ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ МАССЫ ГАЗА
GAS MASS DETECTOR

Изобретение относится к измерительной технике и к способам и устройствам измерения параметров состояния жидкостей и газов, может быть использовано в различных областях промышленности, где необходимы количественная оценка остатков (массы) рабочего тела (РТ) - газа в емкостях рабочей системы безнаддувного типа при регулярной выдаче РТ из емкости и управлении процессом выдачи РТ, например, в системе коррекции космического аппарата (КА) на всех этапах эксплуатации КА, в частности - для количественной оценки массы РТ, находящегося в состоянии насыщенного пара.
тс
тс
1. Известно множество устройств расходомеров РТ. Расходомеры позволяют прямым путем измерять массу динамических жидких и газообразных сред. Расход массы жидкости и газа при непрерывном процессе определяется в настоящее время расходомерами на основе использования силы Кориолиса либо разности температур (ΔТ) термосопротивлений до и после нагревательного элемента измерительного канала. Точность таких устройств весьма высока: 0,25% для диапазона массы прокачки [5-10000]кг и при давлении до 320 атм (расходомеры серии СМ-01-ЕХ на основе изобретения RU 2153652 C2, МПК G01F 1/84). Высокую точность обеспечивает практическое отсутствие погрешностей генератора колебаний и датчика кориолисовой силы либо постоянство сечения измерительного канала ввиду возможности их изготовления с техническими параметрами, отвечающими поставленной задаче, а также то, что используется не прямая, а относительная зависимость расхода среды к скорости угловых колебаний потока среды относительно оси колебаний либо к разности температур ΔТ, предполагающая котировочные эталонные замеры.
2. Известен способ измерения массы, расхода и объема газа при расходовании его из замкнутой емкости и устройство для его осуществления (RU 2156960 C2, МПК G01F 1/86). Способ-аналог реализуется с помощью устройства, содержащего датчики давления и температуры, установленные в замкнутой емкости (далее по тесту - емкость рабочей системы - ЕРС), и электронное устройство для обработки информации с этих датчиков. Электронное устройство содержит устройство управления, содержащее блок выбора типа газа, выбора измеряемой функции и задания объема ЕРС, аналого-цифровой преобразователь, функциональное устройство на носителях памяти для определения оставшейся массы газа в ЕРС, дифференцирующее устройство на носителях памяти, цифробуквенный индикатор и устройство сравнения, в который вводится контролируемый параметр.
Согласно способу измеряют температуру и давление непосредственно в ЕРС и определяют расход газа из ЕРС, причем начальную массу газа в ЕРС определяют с учетом фактора сжимаемости газа в зависимости от температуры и давления по выражению:
0
0
2
0
где P, T - соответственно начальные давление и температура, н/м, K;
EPC
3
V - объем ЕРС, м;
-1
Z - коэффициент сжимаемости газа, кг,
R - газовая постоянная, дж/(моль·градус),
оставшуюся массу газа в ЕРС определяют по выражению:
1
1
2
0
где P, T - соответственно текущие давление и температура, н/м, K,
расход массы определяют по выражению:
массовый секундный расход определяют по выражению:
Начальный запас (объем) газа ЕРС, приведенный к нормальным условиям, определяется по выражению:
0
3
где ρ - плотность газа при нормальных условиях, кг/м,
а объем выданного газа, приведенный к нормальным условиям, определяется по выражению:
На устройстве управления выбирают тип газа, требуемую измеряемую функцию и задается объем ЕРС. Необходимые контролируемые параметры устанавливаются на устройстве сравнения. Аналоговые сигналы с датчиков преобразуются в аналого-цифровом преобразователе и поступают на функциональное устройство. Функциональное устройство выдает на дифференцирующее устройство мгновенное значение оставшейся массы газа в ЕРС с учетом Z(P;T). Дифференцирующее устройство при измерении расхода газа производит цифровое дифференцирование по времени входного сигнала, а при измерении выданной массы или объема газа выдает разность между начальным и текущим значениями. При измерении оставшейся массы и объема оно выдает эти значения. С выхода дифференцирующего устройства значение функции поступает на вход цифробуквенного индикатора и устройства сравнения. Устройство сравнения сравнивает полученный результат с заданным и выдает соответствующий сигнал на внешнее исполнительное устройство.
3. Известен способ определения стабилизированных по температуре остатков рабочего тела - газа в емкостях рабочей системы (RU 2464206 C2, МПК B64G 1/22, G01G 17/04), который взят за прототип. Согласно данному способу, включающему выработку рабочего тела (РТ), определяют номинальную зависимость массы РТ от давлений в ЕРС при постоянной температуре; в сеансах измерений, разнесенных равномерно на интервале времени периодичности изменений температуры ЕРС и давления рабочего тела, снимают значения температуры для каждой ЕРС и общего давления; определяют средние на каждом из сеансов измерений значения этих температур; рассчитывают достоверные температуру и давление как среднее между минимальным и максимальным значениями; определяют массу остатков РТ из номинальной зависимости массы РТ от давления в ЕРС, при отклонении достоверной температуры от номинальной, превышающем погрешность температурных датчиков, вводят поправку в значение текущей фактической массы РТ, используя уравнения состояния газа.
4. Наиболее близким из известных технических решений является способ определения массы газа в баллоне топливной системы ДВС (двигателя внутреннего сгорания) (RU 2231758 C2, МПК G01F 9/00, G01F 17/00, G07C 5/10, F02M 21/02), включающий описание устройства, реализующего способ. Данное техническое решение взято за прототип.
Способ может быть реализован в системе управления ДВС, работающего на сжатом газе. Устройство включает в себя контроллер, замок зажигания, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик температуры газа на входе в ДВС и датчик давления газа в баллоне (ЕРС). Датчик давления устанавливается либо на баллоне, либо в трубопроводе топливной системы ДВС до редуктора давления. Принципиальным отличием устройства от устройства согласно аналогу 1 (п.2) является отказ от расположения датчика температуры внутри ЕРС.
По состоянию контактов замка зажигания контроллером фиксируют включение зажигания двигателя.
После включения зажигания ДВС контроллером по сигналам датчиков измеряют температуру охлаждающей жидкости и температуру газа на входе в ДВС и сравнивают полученные значения температур.
После выключения зажигания температура баллона (и газа в баллоне) значительно отличается от температуры ДВС и охлаждающей жидкости. Равенство температур ДВС, охлаждающей жидкости в системе охлаждения ДВС, баллона, газа в баллоне и газа на входе в ДВС достигается только при остывании ДВС (и охлаждающей жидкости) до температуры окружающей среды. В случае равенства измеренных температур считают, что температура ДВС, температура охлаждающей жидкости, температура баллона, температура газа в баллоне и температура газа на входе в ДВС равны между собой и соответствуют значению температуры окружающей среды. Запоминают значение температуры охлаждающей жидкости как температуру окружающей среды. Измеряют давление газа в баллоне. По значениям температуры окружающей среды и давления газа, зная объем баллона, определяют массу сжатого газа в баллоне топливной системы ДВС. Определенное значение массы запоминают в памяти контроллера и используют в расчетах остатка топлива при работе ДВС.
Расходомеры (п.1) следовало привести в описании как приборы, которые, в принципе, могли бы быть универсальными и определять массу неподвижной газообразной среды при дискретной подаче газа в накопитель (ЕРС) или дискретном расходе газа из накопителя, оборудованного соответствующим расходомером, не обращаясь к операциям взвешивания. Но таких устройств нет. Принципы работы существующих типов расходомеров строго предназначены для определения масс динамических, но не статических сред.
В первом аналоге (п.2) представлено устройство массомера, включающее в себя датчики температуры и давления в ЕРС и несложное электронное устройство с необходимым набором известных приборов и функций, обслуживающее эти датчики. Изобретение является таковым лишь благодаря способу, включенному в первый пункт формулы изобретения. Устройство, включенное во второй пункт формулы, на взгляд автора, самостоятельным изобретением не является, поскольку тогда оно бы являлось устройством «ни о чем» - два датчика и электронное устройство, в которое заложено определенное мат. обеспечение. Но расчеты не являются отличительными признаками изобретения. «Изобретения, основанные на создании средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связями между ними» не отвечают критерию «изобретательский уровень» (РОСПАТЕНТ, Рекомендации по вопросам экспертизы заявок на изобретения и полезные модели, п.1.6.2.2.1(6)).
Во втором аналоге (п.3) используется зависимость стабилизированных по температуре массовых остатков РТ - газа от давления в емкостях (ЕРС) постоянного объема рабочей системы, полученная по результатам стендовых испытаний заправленной ЕРС. Недостатком второго аналога является то, что на относительно коротком начальном интервале активного существования рабочей емкости, когда РТ находится под большим давлением и претерпевает фазовые переходы, он не работает. Другим недостатком является его ограниченная область применения из-за требования стабилизации температурного режима стенок ЕРС в течение всего срока работы с ЕРС. Хотя, в условиях работы КА на орбите способ свою задачу выполняет хорошо.
Прототип (п.4), в принципе, дает хорошие результаты и обладает несомненной полезностью, однако устройство для его реализации (не приведенное в формуле изобретения) так же, как и в первом аналоге, не отвечает критерию «изобретательский уровень».
Из сказанного следует, что изобретения-устройства для определения статической массы газообразных веществ в ЕРС отсутствуют. Все имеющиеся способы определения статической массы газообразных веществ в ЕРС применимы в большей (как в аналогах 1 и 2) или в меньшей (как в прототипе) степени к реальному газу. Прямое использование формул состояния реального газа при больших давлениях не дает удовлетворительные результаты. Это в наибольшей степени относится к состоянию газа «насыщенный пар» и «жидкость».
В прототипе давление топлива в баллоне после заправки относительно невелико (~5-6 атм), и в расчетах остатка топлива с достаточной практической точностью можно использовать уравнение Менделеева-Клайперона. Отсутствует априорное знание коэффициентов состояния реального газа - они являются функциями межмолекулярных взаимодействий, следовательно, малоприменимы в практической деятельности: в каждом конкретном случае состояния газа даже не они, а их аппроксимирующие функции не постоянны, особенно в состоянии насыщенного пара. Коэффициент сжимаемости (сжижаемости) газа (отличие реального состояния газа от идеального состояния) при постоянном объеме - функция двух величин: температуры и давления газа в ЕРС. Для того чтобы формулы (1-6) были рабочими, необходимо заполнить матрицу размером, скажем, [60Х100], включающую диапазон изменений температуры от минус 30°C до плюс 30°C и диапазон изменений давления от нуля до 100 атм, фактическими прецизионными данными с шагом в один градус по температуре и с шагом в одну атмосферу по давлению. Это, как минимум, 6000 лабораторных измерений. Это очень большая квалифицированная работа, дающая возможность работать с реальным газообразным веществом. Но, так как в практике применяют различный состав газовых смесей, и процентный состав газовых смесей может самопроизвольно изменяться, то требуется невероятное количество таких матриц.
Задачей является создание массомера, определяющего или с помощью которого масса газа определяется с погрешностью, не превышающей погрешность взвешивания при отсутствии возможности и целесообразности его проведения. Цель достигается тем, что в определитель массы газа, содержащий датчики температуры и давления и электронное устройство (контроллер) для обработки информации с этих датчиков, введены заборная емкость постоянного объема, в которую из ЕРС отбирается проба газа, приборная емкость, общий объем которой с заборной емкостью при сообщении емкостей приводит газ в идеальное состояние, и три клапанных механизма: на входе в заборную емкость; в переходе из заборной емкости в приборную емкость; на выходе из приборной емкости.
В нерабочем состоянии ОМГ все клапаны перед взятием пробы РТ из ЕРС находятся в запорном состоянии.
Технический результат достигается за счет того, что перед началом работы с ОМГ давление в приборной емкости ОМГ открытием выходного клапана выравнивают с внешним давлением в рабочей системе (например, с атмосферным давлением), выходной клапан закрывают, далее определяют начальную массу газа, содержащуюся в изолированной теперь приборной емкости по уравнению состояния идеального газа. Газ в ОМГ заведомо идеальный. Пробу газа, находящегося под высоким давлением в рабочей емкости, через открытие выходного для ЕРС клапана отбирают в заборную емкость фиксированного объема. Тогда в течение времени, меньшего, чем для определения остатков РТ - газа, газ в заборной емкости по всем своим физическим параметрам идентичен газу в ЕРС. Это можно утверждать, даже если в заборной емкости имелся газ сколь угодного уровня давления - при открытом входном для заборной емкости (выходном для ЕРС) клапане массы газа в ЕРС и заборной емкостях будут перемешаны, и газ в обеих емкостях будет находиться в одном и том же состоянии по давлению и температуре. Строго говоря, остатками РТ следует считать суммарную массу газа в ЕРС и в заборной емкости. А объем заборной емкости по отношению объему приборной емкости и, тем более, по отношению к объему ЕРС ничтожен. Это обязательное условие изобретения. Затем газ через клапанный механизм, находящийся до того в запорном состоянии, переводят в емкость большего фиксированного объема с соотношением к объему заборной емкости, достаточном для того, чтобы в общей для заборной и приборной емкостей емкости состояние газа трансформировалось в идеальное и гарантировало определение массы газа в общей емкости. Зная массу газа в общей емкости, знают массу пробы РТ (взятой изначально в заборную емкость), как разницу между массой в общей емкости и начальной массой в приборной емкости. Остатки РТ в ЕРС (масса - везде масса, независимо от физического состояния газа) без методической погрешности, определяют, исходя из равенства отношения масс в ЕРС и заборной емкости отношению объемов ЕРС и заборной емкости.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам в независимом пункте формулы заявленного определителя массы газа (ОМГ), отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна». Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники (космическая техника) с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Такие отличительные признаки данного изобретения, как взятие пробы РТ из ЕРС, двухкамерное исполнение массомера для перевода пробы РТ тела в идеальное состояние, собственно перевод пробы РТ в идеальное состояние и система клапанов, обеспечивающая технический результат, ранее не применялись для изготовления массомеров, и потому данные отличительные признаки отвечают условию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется фиг.1, где представлена схема устройства-определителя массы газа (ОМГ). Введены следующие обозначения:
1, 2, 3 - клапаны;
4 - заборная емкость;
5 - приборная емкость;
6 - датчик температуры;
7 - датчик давления;
8 - кронштейны;
9 - корпус ОМГ;
10 - стенка ЕРС;
11 - блок понижения и стабилизации давления (БПСД).
Обозначения 1-9 относятся к ОМГ.
Устройство ОМГ может съемным (отдельным) либо встроенным в рабочую систему.
Реализация определения массы газа в рабочей емкости с помощью устройства.
1. Проводят измерение температуры и давления датчиками 6 и 7, находящимися в приборной емкости 5.
2. Определяют остаточную массу газа в приборной емкости 5 от клапана 2 до клапана 3 по формуле:
0
где P - давление в приборной емкости перед началом определения остатков РТ в ЕРС, Па;
0
3
V - объем приборной емкости от клапана 2 до клапана 3, м;
µ - молярная масса газа, кг/моль;
R - универсальная газовая постоянная, 8,3143 дж/(моль·градус);
0
0
T - температура в приборной емкости перед началом определения остатков РТ в ЕРС, K.
Газ заведомо идеальный, потому формула (7) - рабочая.
3. Проводят открытие клапана 1.
заб
РТ заполняет заборную емкость 4 и смешивается с имеющимся в ней до открытия клапана 1 газом. Газ в заборной емкости 4 теперь имеет то же состояние, что и в ЕРС 10. Итак, взята проба газа, она идентична газу в ЕРС и имеет тоже давление и температуру при фиксированном объеме V, т.к. за время открытия клапана 4 давление и температура, физическое состояние газа в рабочей и заборной емкостях выравниваются.
4. Проводят закрытие клапана 1 и открытие клапана 2.
5
2
РТ заполняет заборную 4 и приборную 5 емкости. За счет подбора объемов заборной и приборной емкостей давление газа падает в зависимости от давления в ЕРС. Например, при использовании ЕРС в составе системы коррекции возможно падение давления до 5·10 Па (~5 кгс/см) и ниже. Пять атмосфер принимается за допустимый предел давления, при котором газ уже можно считать идеальным и не отягощать погрешность определения массы газа принципиальным незнанием коэффициентов (а, точнее - функций этих коэффициентов) состояния реального газа.
Объем заборной емкости, не имеющей датчиковой аппаратуры, в принципе, может быть сколь угодно малым. Соответственно приборная емкость, в пересчете на внутреннюю сферу, при пятнадцатикратном увеличении объема будет иметь радиус, больший всего в 2,5 раза относительно радиуса внутренней сферы заборной емкости.
5. Проводят измерение температуры и давления датчиками, находящимися в приборной емкости.
Если ЕРС несколько, и они объединены в единую топливную систему, суммарная масса РТ будет складываться из масс РТ в каждой из емкостей, пропорциональных объему ЕРС, снабженной ОМГ.
6. Определяют общую массу газа в заборной и приборной емкостях по формуле:
1
где M - общая масса газа в заборной и приборной емкостях от клапана 1 до клапана 3, кг;
1
P - давление в заборной и приборной емкостях после отбора пробы РТ, Па;
об
3
V - общий объем заборной и приборной емкостей от клапана 1 до клапана 3, м;
1
0
T - температура в заборной и приборной емкостях после отбора пробы РТ, K.
Газ заведомо идеальный, потому формула (8) - рабочая.
7. Определяют массовые остатки (М) РТ - газа, исходя из соотношения
по формуле:
р
3
где V - объем ЕРС, м;
заб
3
V - объем заборной емкости от клапана 1 до клапана 2, м.
заб
1
0
заб
Рассчитанная масса M=M-M РТ безусловно относится к заборному объему V.
8. На время использования ЕРС по назначению открывают клапан 3 на выходе из приборной емкости.
1
Если после операции 7 в дальнейшем можно использовать массу M по целевому назначению, ее оставляют внутри рабочей системы. БПСД 2 может иметь любое исполнение. Главное, что за ним устанавливается номинальное давление, требуемое для использования емкости рабочей системы по целевому назначению, ниже и выше которого в пределах (4-5)% давление быть не может. В системе коррекции на КА за БПСД функционально следует ДК. Возможными вариантами исполнения БПСД является связка «понижающий редуктор - ресивер» или «клапан(ы) управления - стабилизатор(ы) давления». Встраивая выход из ОМГ в канал на выходе из БПСД, в сеансах целевого расхода РТ будем иметь гарантированное остаточное давление в заборной и приборной емкостях ОМГ, равное номинальному на выходе из БПСД. Это еще - минимальное возможное во всей рабочей системе давление.
1
Если по каким-то причинам массу M оставлять нерационально, то проводят выравнивание давлений в ОМГ и окружающей среды. Потери РТ в этом случае расчетные и пренебрежимо малые.
Данная операция включает взятую пробу РТ в процесс расходования РТ по целевому назначению, и тогда общий запас РТ в рабочей системе составляет
1
0
Величина (M-M) в порядки меньше M и не имеет накопления с течением времени эксплуатации емкости рабочей системы. Наоборот, к концу срока активного существования (САС) она стремится к массе в заборной емкости при равенстве давлений в ЕРС и приборной емкости.
Операции 1-3 необходимы также для комплексных проверок качества показаний датчиков температуры и давления при известном номинале остаточного давления в ОМГ.
Запишем уравнение текущих относительных погрешностей:
2
0
Благодаря высокой чувствительности датчика давления удается удерживать относительную погрешность определения давления на должном уровне. При давлении в ОМГ (1,5-5)кгс/см используют датчик давления с относительной погрешностью 0,1% (например, датчик DMP 331Pi). Датчики температуры имеют абсолютную погрешность (1-2). Относительная погрешность датчика температуры в ОМГ не превышает 0,8% для имеющего место в реальной жизни (в том числе - и в космической технике) диапазона измерений температур (243-303)K.
0
Исходя из уравнения (12), погрешность способа определения остатков РТ - газа в ЕРС не превышает 1% на всем САС, вне зависимости от величины выработки РТ в ЕРС. В абсолютном выражении погрешность способа не превышает М.
Изобретение может быть использовано для определения остатков РТ в емкостях систем коррекции и ориентации и стабилизации в течение САС КА и после возможной дозаправки РТ в космосе.