АКУСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОТВОРНОЙ СПОСОБНОСТИ СМЕСИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ

Полезная модель относится к устройствам для определения теплотворной способности газов и может быть применена в газовой промышленности.
В настоящее время теплотворная способность смеси углеводородных газов вычисляется как сумма теплотворных способностей отдельных составляющих газов, процентное содержание которых в смеси определяется, как правило, с помощью хроматографа.
В то же время анализ зависимости теплотворной способности отдельных газов от молекулярного веса их показывает, что такая зависимость с высокой точностью может считаться линейной. Ниже приведена таблица для основных углеводородов, содержащихся в природном газе, с молекулярной массой и теплотворной способностью углеводородных газов, иллюстрирующая сказанное.
Газ
Формула
Молекулярный вес
Теплотворная способность МДж/м<sup>3</sup>
Метан
СН<sub>4</sub>
18
35,9
Этилен
С<sub>2</sub>Н<sub>4</sub>
32
60
Этан
С<sub>2</sub>Н<sub>6</sub>
34
64,5
Пропилен
С<sub>3</sub>Н<sub>6</sub>
48
88,3
Пропан
C<sub>3</sub>H<sub>8</sub>
50
93,4
Бутан
С<sub>4</sub>Н<sub>10</sub>
66
124
Пентан
C<sub>5</sub>H<sub>12</sub>
82
155
Из линейности зависимости теплотворной способности углеводородных газов от их молекулярного веса вытекает, что теплотворная способность смеси таких газов является линейной функцией усредненного молекулярного веса этой смеси. Таким образом, задача вычисления теплотворной способности смеси углеводородных газов может быть сведена к измерению усредненного молекулярного веса этой смеси.
Усредненный молекулярный вес смеси углеводородных газов, в свою очередь, может быть получен из анализа данных о скорости звука в смеси этих газов. Скорость звука в углеводородных газах хорошо изучена, она падает практически линейно с ростом усредненного молекулярного веса смеси газов. В промышленности используется измерение скорости звука в натуральном газе для изучения его характеристик (см., например, R.M.Lueptow and S.Phillips, Acoustic for determing combustion properties of natural gas. Meas. Sci. Technol. 5, 1994, 1375-1381). Однако, применяемые установки сложны и работают с пробами газа. Для организации непрерывного контроля теплотворной способности необходим датчик скорости звука, работающий в непрерывном режиме. Для этой цели может быть использован акустический газоанализатор, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с высотой, равной нечетному числу звуковых полуволн и отверстиями для прохода газа, расположенными в середине образующей цилиндрической поверхности, источник и приемник звука, установленные на противоположных торцах резонатора, и блок генерации, приема звука и измерения частоты, соединенный с источником и приемником звука (см. патент RU 2142131 С1, МПК G 01 №29/00, 1999).
Этот газоанализатор обладает достаточной чувствительностью, связанной с высокой добротностью резонатора. Задача полезной модели состояла в расчете скорости звука по данным измерения частоты в известном газоанализаторе, приведении ее к расчетной температуре, расчете усредненного молекулярного веса и теплотворной способности смеси углеводородных газов.
Указанная задача решается тем, что предложен акустический газоанализатор, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с высотой равной нечетному числу звуковых полуволн и диаметром, близким к длине полуволны, отверстиями для прохода газа, расположенными в середине образующей цилиндрической поверхности, источник и приемник звука, установленные в противоположных торцах резонатора, электронный блок генерации звуковой частоты, соединенный с источником и приемником звука, электронный блок измерения частоты генерации, в который, согласно полезной модели, добавлен микропроцессорный блок для вычисления молекулярного веса и теплотворной способности измеряемой смеси углеводородных газов.
Источник и приемник звука представляют собой коммерческие малогабаритные телефон и микрофон (например, электретный).
Технический результат, достигаемый в предлагаемом газоанализаторе благодаря отмеченным выше особенностям его выполнения, состоит в том, что в нем обеспечивается измерение теплотворной способности измеряемой смеси углеводородных газов.
Это обеспечивает возможность применения газоанализатора для контроля натурального газа при условии что содержание таких компонент его, как окись углерода, сероводород и азот измеряется датчиком другого типа, например инфракрасным.
Сущность предлагаемого газоанализатора поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого газоанализатора.
На фиг.2 изображена схема формирования звуковых полуволн в резонаторах газоанализатора с максимумом давления на торцах резонатора и минимумом в середине его высоты.
Акустический газоанализатор содержит (фиг.1) измерительную камеру 1, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр, выполненный, например, из нержавеющей стали. Высота цилиндра 1 (Н) равна нечетному числу звуковых полуволн, а диаметр приблизительно равен длине полуволны (фиг.2). По средней линии образующей цилиндрической поверхности, соответствующей половине высоты, камеры 1, где давление звуковой волны минимально, выполнены сквозные отверстия 2 для прохода анализируемой смеси углеводородных газов.
На торцах камеры 1 (резонатора) установлен источник 3 и приемник 4 звука, которые соединены с электронным блоком генерации, который, в свою очередь соединен с микропроцессорным блоком измерения частоты и управления.
Электронный блок генерации 5 представляет собой автогенератор на основе схемы ГУН (генератор, управляемый напряжением), в цепь обратной связи которого включен резонатор. Генератор возбуждается на частоте резонатора или кратной ей.
На внешней стенке измерительной камеры установлены датчик температуры 6, выполненный в виде платинового терморезистора с малой постоянной времени. Выход блока 5 подсоединен к блоку 7, который производит измерение частоты генерируемых блоком 5 колебаний. Блок 7 и датчик температуры 6 соединены с микропроцессорным блоком 8, который по установленной программе вычисляет скорость звука в исследуемой смеси углеводородных газов, вносит поправки, связанные с показаниями датчика температуры 6, вычисляет усредненный молекулярный вес смеси и, наконец, ее теплотворную способность.
Газоанализатор работает следующим образом. По команде от микропроцессорного блока 8 или при подаче напряжения питания включается блок 5 генерации, соединенный с источником 3 и приемником 4 резонатора 1. Автогенератор блока 5 автоматически настраивается на частоту резонанса резонатора. Частота резонанса (f) определяется скоростью звука в газе, заполняющем резонатор 1:
где V - скорость звука в газе
Кр - приведенная высота резонатора.
Скорость звука (v) рассчитывается по следующей формуле
где:
γ - показатель адиабаты
Ср - теплоемкость газа при постоянном давлении;
Cv=Cp-R - теплоемкость газа при постоянном объеме;
μ - молекулярная масса газа;
R - универсальная газовая постоянная;
Т - температура газа (К)
При этом в резонаторе 1 образуется нечетное количество полуволн (1, 3, 5 ...) звуковой волны (фиг.2), имеющей максимум давления на торцах резонатора и минимум в середине высоты (Н) резонаторов. Измерение частоты (f) производится микропроцессорным блоком 7. Блок 8 производит вычисление скорости звука в смеси, вносит поправку связанную с показаниями датчика температуры 6, и наконец, производит вычисление молекулярного веса и теплотворной способности измеряемой смеси углеводородных газов. В памяти блока 8 записаны известная зависимость скорости звука смеси газов от их молекулярного веса и известная зависимость теплотворной способности смеси от ее молекулярного веса.