Устройство для измерения объемного расхода газа
DEVICE FOR GAS VOLUMETRIC FLOW RATE MEASUREMENT

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам, позволяющим провести измерения объемного расхода не только газа, но и газовых смесей любого состава. Изобретение может найти применение в приборостроении при создании лабораторных газовых расходомеров.
Используемые термины
Измеряемый поток газа - направляемый в устройство с целью измерения объемного расхода поток газа или многокомпонентной газовой смеси, находящейся при температуре измерения в газообразном состоянии.
Объемный расход измеряемого потока газа - приведенный к нормальным условиям (0°C, 760 мм рт.ст.) объем газа или многокомпонентной газовой смеси, протекающий через поперечное сечение потока за единицу времени.
Газовая метка потока - неоднородность измеряемого потока газа, создаваемая импульсным вводом в данный поток заданного объема газа метки потока, отличающегося физическими свойствами от свойств газовой среды измеряемого потока газа, такими как тепловые, оптические, магнитные и другие.
Известны меточные расходомеры газа, которые основаны на создании в потоке газа индикаторной неоднородности, называемой меткой потока, и измерении времени перемещения метки потока на контрольном участке пути и состоят, как правило, из устройства, создающего метку потока, устройства контролирующего перемещение метки потока на определенном участке пути и устройства, измеряющего какую-либо характеристику, связанную со скоростью движения потока, например время прохождения метки потока между двумя контрольными точками (Кремлевский П.П. Расходомеры. Машгиз, 1964). Различие в многочисленных модификациях меточных расходомеров состоит в способе создания метки потока и устройстве ее регистрации в контрольных точках измерительного участка пути.
Известно техническое решение, в котором измерение расхода потока газа основано на свойстве мыльной пленки перемещаться по внутренней поверхности измерительной бюретки или какой-либо другой прозрачной трубки с известным объемом под напором измеряемого потока газа, а устройство для измерения расхода газа содержит измерительный объем в виде стеклянной трубки, устройство для создания мыльной пленки, при этом контроль положения мыльной пленки осуществляется двумя оптическим датчиками, сигналы датчиков, несущие информацию о времени прохождения пленки между контрольными точками, обрабатываются микропроцессорным контрольно-управляющим блоком и с учетом информации об объеме трубки между датчиками рассчитывается величина расхода, http://www.ooo-monitoring.ru/products/eauip/qasflow/potok/ (дата обращения 20.02.2017).
Недостатками известного технического решения является низкая точность, невозможность измерять расходы газов и газовых смесей, разрушающих мыльную пленку, низкая прочность мыльной пленки, необходимость увлажнения газа для уменьшения погрешности измерения объемного расхода.
Известно техническое решение, в котором в качестве метки потока используется поршень, который свободно перемещается в стеклянной трубе в направлении движения измеряемого потока газа, перемещение поршня контролируется двумя оптическими датчиками, расположенными на трубе на фиксированном расстоянии между датчиками, расход определяется путем измерения времени прохождения поршня между датчиками при известном объеме отрезка трубы между датчиками (Патент US 5684246 А, МПК G01F 25/00, приоритет от 11.04.1997).
Недостатками известного технического решения являются необходимость использования для измерений расхода особо чистых газов, невозможность измерения расхода смесей нескольких газов, необходимость учитывать динамическую вязкость в потоке измеряемого газа, высокая стоимость поршневого расходомера. По этим причинам поршневой расходомер используется в основном в качестве калибраторов для других расходомеров и регуляторов расхода.
Задачей заявляемого технического решения является разработка устройства, позволяющего определять объемный расход измеряемого потока газа, при этом обеспечивающего точность измерения не хуже ±1% от измеряемого значения.
Поставленная задача решается тем, что устройство для определения объемного расхода измеряемого потока газа содержит регулятор давления газа метки потока, который выполнен с возможностью подключения к его входу источника газа метки потока; термостат; коммутатор потока, который выполнен с возможностью переключения направления измеряемого потока газа; хотя бы два измерительных канала, каждый из которых выполнен с возможностью измерения объемного расхода измеряемого потока газа с частично перекрывающимися диапазонами измерения расхода соседних каналов и содержащим линию потока, которая выполнена с возможностью помещения во внутренний объем термостата, с возможностью пропускания измеряемого потока газа, а также газовой метки потока заданного объема и содержит размещенные по направлению движения потока в порядке упоминания газовую линию задержки, первый детектор, который выполнен с возможностью измерения концентрации газа метки потока в измеряемом потоке газа, измерительный объем, второй детектор, который выполнен с возможностью измерения концентрации газа метки потока в измеряемом потоке газа; а также блок импульсного ввода газа метки потока, выход которого подключен ко входу газовой линии задержки; датчик температуры, который выполнен с возможностью измерения температуры в измеряемом потоке газа и подключен к выходу газовой линии задержки; первый датчик абсолютного давления, который соединен с первым детектором; второй датчик абсолютного давления, который соединен со вторым детектором; при этом коммутатор потока помещен во внутренний объем термостата, один из выходов коммутатора потока подключен к линии потока в месте соединения выхода блока импульсного ввода газа метки потока с линией задержки, а выход регулятора давления газа метки потока соединен с входом каждого блока импульсного ввода газа метки потока. При этом блок импульсного ввода газа метки потока выполнен с возможностью ввода в поток необходимого для данного измеряемого объемного расхода измеряемого потока газа объема газа метки потока. Блок импульсного ввода газа метки потока выполнен на основе двухходового электропневмоклапана и газового дросселя. Коммутатор потока выполнен на основе двухходовых электропневмоклапанов. Термостат выполнен в виде закрытого объема с возможностью поддержания внутри объема заданного значения температуры. Линия потока выполнена с возможностью пропускания газа метки потока, значительно отличающегося от теплопроводности измеряемого потока газа. Первый, а также второй детекторы выполнены либо в виде чувствительных элементов детекторов по теплопроводности с малыми геометрическими размерами спиралей чувствительных элементов, либо в виде планарных микроэлектронных чувствительных элементов детекторов по теплопроводности. Газовая линия задержки выполнена либо в виде металлической трубки, диаметр которой много меньше ее длины, либо в виде пластиковой трубки, диаметр которой много меньше ее длины. Измерительный объем выполнен либо в виде металлической трубки, диаметр которой много меньше ее длины, либо в виде пластиковой трубки, диаметр которой много меньше ее длины. Линии задержки и измерительные объемы соседних измерительных каналов выполнены из трубок с различным внутренним диаметром. Линия задержки и измерительный объем выполнены в виде трубок, свернутых в спираль. Источник газа метки потока выполнен в виде баллона с газом метки потока.
Технический эффект от заявляемого технического решения заключается в расширении средств данного назначения. Кроме того, в возможности измерять объемные расходы любых газов, газовых смесей произвольного состава, в том числе газовых смесей с температурой конденсации ниже температуры термостата, в определении объемного расхода с погрешностью не более 1% от измеряемого значения.
Заявляемое техническое решение поясняется Фиг. 1, на которой показана блок-схема заявляемого технического решения, в случае его исполнения имеющим три измерительных канала, где 1 - баллон с газом метки потока, 2 - регулятор давления газа метки потока, 3 - блок импульсного ввода газа метки потока, 4 - газовая линия задержки, 5 - датчик температуры, 6 - первый детектор, 7 - первый датчик абсолютного давления, 8 - измерительный объем, 9 - второй детектор, 10 - второй датчик абсолютного давления, 11 - термостат, 12 - коммутатор потока.
Устройство для реализации заявляемого технического решения собирают известными из настоящего уровня техники способами.
Вход регулятора давления газа метки потока 2 подключают к источнику газа метки потока, например к баллону с газом метки потока 1. Выход регулятора давления газа метки потока 2 подключен к входу блока импульсного ввода газа метки потока 3, выход блока импульсного ввода газа метки потока 3 подключен к входу газовой линии задержки 4. Датчик температуры 5 выполнен с возможностью измерения температуры измеряемого потока газа и подключен к выходу газовой линии задержки. Первый датчик абсолютного давления 7 герметично соединен с первым детектором 6, второй датчик абсолютного давления 10 герметично соединен со вторым детектором 9. Коммутатор потока 12 помещен во внутренний объем термостата 11, один из выходов коммутатора потока 12 подключен к измерительной линии потока 8 в месте соединения выхода блока импульсного ввода газа метки потока 3 с газовой линией задержки 4, а выход регулятора давления газа метки потока 2 соединен с входом каждого блока импульсного ввода газа метки потока 3. Одна из линий потока, например первая, расположена в направлении движения измеряемого потока газа и герметично соединена с одним из выходов коммутатора потока 12, при этом в линии потока расположены в порядке упоминания и герметично соединены между собой газовая линия задержки 4, первый детектор 6, измерительный объем 8, второй детектор 9.
К линии потока в месте соединения одного из выходов коммутатора потоков с входом линии задержки герметично присоединен блок импульсного ввода газовой метки потока 3, в месте соединения линии задержки с первым детектором герметично присоединен датчик температуры 5, первый датчик абсолютного давления 7 герметично присоединен к первому детектору, второй датчик абсолютного давления 10 герметично присоединен ко второму детектору. Коммутатор потока 12, газовая линия задержки 4, первый детектор 6, измерительный объем 8, второй детектор 9 расположены в термостате.
Измерения проводят следующим образом. Задают и устанавливают в термостате 11 рабочую температуру для измерения расхода, при этом рабочая температура превышает температуру конденсации компонентов в измеряемом потоке газа. Регулятором давления газа метки потока 2 устанавливают заданное значение давления на входе устройства импульсного ввода газовой метки потока 3. Подают поток газа на вход коммутатора потока 12 и направляют его коммутатором 12 в линию потока с максимальной величиной измерительного объема. Продувают линию потока измеряемым потоком газа. С помощью блока импульсного ввода газа метки потока вводят в измеряемый поток газа заданный объем газа метки потока, при этом подбирают такой объем вводимого газа метки потока, чтобы концентрация газа метки потока в измеряемом потоке газа находилась в линейном диапазоне первого и второго детекторов, а форма пика газовой метки потока была близка к гауссовой с хорошо определенной вершиной, при этом объем вводимого газа метки потока регулируют изменением давления газа метки потока с использованием регулятора давления 2 и длительности ввода. Изменение во времени концентрации газа метки потока в измеряемом потоке газа контролируют первым и вторым детекторами. Разделение во времени пиков и паразитных колебаний сигнала детекторов обеспечивает газовая линия задержки. Измеряют счетчиком времени временной интервал между максимумами регистрируемых пиков, соответствующий времени прохождения газовой меткой потока расстояния между первым и вторым детекторами. Если определенный временной интервал между пиками превышает предельно допустимый, переключают измеряемый поток газа коммутатором 12 на линию потока с меньшей величиной измерительного объема и меньшим объемом газовой линии задержки и повторяют процедуру ввода газа метки потока, подбора давления газа метки потока и длительности ввода. Измеряют давление в измеряемом потоке газа на входе измерительного объема первым датчиком абсолютного давления 7 и на выходе измерительного объема вторым датчиком абсолютного давления 10. Измеряют температуру в потоке измеряемого газа датчиком температуры 5.
0
0
1
2
O
O
Объемный расход измеряемого потока газа приведенный к нормальным условиям (0°C и 760 мм рт.ст.), рассчитывают по формуле W=V⋅P⋅T/(P⋅T⋅t), где V - величина измерительного объема между контрольными точками, P=(P+P)/2 - среднее арифметическое значение давления газа в измерительном объеме в мм рт.ст., Т - температура газа в потоке в К, T=273.15 К, P - нормальное атмосферное давление (760 мм рт.ст.), t - время прохождения газовой метки потока между первым и вторым детекторами.
Предложенное устройство имеет следующие преимущества.
1) Возможность определять объемные расходы газов и газовых смеси самого различного состава в широком диапазоне расходов, в том числе и малые расходы.
Эта возможность связана со свойствами газовой метки потока и конструкцией устройства. Во-первых, для создания газовой метки потока можно использовать самые различные газы, в том числе инертные, отличающиеся по физическим характеристикам от измеряемого газа или газовой смеси. При этом инертный газ метки потока химически не взаимодействует с измеряемым потоком газа и состав газа метки потока не изменяется. Во-вторых, линия задержки и измерительный объем выполняют в виде трубок малого диаметра и большой длины, что обеспечивает «поршневой» режим распространения газовой метки потока, при этом скорость диффузионного расплывания газовой метки потока вдоль направления движения измеряемого потока газа ограничена малым сечением трубок. Две эти особенности предлагаемого устройства измерения объемного расхода обеспечивают высокую стабильность газовой метки потока и позволяют проводить измерения в широком интервале линейных скоростей измеряемого потока газа, соответствующих времени прохождения газовой метки потока между контрольными точками, соответствующими первому и второму датчику газовой метки потока от 1 до 200 секунд. Отсутствие особых ограничений на чистоту измеряемых газов обеспечивается отсутствием механических движущихся частей в устройстве измерения объемного расхода и высокой стабильностью газовой метки потока.
2) Возможность измерять объемные расходы газовых смесей с температурой конденсации компонентов выше комнатной.
Наличие термостата, используемого для нагрева измеряемого потока газа и поддержания заданной температуры, позволяет проводить измерения объемного расхода многокомпонентных газовых смесей с температурой конденсации компонентов измеряемого потока газа, не превышающей температуру термостата. При использовании в качестве детекторов чувствительных элементов детекторов по теплопроводности может быть обеспечена допустимая рабочая температура в термостате до 180°C.
3) Возможность достижения высокой точности измерения объемного расхода.
Высокая точность измерения расхода обусловлена следующими факторами:
а) высокой точностью определения величины измерительного объема между контрольными точками, которая обеспечивается специальной процедурой калибровки;
б) предварительным подогревом измеряемого потока газа в газовой линии задержки, обеспечивающим высокую однородность и стабильность температуры в измеряемом потоке газа в направлении движения потока;
в) измерением с высокой точностью распределения давления в измеряемом потоке вдоль направления движения потока с использованием микроэлектронных датчиков давления;
г) высокой точностью измерения времени прохождения газовой метки потока между контрольными точками, которая обеспечивается стробированием с высокой частотой сигнала первого и второго детекторов, математической обработкой формы пиков, усреднением результатов измерений по задаваемому числу реализаций процедуры измерений.
3
Пределы допускаемой относительной погрешности при измерении объемного расхода в заявляемом техническом решении не превышают ±1% в диапазоне расходов от 5 до 2500 см/мин (Свидетельство об утверждении типа средств измерений RU.C.29.001.A №53871 от 04.02.2014 г.; описание типа средства измерения).