УЧЕТ ПОТРЕБЛЕНИЯ ГАЗА
METERING GAS CONSUMPTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области измерения объемного расхода газа. Технология измерения объемного расхода газа, описанная в настоящей заявке, особенно пригодна для использования в бытовом, экономически выгодном газовом счетчике.
Предшествующий уровень техники
Наиболее распространенным видом объемного бытового газового счетчика является диафрагменный газовый счетчик. Он представляет собой механический прибор, работающий на принципе объемного вытеснения, пропускающий фиксированный объем газа за один полный цикл. При нормальной эксплуатации механические счетчики подвергаются износу, который со временем приводит к повышению погрешности и последующей возможности полного отказа. Возрастающая распространенность автоматического считывания показаний означает, что очень часто кодирующее устройство некоторого вида должно быть сопряжено с механическим отсчетным устройством, чтобы была возможность автоматического считывания информации о расходе.
Желательно создать газовый счетчик, который не содержит движущихся частей, то есть статический газовый счетчик, в котором результат измерения объема потребляемого газа является доступным непосредственно в электронной форме. Из такой реализации вытекают другие выгоды, включая возможность введения более сложных тарифов, основанных на продолжительности использования, пиковой потребности, или возможность локальных изменений расценок на газ, или возможность совместного использования информации от других местных источников энергии, например электрических, основанных на сжигании источников нефти или источников возобновляемой энергии.
Разработаны статические объемные газовые счетчики трех видов. К первому относится ультразвуковой счетчик на основе времени прохождения, который является коммерчески доступным, предназначенным для узкоспециализированных применений, в которых допускается высокая стоимость счетчика этого вида. Вторым известным устройством является тепловой массовый счетчик, который является относительно новым пополнением данной области техники, и в нем использованы байпасный способ и микромашинный датчик. К третьему виду относится струйный генераторный счетчик, который был разработан в 1950-х годах. Все эти измерительные устройства имеют общий недостаток, который заключается в том, что они являются более дорогими, чем механические счетчики, и для них требуется батарея питания большой емкости, что также повышает стоимость.
В патенте US №3688106 (Brain) описан измерительный прибор, предназначенный для измерения скорости газа в трубе. Измерительный прибор имеет источник ионов и два коллектора ионов, так что газ в трубе сначала ионизируется и затем проходит коллекторы. Импульс напряжения подается на первый коллектор, и для получения скорости газа измеряется интервал между этим импульсом и результирующим эффектом, выражающимся в некотором количестве ионов, собранных на втором коллекторе. Плотность газа оценивают, определяя число ионов, собираемых между импульсами на втором коллекторе, а массовый расход получают из произведения скорости и плотности. В этой системе импульс напряжения, подаваемый на первый коллектор, представляет собой меандр с частотой повторения 100 Гц, а на второй коллектор подается напряжение 120 В. Высокое напряжение и высокая частота модуляции делают эту конструкцию непригодной для работы с электропитанием от батареи низкого напряжения, что необходимо для бытовых газовых счетчиков. Другие конфигурации ионизационных измерителей скорости газа описаны в патенте US №3842670 и патенте US №2632326.
Желательно создать неспециализированный газовый счетчик, типа описанного в патенте US №3688106, который был бы способен функционировать при рабочем напряжении в несколько вольт, чтобы экономичное питание счетчика могло осуществляться от стандартных батарей. Однако в случае геометрии измерения существенным является то, что электроды коллекторов разнесены на достаточно большое расстояние, чтобы коллекторы имели небольшой импеданс для газового потока или не имели его. Поэтому, чтобы измерительный прибор функционировал, рабочее напряжение свыше сотни вольт необходимо для получения достаточно сильного электрического поля на коллекторах. Для формирования такого же электрического поля при рабочем напряжении лишь в несколько вольт труба, в которую устанавливают измерительный прибор, должна быть в сто раз меньше по диаметру, что будет существенно препятствовать прохождению потока при подаче бытового газа.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения, по меньшей мере, предпочтительных вариантов осуществления, является создание усовершенствованного объемного газового счетчика, принцип работы которого основан на электрическом воздействии и обнаружении ионизированного газового потока с использованием основополагающего принципа, заключающегося в том, что поле скоростей газа взаимодействует с ионизационным распределением и изменяет обнаруживаемый сигнал. Газовый счетчик, согласно конкретным вариантам осуществления, является особенно пригодным для измерения расхода газа, потребляемого из национальной или региональной распределительной сети.
В соответствии с одним аспектом изобретения предложен газовый счетчик, содержащий трубопровод для прохождения газового потока, и ионизатор для ионизации газового потока в трубопроводе, при эксплуатации. Модулирующая электродная структура, расположенная ниже по потоку относительно ионизатора, предназначена для модуляции распределения ионов в ионизированном газовом потоке. По меньшей мере первая детектирующая электродная структура, расположенная ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры, предназначена для определения модулированного распределения ионов в ионизированном газовом потоке. По меньшей мере одна из модулирующей электродной структуры и детектирующей электродной структуры предназначена для формирования электрического поля, имеющего по меньшей мере значительную составляющую, параллельную направлению газового потока.
Таким образом, в соответствии с изобретением, электродная структура формирует электрическое поле, имеющее по меньшей мере значительную составляющую, параллельную направлению газового потока. При формировании электрического поля, параллельного, а не перпендикулярного к направлению газового потока, как в устройстве из предшествующего уровня техники, напряженность электрического поля может быть скорректирована путем изменения расстояния между электродами электродной структуры, и это изменение расстояния не будет влиять на газовый поток через трубопровод. Таким образом, требования по газодинамике газового счетчика могут быть удовлетворены независимо от электрических требований, это позволяет создать газовый счетчик, который может работать при достаточно низких напряжениях в качестве бытового газового счетчика.
Модулирующая электродная структура может быть сконфигурирована для формирования электрического поля, имеющего по меньшей мере значительную составляющую, параллельную направлению газового потока, например, для выбора конкретной полярности ионов в протекающем ниже ионизированном газовом потоке. Как вариант или в дополнение, детектирующая электродная структура может быть сконфигурирована для формирования электрического поля, имеющего по меньшей мере значительную составляющую, параллельную направлению газового потока, например, для избирательного обнаружения конкретной полярности ионов.
В конкретных вариантах осуществления сформированное электрическое поле является по существу параллельным направлению газового потока. Однако это не является обязательным. Например, электрическое поле может включать в себя составляющую, по существу параллельную направлению газового потока, а также составляющую, по существу перпендикулярную к направлению газового потока.
Модулирующая электродная структура и/или детектирующая электродная структура могут иметь любой подходящий вид и конфигурацию. Например, электродные структуры могут быть дугообразными, полуцилиндрическими, полусферическими и т.д. Однако в типичном варианте осуществления модулирующая электродная структура содержит пару противоположных, по существу планарных электродов, расположенных по существу перпендикулярно к направлению газового потока. Как вариант или в дополнение, детектирующая электродная структура может содержать пару противоположных, по существу планарных электродов, расположенных по существу перпендикулярно к направлению газового потока. «Пара» электродов не означает, что электроды являются идентичными, хотя они могут быть такими.
В общем случае электроды разнесены по направлению газового потока. Разнесение электродов может быть меньше чем на 1 мм, предпочтительно, чтобы оно было меньше чем на 0,25 мм. Обычно при эксплуатации между электродами формируется электрическое поле.
В предпочтительном варианте осуществления каждый из электродов имеет множество отверстий для прохождения газового потока через них.
Это само по себе считается новой конфигурацией. Поэтому, согласно второму аспекту изобретения, предложен газовый счетчик, содержащий трубопровод для прохождения при эксплуатации газового потока и ионизатор для ионизации при эксплуатации газового потока в трубопроводе. Модулирующая структура ниже по потоку относительно ионизатора предназначена для модуляции распределения ионов в ионизированном газовом потоке. По меньшей мере первая детектирующая электродная структура ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры предназначена для определения модулированного распределения ионов в ионизированном газовом потоке. По меньшей мере одна из модулирующей электродной структуры и детектирующей электродной структуры содержит по меньшей мере один электрод, расположенный поперек направления газового потока и имеющий множество отверстий для прохождения газового потока через них. Число отверстий может быть больше десяти.
Таким образом, в соответствии с этим аспектом, электрод сконфигурирован так, чтобы обеспечить прохождение газового потока через электрод. Поэтому электрод может быть позиционирован для получения желаемого электрического или электромагнитного эффекта без отрицательного влияния на поток газа через счетчик.
Электрод расположен поперек направления газового потока, т.е. электрод не является параллельным направлению потока. Поэтому газовый поток в некоторой степени ударяется об электрод. Обычно электрод расположен перпендикулярно к газовому потоку. Следовательно, электрическая модуляция или обнаружение ионизированного газового потока происходит на самом коротком возможном интервале вдоль трубопровода, так что пространственное разрешение и, тем самым, точность обнаружения газового счетчика максимально возрастает. Кроме того, в случае перпендикулярно расположенного электрода отсутствует тенденция отклонения газового потока к стенкам трубопровода.
Электрод может содержать множество проводников, при этом отверстия образованы промежутками между соседними проводниками. Нет необходимости в том, чтобы проводники были выполнены за одно целое, а могут быть предусмотрены в виде дискретных проводников. Однако при эксплуатации все проводники одного электрода подключены к одному и тому же электрическому потенциалу. Поэтому электрод может быть выполнен в виде структуры из проводов, например параллельных проводов. Как вариант, электрод может быть выполнен в виде одной детали, обычно металлической, имеющей отверстия, образованные в ней. Отверстия могут быть сформированы при выполнении литья, вырезанием, травлением, штамповкой или иным образом обозначены в металле. Эти отверстия могут быть дырами, щелями, прорезями или любыми другими подходящими отверстиями.
В предпочтительной конструкции электроды выполнены в виде сетки или решетки. Обычно сетка представляет собой регулярную матрицу отверстий, ограниченных между соседними проводниками. Матрица может продолжаться в одном измерении, как, например, сетка, состоящая из параллельных щелей, или в двух измерениях, как, например, сетка, выполненная из вертикальных и горизонтальных проводников.
Шаг сетки может быть выбран из условия максимизации электрической эффективности электрода. В других вариантах осуществления изобретения шаг сетки составляет меньше 5 мм, предпочтительно, чтобы он был меньше 3 мм. Для гарантии максимального газового потока желательно, чтобы коэффициент заполнения сетки был как можно меньшим. В вариантах осуществления изобретения коэффициент заполнения сетки составляет меньше чем 30%, предпочтительно, чтобы он был меньше 20%. В общем случае конструкцию электродов для модулирующей электродной структуры и детектирующей электродной структуры выбирают из условия максимизации модуляции или эффективности обнаружения. Однако, например, исходя из соображений производственных затрат, электроды могут быть выбраны идентичными.
Согласно изобретению газовый счетчик содержит пару электродов, расположенных поперек направления газового потока и имеющих множество отверстий, обозначенных в них, для прохождения газового потока через отверстия. Обычно электроды выполнены идентичными, но это не является обязательным.
Отверстия в одном электроде из пары могут быть смещены по направлению, поперечному к направлению газового потока, относительно отверстий в другом электроде из пары. Такая компоновка является особенно выгодной, поскольку электрическое поле между электродами может включать в себя составляющую по направлению, перпендикулярному к плоскости электродов. Это является особенно выгодным, когда электроды являются модулирующими электродами, поскольку составляющая электрического поля по направлению, перпендикулярному к плоскости электродов, содействует направлению ионов к электродам для захвата и, следовательно, повышению эффективности модуляции электродной структурой.
Пара электродов может быть разнесена по направлению газового потока. Как вариант, электроды могут быть по существу в одной плоскости. Например, проводники одного электрода могут быть расположены в промежутках (отверстиях) между проводниками другого электрода. С другой стороны, электроды могут быть встречно-гребенчатыми. В таком случае компоновки электрическое поле, формируемое электродной структурой, может быть только перпендикулярным к направлению газового потока.
В предпочтительном варианте осуществления смещение отверстий соответствующих электродов из пары является по существу равным половине расстояния между соседними отверстиями одного из электродов. Поэтому любая составляющая электрического поля по направлению, перпендикулярному к плоскости электродов, максимально возрастает.
Модулирующая электродная структура может содержать находящийся выше по потоку электрод и находящийся ниже по потоку электрод. При эксплуатации соответствующий модулирующий потенциал может быть приложен к каждому электроду для модуляции распределения ионов в ионизированном газовом потоке. Модулирующий потенциал, прикладываемый к находящемуся ниже по потоку электроду, может быть противоположным полярности относительно модулирующего потенциала, прикладываемого к находящемуся выше по потоку электроду, и величиной, выбираемой так, что ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры, электрическое поле, обусловленное находящимся выше по потоку электродом, подавляется электрическим полем, обусловленным находящимся ниже по потоку электродом.
Это само по себе считается новой конфигурацией. Поэтому, согласно еще одному аспекту изобретения, предложен газовый счетчик, содержащий трубопровод для прохождения газового потока, и ионизатор, расположенный для ионизации при прохождении газового потока по трубопроводу. Модулирующая электродная структура ниже по потоку относительно ионизатора предназначена для модуляции распределения ионов в ионизированном газовом потоке. По меньшей мере первая детектирующая электродная структура ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры предназначена для обнаружения модулированного распределения ионов в ионизированном газовом потоке. Модулирующая электродная структура содержит находящийся выше по потоку электрод и находящийся ниже по потоку электрод, и при эксплуатации соответствующий модулирующий потенциал прикладывается к каждому электроду для модуляции распределения ионов в ионизированном газовом потоке. Модулирующий потенциал, прикладываемый к находящемуся ниже по потоку электроду, имеет противоположную полярность относительно модулирующего потенциала, прикладываемого к находящемуся выше по потоку электроду, и величину, выбираемую так, что ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры электрическое поле, обусловленное находящимся выше по потоку электродом, подавляется электрическим полем, обусловленным находящимся ниже по потоку электродом.
В такой компоновке модулирующие потенциалы могут быть использованы с гарантией того, что электрические поля, связанные с модулирующей электродной структурой, не будут непосредственно влиять на работу детектирующей электродной структуры.
Модулирующая электродная структура может быть предназначена для захвата ионов, предпочтительно одной полярности, в результате чего создается ионизированный газовый поток, содержащий большинство из ионов противоположной полярности. Переменный модулирующий потенциал может быть приложен к модулирующей электродной структуре, чтобы модулирующая электродная структура последовательно захватывала ионы одной полярности и последовательно противоположной полярности, в результате чего будет образовываться ионизированный газовый поток, содержащий последовательность областей, имеющих большинство из ионов переменной полярности. Таким образом, газовый поток оказывается кодированным переменным сигналом. Сравнением задержки между сигналом, принимаемым на детектирующей электродной структуре, и модулирующим потенциалом обеспечивается показание расхода газа через трубопровод.
Детектирующая электродная структура может содержать по меньшей мере один электрод, соединенный с источником заряда, в результате чего перемещение ионизированного газового потока, имеющего большинство из ионов одной полярности, относительно электрода вызывает перераспределение заряда на электроде, которое создает ток, указывающий на распределение ионов между электродом и источником заряда.
Это само по себе считается новой конфигурацией. Поэтому, согласно еще одному аспекту изобретения, предложен газовый счетчик, содержащий трубопровод для прохождения при эксплуатации газового потока, и ионизатор, предназначенный для ионизации газового потока в трубопроводе. Модулирующая электродная структура ниже по потоку относительно ионизатора предназначена для модуляции распределения ионов в ионизированном газовом потоке. По меньшей мере первая детектирующая электродная структура ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры предназначена для обнаружения модулированного распределения ионов в ионизированном газовом потоке. Модулирующая электродная структура предназначена для захвата ионов одной полярности, в результате чего образуется ионизированный газовый поток, содержащий большинство из ионов противоположной полярности. Детектирующая электродная структура содержит по меньшей мере один электрод, соединенный с источником заряда, в результате чего при эксплуатации перемещение ионизированного газового потока, имеющего большинство ионов одной полярности, относительно электрода, вызывает перераспределение заряда на электроде, которое создает ток, указывающий на распределение ионов между электродом и источником заряда. Обычно источник заряда имеет потенциал «земли».
Согласно изобретению детектирующая электродная структура обнаруживает прохождение ионизированного газового потока, который может быть переменной полярности, с помощью тока, образующегося вследствие перераспределения заряда в электродной структуре. В этом имеется существенное преимущество, заключающееся в том, что нет необходимости в электрическом поле между электродами детектирующей электродной структуры. Кроме того, обнаружение достигается без захвата ионов, так что вдоль трубопровода может быть расположен ряд таких детектирующих электродных структур.
В этой компоновке возможно, чтобы детектирующая электродная структура содержала только один электрод, который является чувствительным к прохождению ионизированного газового потока. Однако в конкретном варианте осуществления детектирующая электродная структура содержит находящийся выше по потоку электрод и находящийся ниже по потоку электрод, при этом каждый соединен с источником заряда. Находящийся выше по потоку электрод экранирует находящийся ниже по потоку электрод от приближающегося ионизированного газового потока и обеспечивает получение более определенного сигнала обнаружения с находящегося ниже по потоку электрода.
Газовый счетчик может содержать вторую детектирующую электродную структуру ниже по потоку относительно первой детектирующей электродной структуры, при этом каждая детектирующая электродная структура предназначена для обнаружения модулированного распределения ионов в ионизированном газовом потоке.
Это само по себе считается новой конфигурацией. Поэтому, согласно еще одному аспекту изобретения, предложен газовый счетчик, содержащий трубопровод для прохождения при эксплуатации газового потока, и ионизатор, предназначенный для ионизации при эксплуатации газового потока в трубопроводе. Модулирующая электродная структура ниже по потоку относительно ионизатора предназначена для модуляции распределения ионов в ионизированном газовом потоке. Первая детектирующая электродная структура ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры предназначена для обнаружения модулированного распределения ионов в ионизированном газовом потоке. Вторая детектирующая электродная структура ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры предназначена для обнаружения модулированного распределения ионов в ионизированном газовом потоке.
Вторая детектирующая электродная структура может быть использована для повышения динамического диапазона газового счетчика. Поэтому первая детектирующая электродная структура может быть предназначена для обнаружения распределения ионов при относительно низких расходах, а вторая детектирующая электродная структура может быть предназначена для обнаружения распределения ионов при более высоких расходах, когда ионное облако пройдет дальше в течение такого же отрезка времени. В конкретном варианте осуществления расстояние от модулирующей электродной структуры до первой детектирующей электродной структуры может быть меньше 10 мм. В конкретных вариантах осуществления расстояние от модулирующей электродной структуры до второй детектирующей электродной структуры может быть больше чем 50 мм. Обычно расстояние от модулирующей электродной структуры до второй детектирующей электродной структуры составляет менее 100 мм.
Первая детектирующая электродная структура может быть предназначена для захвата предпочтительно ионов одной полярности, а вторая детектирующая электродная структура может быть предназначена для захвата предпочтительно ионов противоположной полярности. При такой компоновке первая детектирующая электродная структура избирательно захватывает ионы одной полярности, тогда как вторая детектирующая электродная структура избирательно захватывает ионы другой полярности. Таким образом, каждая детектирующая электродная структура принимает с обнаружением свой собственный независимый ионный поток, и сигнал на второй детектирующей электродной структуре не ослабляется при работе первой детектирующей электродной структуры. Таким образом, обе детектирующие электродные структуры могут работать по одному и тому же ионному потоку.
Первая детектирующая электродная структура может содержать пару разнесенных электродов. При эксплуатации электрическое поле может быть приложено между электродами для захвата ионов из ионизированного газового потока и образования тока, указывающего на распределение ионов. Как вариант или в дополнение, вторая детектирующая электродная структура может содержать пару разнесенных электродов, и при эксплуатации электрическое поле может быть приложено между электродами для захвата ионов ионизированного газового потока и образования тока, указывающего на распределение ионов.
По требованию газовый счетчик может содержать больше двух детектирующих электродных структур.
В типичных вариантах осуществления изобретения модулирующее напряжение, прикладываемое к модулирующей электродной структуре, имеет частоту ниже 10 Гц. Аналогичным образом модулирующее напряжение, прикладываемое к модулирующей электродной структуре, обычно ниже 10 В переменного тока. Кроме того, напряжение, прикладываемое к детектирующей электродной структуре, если это предусмотрено, обычно ниже 10 В постоянного тока. При этих рабочих параметрах газовый счетчик пригоден для работы с питанием от батареи.
Газовый счетчик, согласно изобретению, пригоден для использования в качестве домового счетчика бытового газа. Это означает, что газовый счетчик может быть подключен к национальной, региональной или международной сети газоснабжения в доме пользователя и является достаточно точным для снабжения оператора сети информацией о потреблении газа пользователем для выставления счета. Однако газовый счетчик, согласно изобретению, может быть использован при других обстоятельствах для измерения объема газа, расхода и/или скорости.
В других вариантах осуществления изобретения ионизатор является радиоактивным источником. Однако могут быть использованы другие ионизаторы, например ионизатор, функционирующий благодаря электрическому разряду.
Трубопровод обычно представляет собой трубу, которая может иметь круглое поперечное сечение. В вариантах осуществления изобретения ширина (диаметр) трубы составляет меньше 30 мм.
Хотя изобретение было охарактеризовано на примере газового счетчика, изобретение распространяется на способ учета расхода газа и на средство для учета расхода газа, описанное в настоящей заявке.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов осуществления в качестве примера со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схему газового счетчика в соответствии с первым вариантом осуществления;
фиг.2 - вид сетчатого электрода, предназначенного для использования в газовых счетчиках, согласно изобретению;
фиг.3 - схему газового счетчика в соответствии со вторым вариантом осуществления;
фиг.4 - диаграмма модулирующего напряжения, прикладываемого к модулирующей электродной структуре газового счетчика, согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 показана схема газового счетчика в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Газовый счетчик содержит трубопровод 1 для прохождения газового потока (показан стрелкой А). В этом варианте осуществления трубопровод представляет собой цилиндрическую трубу с внутренним диаметром 23 мм. Для ионизации газового потока в трубопроводе на стенке трубы 1 установлен ионизатор 2. В этом варианте осуществления ионизатор 2 представляет собой радиоактивный источник Америция 241 с активностью 1 мкмКи, изолированный внутри серебряной или золотой фольгой, типа используемого в бытовых детекторах дыма. Обычно источник 2 имеет интенсивность эмиссии 37000 альфа-частиц в секунду при радиусе действия 3 см в воздухе. Эффективность ионизации составляет 200000 пар ионов на каждую альфа-частицу при 50%-ной рекомбинации в пределах 100 мс. Радиоактивный источник 2 ионизирует газ в непосредственной близости с образованием ионизированного облака 3, которое переносится по трубе 1 газовым потоком.
Модулирующая электродная структура 4 предусмотрена в трубе 1 ниже по потоку относительно радиоактивного источника 2. Модулирующая электродная структура 4 модулирует распределение ионов в ионизированном газовом потоке, так что ионизированное облако может быть идентифицировано ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры 4. В этом варианте осуществления модулирующая электродная структура 4 содержит находящийся выше по потоку электрод 5 и находящийся ниже по потоку электрод 6. Каждый электрод 5, 6 (фиг.2) выполнен в виде сетки (или решетки), вырезанной подходящим способом из листового металла. Диаметр электродов 5, 6 соответствует внутреннему диаметру трубы 1, а электроды расположены перпендикулярно к оси трубы 1 и, следовательно, направлению газового потока. Электроды 5, 6 имеют толщину 0,2 мм, а шаг p составляет 1 мм или меньше. Коэффициент заполнения электродов (площадь материала сетки в процентах) составляет 20% или меньше.
Расстояние между находящимся выше по потоку модуляторным электродом 5 и находящимся ниже по потоку модуляторным электродом 6 составляет 0,125 мм. Между модуляторными электродами 5, 6 (фиг.1) приложено переменное модулирующее напряжение. Модулирующим напряжением является меандр с амплитудой до 10 В и частотой от 1 до 4 Гц. Приложенным модулирующим напряжением формируется электрическое поле между модуляторными электродами 5, 6. Сетки находящегося выше по потоку электрода 5 и находящегося ниже по потоку электрода 6 относительно смещены на величину, равную половине шага сетки, так что проводники 7 между промежутками одного электрода совпадают с промежутками другого электрода, и наоборот. Таким образом, электрическое поле между модуляторными электродами 5, 6 имеет максимальную составляющую по направлению, перпендикулярному к направлению газового потока (оси трубы 1). В идеальном случае проводники 7 каждого электрода 5, 6 должны чередоваться с проводниками другого электрода в одной и той же плоскости, перпендикулярной к направлению газового потока, чтобы электрическое поле между двумя электродами 5, 6 было полностью перпендикулярным к направлению газового потока. Однако такая компоновка приводит к модулирующей электродной структуре 4, которая является очень сложной и по этой причине трудной и дорогостоящей в изготовлении. Благодаря разнесению электродов 5, 6 по направлению газового потока и смещению сеток достигается компромисс между простотой изготовления и эксплуатационной эффективностью.
Когда модулирующее напряжение, приложенное к модуляторным электродам 5, 6, является ненулевым, сформированное электрическое поле направляет положительные и отрицательные ионы в ионном облаке 3 к соответствующим модуляторным электродам 5, 6, где они захватываются. Интенсивная составляющая электрического поля по направлению, перпендикулярному к направлению газового потока, максимизирует отклонение ионов к соответствующим модуляторным электродам 5, 6. Действие периодического модулирующего напряжения заключается в образовании в газовом потоке ниже относительно модулирующей электродной структуры 4 последовательных областей высокой и низкой плотности ионов. Как описано ниже, эти области можно обнаруживать, чтобы определять время пролета областей и, следовательно, расход газа.
Газовый счетчик содержит первую детектирующую электродную структуру 8 и вторую детектирующую электродную структуру 9 в трубе 1 ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры 4, предназначенные для определения модулированного распределения ионов ионизированного газового потока. Вторая электродная структура 9 находится ниже по потоку относительно первой детектирующей электродной структуры 8. В этом варианте осуществления каждая из первой и второй детектирующих электродных структур 8, 9 содержит находящийся выше по потоку электрод 10 и находящийся ниже по потоку электрод 11. Как показано на фиг.2, каждый электрод 10, 11 имеет общую форму сетки (или решетки), вырезанной подходящим способом из листового металла. Диаметр электродов 10, 11 соответствует внутреннему диаметру трубы 1, а электроды 10, 11 расположены перпендикулярно к оси трубы 1 и, следовательно, направлению газового потока. Электроды 10, 11 имеют толщину 0,2 мм и шаг р 2 мм. Коэффициент заполнения электродов (площадь материала сетки в процентах) составляет 10% или меньше.
Расстояние между находящимся выше по потоку детекторным электродом 10 и находящимся ниже по потоку детекторным электродом 11 составляет 0,125 мм. Сетки находящегося выше по потоку детекторного электрода 10 и находящегося ниже по потоку детекторного электрода 11 размещены в ряд. Следовательно, электрическое поле между детекторными электродами 10, 11 имеет максимальную составляющую по направлению, параллельному направлению газового потока (оси трубы 1). Таким образом, напряженность электрического поля между детекторными электродами 10, 11 может быть изменена путем изменения разнесения электродов 10, 11 без влияния на поток текучей среды по трубопроводу 1.
Напряжение обнаружения прикладывается между детекторными электродами 10, 11. В этом случае напряжение обнаружения представляет собой постоянное напряжение +3 В постоянного тока, которое формирует электрическое поле между детекторными электродами 10, 11. В случае первой детектирующей электродной структуры 8 находящийся выше по потоку детектирующий электрод 10 соединен с потенциалом «земли», а находящийся ниже по потоку детектирующий электрод 11 подключен к напряжению +3 В постоянного тока. В случае второй детектирующей электродной структуры 9 находящийся ниже по потоку детектирующий электрод 11 соединен с потенциалом «земли», а находящийся выше по потоку детектирующий электрод 10 подключен к напряжению +3 В постоянного тока. Поэтому направление электрического поля между детекторными электродами 10, 11 второй детектирующей электродной структуры 9 является противоположным относительно направления электрического поля первой детектирующей электродной структуры 8.
Видно, что находящийся ниже по потоку электрод 11 первой детектирующей электродной структуры 8 и находящийся выше по потоку электрод 10 второй детектирующей электродной структуры 9 находятся под одинаковым потенциалом. Следовательно, между этими двумя электродами нет электрического поля, так что перенос ионов между этими двумя электродами существует только вследствие газового потока, а не электрических эффектов, что способствует точному измерению расхода газа. Также возможно, чтобы находящийся ниже по потоку электрод 6 модулирующей электродной структуры 4 и находящийся выше по потоку электрод 10 первой детектирующей электродной структуры 9 были под одинаковым потенциалом («земли»), чтобы между этими двумя электродами не было электрического поля.
Первая детектирующая электродная структура 8 захватывает, предпочтительно, положительные ионы, которые замедляются электрическим полем между положительным, находящимся выше по потоку электродом 11 и заземленным, находящимся ниже по потоку электродом 10. То же самое электрическое поле действует для ускорения отрицательных ионов, которые проходят через первую детектирующую электродную структуру 8. Замедленные положительные ионы, которые достигают заземленного, находящегося выше по потоку электрода 10, нейтрализуются электронами, извлекаемыми в виде тока из вывода «земли». Этот ток может быть измерен амперметром 12 или другим прибором для измерения тока.
Вторая электродная структура 9 захватывает отрицательные ионы, которые замедляются электрическим полем между положительным, находящимся выше по потоку электродом 10 и заземленным, находящимся ниже по потоку электродом 11. Замедленные отрицательные ионы захватываются положительным, находящимся выше по потоку электродом 10, и при этом образуется ток, который может быть измерен амперметром 12 или другим прибором для измерения тока. Таким образом, газовый счетчик имеет по существу два независимых измерительных канала положительных ионов на первой детектирующей электродной структуре 8 и отрицательных ионов на второй детектирующей электродной структуре 9.
Расстояние между находящимся ниже по потоку электродом 6 модулирующей электродной структуры 4 и находящимся выше по потоку электродом 10 первой детектирующей электродной структуры 8 составляет 8 мм. Расстояние между находящимся ниже по потоку электродом 6 модулирующей электродной структуры 4 и находящимся выше по потоку электродом 10 второй детектирующей электродной структуры 9 составляет 70 мм. Обеспеченность двумя разнесенными детектирующими электродными структурами 8, 9 повышает динамический диапазон газового счетчика. Для бытовых применений типичный диапазон измерений расхода газа, в котором необходим заданный уровень точности, находится в пределах от 40 л/ч до 6000 л/ч, что соответствует динамическому диапазону 150:1. В соответствии с этим вариантом осуществления изобретения первая детектирующая электродная структура 8 используется для определения низких расходов, когда необходимо обнаруживать модулированное ионное облако до того, как очень много ионов будет утрачено из модулированного ионного облака вследствие рекомбинации, и вторая детектирующая электродная структура 9 используется для определения высоких расходов, когда необходимо обнаруживать модулированное ионное облако до того, как оно прошло через весь счетчик. Сигналы, обнаруженные от обеих детектирующих электродных структур 8, 9, могут быть использованы для максимизации точности счетчика в пределах всего диапазона измерений.
На фиг.3 показана схема газового счетчика в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения. Газовый счетчик содержит трубопровод 1 для прохождения газового потока, показанного стрелкой А. В этом варианте осуществления трубопровод представляет собой цилиндрическую трубу с внутренним диаметром 23 мм. Для ионизации газового потока в трубопроводе на стенке трубы 1 установлен ионизатор 2. Ионизатор 2 представляет собой радиоактивный источник Америция 241 с активностью 1 мкмКи, изолированный внутри серебряной или золотой фольгой, типа используемого в бытовых детекторах дыма. Обычно источник 2 имеет интенсивность эмиссии 37000 альфа-частиц в секунду при радиусе действия 3 см в воздухе. Эффективность ионизации составляет 200000 пар ионов на каждую альфа-частицу при 50%-ной рекомбинации в пределах 100 мс. Радиоактивный источник 2 ионизирует газ в непосредственной близости с образованием ионизированного облака 3, которое переносится по трубе 1 газовым потоком.
Модулирующая электродная структура 4 предусмотрена в трубе 1 ниже по потоку относительно радиоактивного источника 2. Модулирующая электродная структура 4 модулирует распределение ионов в ионизированном газовом потоке, так что ионизированное облако может быть идентифицировано ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры 4. В этом случае модулирующая электродная структура 4 содержит находящийся выше по потоку электрод 5 и находящийся ниже по потоку электрод 6. Каждый электрод 5, 6 выполнен в виде сетки (или решетки), вырезанной подходящим способом из листового металла. Диаметр электродов 5, 6 соответствует внутреннему диаметру трубы 1, а электроды расположены перпендикулярно к оси трубы 1 и, следовательно, направлению газового потока. Электроды 5, 6 имеют толщину 0,2 мм, шаг p составляет 1 мм или меньше. Коэффициент заполнения электродов (площадь материала сетки в процентах) составляет 20% или меньше.
Расстояние между находящимся выше по потоку модулирующим электродом 5 и находящимся ниже по потоку модулирующим электродом 6 составляет 0,125 мм. Сетки находящегося выше по потоку модулирующего электрода 5 (фиг.3) и находящегося ниже по потоку модулирующего электрода 6 размещены в ряд. Таким образом, электрическое поле между модулирующими электродами 5, 6 имеет максимальную составляющую по направлению, параллельному направлению газового потока (оси трубы 1). Следовательно, напряженность электрического поля между модулирующими электродами 5, 6 может быть изменена путем изменения расстояния между электродами 5, 6 без влияния на поток текучей среды по трубопроводу 1.
Переменное модулирующее напряжение прикладывается между модуляторными электродами 5, 6. Модулирующее напряжение представляет собой меандр с амплитудой до 10 В и частотой от 1 до 4 Гц. Приложенное модулирующее напряжение формирует электрическое поле между модуляторными электродами 5, 6. Когда находящийся выше по потоку модуляторный электрод 5 является положительным относительно находящегося ниже по потоку модуляторного электрода 6, находящийся выше по потоку модуляторный электрод 5 захватывает отрицательные ионы из ионного облака 3, и положительные ионы ускоряются посредством модулирующей электродной структуры 4. Таким образом, ионное облако ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры 4 содержит преимущественно положительные ионы. Когда находящийся выше по потоку модуляторный электрод 5 является отрицательным относительно находящегося ниже по потоку модуляторного электрода 6, находящийся выше по потоку модуляторный электрод 5 захватывает положительные ионы из ионного облака 3, и отрицательные ионы ускоряются посредством модулирующей электродной структуры 4. Таким образом, ионное облако ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры 4 содержит преимущественно отрицательные ионы. Действие переменного модулирующего напряжения заключается в создании в газовом потоке, находящемся ниже относительно модулирующей электродной структуры 4, последовательных областей плотностей положительных и отрицательных ионов. Как описано ниже, эти области можно обнаруживать, чтобы определять время пролета областей и, следовательно, расход газа.
Газовый счетчик (фиг.3) содержит первую детектирующую электродную структуру 8 и вторую электродную структуру 9 в трубе 1 ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры 4, предназначенные для обнаружения модулированного распределения ионов в ионизированном газовом потоке. Вторая электродная структура 9 находится ниже по потоку относительно первой детектирующей электродной структуры 8. В этом варианте осуществления каждая из первой и второй детектирующих электродных структур 8, 9 содержит находящийся выше по потоку электрод 10 и находящийся ниже по потоку электрод 11. Каждый электрод 10, 11 (фиг.2) имеет общую форму сетки (или решетки), вырезанной подходящим способом из листового металла. Диаметр электродов 10, 11 соответствует внутреннему диаметру трубы 1, а электроды 10, 11 расположены перпендикулярно к оси трубы 1 и, следовательно, направлению газового потока. Электроды 10, 11 имеют толщину 0,2 мм и шаг p 2 мм. Коэффициент заполнения электродов (площадь материала сетки в процентах) составляет 10% или меньше.
Расстояние между находящимся выше по потоку детекторным электродом 10 и находящимся ниже по потоку детекторным электродом 11 составляет 0,125 мм. Сетки находящегося выше по потоку детекторного электрода 10 и находящегося ниже по потоку детекторного электрода 11 размещены в ряд. Следовательно, относительные электрические свойства детекторных электродов 10, 11 могут быть изменены путем изменения разнесения электродов 10, 11 без влияния на поток текучей среды по трубопроводу 1.
Каждый из детекторных электродов 10, 11 соединен с потенциалом «земли». Когда последовательные области плотностей положительных и отрицательных ионов приближаются и проходят детекторную электродную структуру 8, 9, заряд в пределах находящегося выше по потоку детекторного электрода 10 перераспределяется для поддержания нулевого потенциала в пределах электрода 10. Это перераспределение заряда вызывает протекание тока между электродом 10 и потенциалом «земли». Аналогичным образом заряд в пределах находящегося ниже по потоку детекторного электрода 11 перераспределяется для поддержания нулевого потенциала в пределах электрода 11. Это перераспределение заряда вызывает протекание тока между находящимся ниже по потоку детекторным электродом 11 и потенциалом «земли». Этот ток может быть измерен амперметром 12 или другим прибором для измерения тока, он имеет форму переменного сигнала, на основании которого путем сравнения с модулирующим напряжением может быть определено время пролета ионного облака. Находящийся ниже по потоку детекторный электрод 11 выделен для измерения тока перераспределения, поскольку находящийся выше по потоку детекторный электрод 10 экранирует электромагнитным способом находящийся ниже по потоку детекторный электрод 11 от приближающегося распределения ионов, и поэтому переход между распределениями положительных и отрицательных ионов более явно выражен на находящемся ниже по потоку детекторном электроде 11, чем на находящемся выше по потоку детекторном электроде 10.
Расстояние между находящимся ниже по потоку электродом 6 модулирующей электродной структуры 4 и находящимся выше по потоку электродом 10 первой детектирующей электродной структуры 8 составляет 8 мм. Расстояние между находящимся ниже по потоку электродом 6 модулирующей электродной структуры 4 и находящимся выше по потоку электродом 10 второй детектирующей электродной структуры 9 составляет 70 мм. Обеспеченность двумя разнесенными детектирующими электродными структурами 8, 9 повышает динамический диапазон газового счетчика. Для бытовых применений типичный диапазон измерений расхода газа, в котором необходим заданный уровень точности, находится в пределах от 40 л/ч до 6000 л/ч, что соответствует динамическому диапазону 150:1. В соответствии с этим вариантом осуществления изобретения первая детектирующая электродная структура 8 используется для определения низких расходов, когда необходимо обнаруживать модулированное ионное облако до того, как очень много ионов будет утрачено из модулированного ионного облака вследствие рекомбинации, и вторая детектирующая электродная структура 9 используется для определения высоких расходов, когда необходимо обнаруживать модулированное ионное облако до того, как оно прошло через весь счетчик. Сигналы, обнаруженные от обеих детектирующих электродных структур 8, 9, могут быть использованы для максимизации точности счетчика в пределах всего диапазона измерений.
Для уточнения вариантов осуществления, описанных выше, модулирующий потенциал U выше по потоку и модулирующий потенциал D ниже по потоку могут быть приложены к соответствующим, находящимся выше по потоку и ниже по потоку модулирующим электродам 5, 6 модулирующей электродной структуры для получения модулирующего напряжения между электродами 5, 6. Как показано на фиг.4, модулирующий потенциал D ниже по потоку может быть выбран противофазным относительно модулирующего потенциала U выше по потоку и может иметь амплитуду, выбранную из условия компенсации эффекта дальнего поля, создаваемого электрическим полем, связанным с находящимся выше по потоку модулирующим электродом 5. Иначе говоря, совместный электромагнитный эффект находящихся выше по потоку и ниже по потоку модулирующих электродов 5, 6 ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры 4 компенсируется модулирующим потенциалом D ниже по потоку. Следовательно, сама модулирующая электродная структура 4, в противоположность результирующему распределению ионов, не влияет на сигналы, формируемые первой и второй детектирующими электродными структурами 8, 9.
Можно измерять газовым счетчиком обратный газовый поток в трубопроводе, предусмотрев модулирующую и детектирующую электродные структуры на противоположной стороне относительно ионизатора в дополнение к модулирующей электродной структуре и детектирующей электродной структуре, описанным выше. Дополнительные модулирующая и детектирующая электродные структуры могут быть расположены зеркально относительно модулирующей электродной структуры и детектирующей электродной структуры, описанных выше. Однако при бытовых применениях счетчика может быть необходимо только обнаруживать, а не измерять обратный поток. Следовательно, может быть необходимо предусмотреть электродную структуру, способную только обнаруживать присутствие ионизированного газа выше по потоку относительно ионизатора (обусловленного обратным потоком). Например, электродная структура может быть предназначена для измерения импеданса газового потока.
Итак, газовый счетчик содержит трубопровод 1 для прохождения газового потока А и ионизатор 2 для ионизации газового потока в трубопроводе 1. Модулирующая электродная структура 4 ниже по потоку относительно ионизатора модулирует распределение ионов в ионизированном газовом потоке. Первой детектирующей электродной структурой 8 и второй детектирующей электродной структурой 9 ниже по потоку относительно модулирующей электродной структуры 4 обнаруживается модулированное распределение ионов в ионизированном газовом потоке. Модулирующая электродная структура 4 и детектирующие электродные структуры 8, 9 могут быть сконфигурированы для формирования электрического поля, имеющего по меньшей мере значительную составляющую, параллельную направлению газового потока. Модулирующая электродная структура 4 и детектирующие электродные структуры 8, 9 могут содержать пару электродов 5, 6, 10, 11, при этом каждый из них имеет множество отверстий, сформированных в нем, для прохождения газового потока. Модулирующая электродная структура 4 может быть предназначена для захвата ионов одной полярности, чтобы формировался ионизированный газовый поток, содержащий большинство из ионов противоположной полярности, и в этом случае детектирующая электродная структура может содержать по меньшей мере один электрод 11, соединенный с источником заряда. Перемещение ионизированного газового потока относительно электрода вызывает перераспределение заряда на электроде, которое создает ток, указывающий на распределение ионов между электродом 11 и источником заряда.
Газовый счетчик имеет различные компоновки и может работать при модулирующем напряжении ниже 10 В и поэтому пригоден для использования в качестве бытового газового счетчика. Он имеет существенные преимущества по сравнению с существующими измерительными средствами, которые не могут быть использованы непосредственно в соответствии с требованиями относительно стоимости потребления электроэнергии и рабочих характеристик, предъявляемыми к автоматическому объемному газовому счетчику. Типовыми причинами этого являются:
(а) для них требуются высокие напряжения на электродах смещения, которые потребляют энергию и являются потенциально опасными при эксплуатации;
(b) они не имеют достаточного динамического диапазона или линейности, чтобы соответствовать метрологическим требованиям, положенным в основу национальных стандартов;
(с) активность используемых радиоактивных источников является более высокой, чем обычно допускаемая при бытовых применениях;
(d) они не оптимизированы в части полосы пропускания при измерении и отношении сигнала к шуму, необходимых для объемного газового счетчика.
Конкретными вариантами осуществления изобретения предоставляется возможность исключения этих проблем или по меньшей мере снижения их значимости.
Хотя настоящее изобретение было описано применительно к конкретным отдельным вариантам осуществления, они не предполагают ограничивать объем раскрытия. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что признаки одного варианта могут быть использованы в сочетании с признаками выделенного варианта осуществления даже в том случае, когда об этом в явной форме не упомянуто.