или нескольким вариантов воплощения и вариантов, которые описаны выше.

Блок оценки может образовывать узел, например, вместе с датчиком или датчиками, или блок оценки создают в отдельном вычислительном блоке или в вычислительном блоке более высокого уровня.

Способ и измерительный прибор согласно настоящему изобретению для определения свойств газа дает преимущество, которое состоит в том, что в результате корреляции в несколько этапов точность определения свойств газа из измеренных физических величин газов и/или газовых смесей может быть повышена, и количество величин газов и/или газовых смесей, для которых способ может быть применен с желаемой точностью, является большим, чем в случае простых способов корреляции. В результате корреляции в несколько этапов газовые смеси с составами также могут быть включены в способ, для которого определение свойств газа можно было осуществлять лишь до сих пор, при высокой стоимости или без необходимой точности.

Изобретение будет разъяснено ниже более подробно со ссылкой на чертежи, на которых:

Фиг. 1a показывает первый вариант воплощения с графическим представлением корреляции коэффициента сжатия Z согласно способу в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 1b показывает пример для взаимного горизонтального смещения точек отдельных газовых смесей в результате изменения функции выхода датчика в первом варианте воплощения;

Фиг. 2a показывает пример для выбора выходной функции в первом варианте воплощения для отделения обогащенных по водороду газов (так называемых «гитанов»);

Фиг. 2b показывает пример гистограммы неточностей и ожидаемой ошибки корреляции для компьютерного способа выбора для определения функции выхода датчика в варианте воплощения, показанном на Фиг. 2a;

Фиг. 3 показывает пример для выбора функции выхода датчика в первом варианте воплощения для отделения H- и L-газов;

Фиг. 4 показывает пример для выбора функции выхода датчика в первом варианте воплощения для корреляции коэффициента сжатия в рамках H-газов;

Фиг. 5 показывает пример для выбора функции выхода датчика в первом варианте воплощения для корреляции коэффициента сжатия в рамках L-газов;

Фиг. 6 показывает второй вариант воплощения с графическим представлением корреляции числа Прандтля согласно способу в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 7 показывает пример для выбора функции выхода датчика во втором варианте воплощения для отделения H-газов;

Фиг. 8 показывает пример для выбора функции выхода датчика во втором варианте воплощения для подготовки корреляции числа Прандтля в рамках H-газов;

Фиг. 9 показывает пример для выбора функции выхода датчика во втором варианте воплощения для отделения обогащенных по водороду газов (так называемых «гитанов»);

Фиг. 10 показывает пример для выбора функции выхода датчика во втором варианте воплощения для подготовки корреляции числа Прандтля в рамках L-газов, и

Фиг. 11 показывает вариант воплощения схематической конфигурации измерительного прибора согласно настоящему изобретению.

Метан (G20) используют во всех представлениях, показанных на Фиг. 1a-10 в качестве эталона, следующим образом:

для всех измерительных величинμ_i в уравнении (2) и во всех следующих разделах.

Первый вариант воплощения способа согласно настоящему изобретению для корреляции коэффициента сжатия Z описан ниже со ссылкой на Фиг. 1a-5.

Способ создан на основе выбора или комплекта газов и/или газовых смесей, для которых определяют свойство Q газа.

Сначала осуществляют попытку выбрать функцию выхода датчика S_out таким образом, чтобы выход датчика можно было четким образом отобразить в виде графика для свойства Q газа для газов и/или газовых смесей комплекта, т.е., для коэффициента сжатия Z в первом варианте воплощения, например, как показано на Фиг. 1a посредством функции выхода датчика

.

Это означает на графическом представлении Q в зависимости от S_out, что точки газов и/или газовых смесей лежат на линии или, по меньшей мере, приблизительно на линии, которая может быть описана как отличная от других функцией. Если это невозможно одновременно, как показано на Фиг. 1a, для всех газов и/или газовых смесей комплекта, то можно визуально отследить при изменении функции выхода датчика S_out,1, как точки газов и/или газовых смесей смещаются друг относительно друга. Фиг. 1b показывает смещение точек по Фиг. 1a (смещение проиллюстрировано стрелками), когда функция выхода датчика изменяется, например, как

(пустые символы означают до смещения, заполненные символы - после смещения).

В способе согласно настоящему изобретению, S_out изменяют таким образом, чтобы группа газов и/или газовых смесей, которая здесь и далее называется группой газовых смесей, была полностью отделена вдоль оси выхода датчика от оставшихся газов и/или газовых смесей комплекта, например, в первом варианте воплощения - функцией выхода датчика

.

Фиг. 2a показывает иллюстрацию коэффициента сжатия Z, в зависимости от S_out,2, с метаном (G20) в качестве эталона. Выход датчика S_out,2 > 1 применим для группы газовых смесей обогащенных по водороду газов (так называемых «гитанов» в форме CH₄+H₂), которые отделяют согласно Фиг. 2, и для этой группы газовых смесей легко можно найти функцию корреляции, как видно на Фиг. 2a, и поэтому группа газовых смесей больше не нуждается в дальнейшем рассмотрении.

С другой стороны, если измерение приводит к S_out,2 ≤ 1, то H- и L-газы, например, отделяются друг от друга вдоль оси S_out,3 на следующем этапе за счет возобновления изменения функции выхода датчика, например, с получением

.

Фиг. 3 показывает отделение H-газов от L-газов. Если применяется выход датчика S_out,3 > 0,975, то это относится к H-газу. L-gas характерен для S_out,3≤0,975. В первом случае, дело идет к корреляции коэффициента сжатия Z для H-газов, а в последнем случае - к корреляции коэффициента сжатия Z для L-газов.

Функция выхода датчика

может быть использована, например, для корреляции коэффициента сжатия Z для H-газов. Фиг. 4 показывает корреляцию коэффициента сжатия Z в зависимости от S_out,4.

Функция выхода датчика

может быть использована, например, для корреляции коэффициента сжатия Z для L-газов. Фиг. 5 показывает корреляцию коэффициента сжатия Z, в зависимости от S_out,5.

Все функции корреляции f_corr,i согласно первому варианту воплощения, показанному на Фиг. 2, 4 и 5, имеют тип

(4),

для i=2, 4 и 5, т.е., многочленов второй степени.

Какие группы газовых смесей могут быть отделены друг от друга, какие функции выхода датчика S_out,i обеспечены, сколько этапов может потребоваться, и где именно линии разделения могут быть проведены, зависит от имеющихся измерительных величин μ_j и свойств газа, определяемых корреляцией. Значения, упомянутые выше, приведены лишь в качестве примера.

Для иллюстрации этого, способ не ограничен коэффициентом сжатия Z, данные имеющиеся измерительные величиныμ_j также могут быть другими, нежели измерение теплоемкости, скорости звука и теплопроводности, и данная используемая функция выхода датчика S_out,i или функция корреляции f_corr,i не обязательно должна иметь такую же форму, как и в предшествующем примере, корреляция числа Прандтля Pr представлена здесь во втором, обобщающем варианте воплощения. Pr представляет собой безразмерный коэффициент текучих среды, названный в честь Людвига Прандтля, т.е., характеризует газы и жидкости, и выражает отношение толщины граничного слоя потока к толщине теплового граничного слоя в задачах о теплопередаче.

В настоящей работе имеется ссылка на EP 2 806 271 A1, где идет речь об измерительных величинах μ_j во втором варианте воплощения. В этой публикации описан способ для определения физических свойств газа, в котором газ или газовая смесь течет из газового резервуара под давлением через сопло критического истечения и через микротермический датчик, а падение давления в газовом резервуаре измеряют в зависимости от времени. Первое свойство газового фактора Γ^* определяют из измерения падения давления, а второе свойство газового фактора Γ определяют из потокового сигнала, поступающего от микротермического датчика.

Первое свойство газового фактора Γ^* задано как

, (5)

в котором C_d означает «коэффициент истечения», т.е., коэффициент потерь реального сопла критического истечения в отношении к идеальному соплу критического истечения, M - молекулярная масса газа, и ψ_max - максимальное значение функции истечения.

Второе свойство газового фактора Γ задано как

, (6)

где c_p означает теплоемкость, а λ - теплопроводность.

Кроме того, теплопроводность λ газа или газовых смесей определяют с помощью микротермического датчика, а желаемое физическое свойство газа определяют из первого и второго свойства газового фактора Γ^*, Γ и теплопроводности λ путем корреляции.

Во втором варианте воплощения,

(7)

используется как функция выхода датчика, соответственно, с различными константами α₁, α₂, α₃, β₁, β₂, β₃, Γ₀ и λ₀.

Функция корреляции имеет следующую форму:

, (8)

т.е., так называемой функции мощности с ответвлением a₁, коэффициентом a₂ и экспонентой b.

На первом этапе согласно второму варианту воплощения была сделана попытка отчетливо вычертить график выхода датчика S_out в зависимости от числа Прандтля Pr, например, посредством функции выхода датчика (как показано на Фиг. 6)

.

Если, как показано на Фиг. 6, это невозможно сделать одновременно для всех газов и/или газовых смесей комплекта, высококалорийные H-газы можно отделить на втором этапе способа посредством функции выхода датчика

и граничного значения =1,34. Фиг. 7 показывает отделение H-газов от оставшихся газов и газовых смесей.

Корреляцию числа Прандтля Pr в рамках H-газов подготавливают на третьем этапе способа посредством, например,

, а Pr определяют, например, посредством функции корреляции

.

Фиг. 8 показывает корреляцию числа Прандтля Pr в диапазоне H-газов, в зависимости от S_out,2.

Обогащенные по водороду газы (так называемые «гитаны»), например, отделяют на четвертом этапе способа посредством функции выхода датчика

и граничного значения =0,997, а число Прандтля применительно к гитанам определяют посредством функции корреляции

.

Фиг. 9 показывает корреляцию числа Прандтля Pr применительно к гитанам, в зависимости от S_out,3.

Корреляцию числа Прандтля применительно к L-газам подготавливают на пятом этапе способа, например, посредством

,

а Pr определяют, например, посредством функции корреляции

.

Фиг. 10 показывает корреляцию числа Прандтля Pr применительно к L-газам, в зависимости от S_out,4.

Фиг. 11 показывает вариант воплощения схематической конфигурации измерительного прибора согласно настоящему изобретению. В варианте воплощения измерительный прибор 10 содержит один или несколько датчиков 3, 4, 5, 6 для выявления физических измерительных величинμ_j (j=1,…,m) и блок оценки 9, который сконфигурирован для осуществления способа согласно настоящему изобретению или одному из вышеупомянутых вариантов воплощения или вариантов способа. Один или несколько из следующих датчиков могут быть обеспечены в виде датчиков: микротермического датчика 6, ультразвукового датчика 5 потока, температурного датчика 4, датчика 3 давления или любого другого соответствующего датчика. В предпочтительном варианте воплощения датчики устанавливают на газовой линии 1.

Некоторые или все из этих компонентов могут быть скомбинированы в узел, в котором блок оценки 9 может быть компонентом упомянутого узла (вариант 10a), или блок оценки может быть добавлен отдельно (вариант 10b), например, в вычислительном блоке более высокого порядка.

Если это необходимо, измерительный прибор 10 может содержать дополнительные компоненты, такие как один или несколько запорных клапанов 2.1, 2.2. Посредством запорных клапанов можно избирательно выявить одну или несколько физических измерительных величин, при условиях потока или отсутствия потока.

Вышеупомянутый способ и вышеупомянутые варианты воплощения и варианты, а также вышеупомянутый измерительный прибор являются подходящими, например, для определения свойств газа для горючих газов и/или газовых смесей и/или газов и/или газовых смесей из сектора энергетики.

Способ и измерительный прибор согласно настоящему изобретению дают преимущество, состоящее в том, что благодаря корреляции в несколько этапов, точность определения свойств газа из измеренных физических значений газов и/или газовых смесей может быть повышена, и величины газов и/или газовых смесей, для которых способ может быть применен с желаемой точностью, является большим, чем в простых способах корреляции. Дополнительное преимущество состоит в том, что представленный измерительный прибор может быть получен при сравнительно низкой цене, что позволяет осуществлять экономически выгодное местное определение свойств газа.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для для определения свойств газа путем корреляции. Изобретение относится к способу, в котором свойство (Q) газа определяют путем корреляции исходя из измерения количеств (μ_j) газовых смесей. В способе физические измерения количеств объединяют в выход датчика (S_out), воспользовавшись функцией выхода датчика , в котором функцию выхода датчика определяют таким образом, чтобы группу газовых смесей можно было отделять от комплекта газовых смесей, для которого определяют свойство (Q) газа, в пределах которой корреляция между выходом датчика (S_out) и желаемым свойством (Q) газа лучше, чем во всем комплекте. Технический результат – повышение точности получаемых данных. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ для определения свойств газа путем корреляции, в котором:

- свойство (Q) газа определяют путем корреляции исходя из физических измерительных величин (μ_j (j=1,…,m)) газов и/или газовых смесей,

отличающийся тем, что:

- физические измерительные величины (μ_j (j=1,…,m)) объединяют в выход датчика с использованием функции выхода датчика,

- выход () датчика сопоставляют с граничным значением () для определения того, относится ли выход датчика в пределах комплекта (G) газов и/или газовых смесей, для которых способ применим, к группе газов и/или газовых смесей, которые называются ниже как группа (GG) газовых смесей, в которой корреляция между выходом (S_out) датчика и определяемым свойством (Q) газа лучше, чем во всем комплекте (G), и

- если выход (S_out) датчика относится к упомянутой группе (GG) газовых смесей, свойство (Q) газа определяют исходя из выхода датчика, с помощью функции () корреляции, которая характерна для группы газовых смесей.

2. Способ по п. 1, в котором принадлежность к группе газовых смесей проверяют в два, три, четыре или более этапов,

- в котором физические измерительные величины (μ_j (j=1,…,m)) объединяют в дополнительный выход датчика с использованием функции выхода датчика, которая характерна для газов и/или газовых смесей (G_rest,i) комплекта, которые остались после разделения предшествующей группы или групп газовых смесей, которые называются ниже оставшимися газами и/или газовыми смесями (G_rest,i), и дополнительный выход () датчика сопоставляют с дополнительным граничным значением () для определения того, относится ли дополнительный выход датчика в рамках оставшихся газов и/или газовых смесей (G_rest,i) к дополнительной группе газовых смесей (GG_i), в которой корреляция между дополнительным выходом ()датчика и определяемым свойством (Q) газа лучше, чем в рамках оставшихся газов и/или газовых смесей (G_rest,i), и

- если дополнительный выход() датчика относится к упомянутой дополнительной группе газовых смесей (GG_i), свойство (Q) газа определяют из дополнительного выхода датчика, с помощью функции() корреляции, которая характерна для дополнительной группы газовых смесей.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором, если выход(, ) датчика не относится к одной из упомянутых групп газовых смесей (GG, GG_i), свойство (Q) газа определяют исходя из выхода датчика, с помощью функции (f_{corr, i}) корреляции, которая характерна для оставшихся газов и/или газовых смесей (G_rest, G_rest,i).

4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором выход датчика (, ) изменяют ранее корреляции с помощью дополнительной функции (f_i) выхода датчика, для подготовки корреляции между выходом (S_out,i) датчика и свойством (Q) газа.

5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором функцию выхода датчика и граничное значение () для выхода датчика определяют таким образом, чтобы группа (GG) газовых смесей, в пределах которой корреляция между выходом (S_out) датчика и желаемым свойством (Q) газа лучше, чем во всем комплекте (G), была бы отделена граничным значением от комплекта (G) газов и/или газовых смесей, для которого определяют свойство (Q) газа.

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором соотношение

применимо для газов и/или газовых смесей группы (GG) газовых смесей, а соотношение

,

применимо для оставшихся газов и/или газовых смесей (G_rest) комплекта,

или, от случая к случаю, вместо вышеупомянутых соотношений, применяются соотношения и .

7. Способ по любому из пп. 1-6, который может быть осуществлен автоматически, например, автоматически в измерительном приборе.

8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором функцию выхода датчика или функции выхода датчика и/или граничное значение или значения (, ) для выхода датчика и/или функции корреляции , определяют заранее, например, исходя из значений физических измерительных величин и свойства газа, определяемых из таблиц и/или технической литературы и/или баз данных и/или измерений.

9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором функцию выхода датчика или функции выхода датчика и/или граничное значение или значения (, ) для выхода датчика определяют с помощью компьютерной программы, в которой:

- для каждой функции (f_i) в комплекте возможных функций выхода датчика соответствующие функциональные параметры (p_fi) функции (f_i), такие как коэффициенты полинома, экспоненты или константы, изменяются в пределах предварительно заданных граничных значений для (p_fi), например, посредством метода выбора Монте-Карло,

- диапазон выхода датчика подразделяется на интервалы, и в частности, в каждом интервале подсчитывают количество неточностей, т.е., количество событий, для которых две или более газовых смесей демонстрируют различные значения для определяемого величины (Q) или значения для определяемой величины (Q), лежащие за пределами предварительно заданного интервала значений для (Q),

- определяют функцию (f_i) и конкретный комплект (pfi) функциональных параметров, для которого возникает наименьшее количество таких событий неточности, или дисперсия (3σ) значений для определяемой величины (Q) минимальна в случае, когда события неточности находятся в интервале, или предварительно заданное максимально допустимое количество (n_max) событий неточности или предварительно заданная максимально допустимая дисперсия (3σ_max) значений Q не превышена в случае, когда события неточности находятся в интервале, и

в нем определяют, в частности, исходя из какого граничного значения () количество (n_max) событий неточности, предварительно заданное для каждого интервала для определения граничного значения, или дисперсия (3σ_max) значений Q, предварительно заданная для каждого интервала для определения граничного значения, не превышена в случае событий неточности.

10. Способ по любому из пп. 1-9, в котором, по меньшей мере, две или все функции корреляции отличаются друг от друга, и/или в котором каждая из точек газов и/или газовых смесей группы или групп газовых смесей лежит на линии, описанной отличной от других функцией корреляции, или в областях допустимых значений, которые примыкают к такой линии по обеим сторонам, и которые, например, составляют не более 0,25% или 0,75% или 2% от величины свойства (Q) газа.

11. Способ по любому из пп. 1-10, в котором функция выхода датчика или функции выхода датчика имеют тип

,

а p_1,i, …, p_m,i - экспоненты, и/или

в котором функция корреляции или функции корреляции имеют тип

,

а a_0,i, a_1,i и a_2,i - константы.

12. Способ по любому из пп. 1-11, в котором в качестве меры для точности измерения корреляции используют коэффициент корреляции Пирсона, и причем лучшая корреляция означает, что коэффициент корреляции Пирсона находится ближе к значению 1 или -1, в частности, что абсолютное значение разности от значения 1 или -1 составляет менее 0,3 или 0,2 или 0,1.

13. Способ по любому из пп. 1-12, в котором физические измерительные величины (μ_j (j=1,…,m)) выявляют с помощью одного или нескольких датчиков, и/или в котором, по меньшей мере, две из измерительных величин теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности, плотности, скорости потока, массового расхода, скорости звука, диэлектрической постоянной, вязкости, поглощения в инфракрасной области спектра, давления или температуры выявляют в качестве физических измерительных величин (μ_j (j=1,…,m)).

14. Измерительный прибор для определения свойств газа с помощью одного или нескольких датчиков (3, 4, 5, 6) для выявления физических измерительных величин (μ_j (j=1,…,m)) и с помощью блока (9) оценки, который установлен для осуществления способа по любому из пп. 1-13.

15. Измерительный прибор по п. 14, в котором блок оценки образует узе вместе с датчиком или датчиками, или в котором блок оценки образован в отдельном вычислительном блоке или в вычислительном блоке более высокого уровня.