УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Область техники.
Заявляемая полезная модель относится к области контроля физико-химических характеристик природного газа, в частности, к экспресс-определению теплоты сгорания природного газа.
Предшествующий уровень техники.
Известен водяной калориметр - устройство для определения теплоты сгорания природного газа (ГОСТ 27193-86, 1988 [1]), которое состоит из входных газо- и водопроводов, газового счетчика, мембранного регулятора давления высокой чувствительности, увлажнителя воздуха, переливного бака для воды, газовой горелки, выпускного патрубка конденсата, и двух термометров для измерения температуры воды на выходе и температуры выходных газов.
Недостатком устройства [1] является необходимость сжигания образцов газа и непосредственное определение количества тепла. Это приводит к необходимости проведения длительных измерений. При этом точность определения теплоты сгорания невысока.
Известно устройство для точного определения теплоты сгорания горючих газов (Патент США №062236, МП К G01N 25/30, 1977 [2]), которое состоит из двух горелок и турбинного счетчика.
Недостатком устройства [2] является необходимость сжигания исследуемого образца, что приводит к взрыво- и пожароопасности.
Известно также устройство для определения теплоты сгорания природного газа (ГОСТ 22667-82, 1983 [3]), основным конструктивным элементом которого является газовый хроматограф.
Недостатком указанного устройства [3] является наличие хроматографа - дорогостоящего и сложного при эксплуатации оборудования для хроматографического анализа.
Указанное устройство определения теплоты сгорания природного газа [3] является по совокупности существенных признаков наиболее близким техническим решением того же назначения к заявляемой полезной модели. Поэтому оно принято в качестве прототипа заявляемой полезной модели.
Раскрытие полезной модели.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является сокращение трудоемкости определения теплоты сгорания природного газа.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым устройством для определения теплоты сгорания природного газа, является упрощение устройства, повышение точности получаемого результата и обеспечение возможности непрерывного измерения теплоты сгорания природного газа.
Сущность заявляемого устройства для определения теплоты сгорания природного газа состоит в том, что устройство содержит измерительную камеру, в которой размещены датчик концентрации диоксида углерода, датчик давления, датчик влажности, датчик температуры и датчик скорости ультразвука. При этом вышеупомянутые датчики соединены с блоком обработки, снабженным информационным выходом значения теплоты сгорания природного газа. При этом блок обработки выполнен с возможностью корректировки сигнала, поступающего от датчика скорости ультразвука, на основании сигналов, поступающих от датчиков давления, влажности и температуры. При этом блок обработки содержит искусственную нейронную сеть, выполненную с возможностью определения значения теплоты сгорания природного газа в условных единицах по сигналу, поступающему от датчика концентрации диоксида углерода, и скорректированному как указано выше сигналу скорости ультразвука по следующему выражению:
2
где а - выходной вектор (матрица размером 12×1) второго уровня нейронной сети (12 нейронов в уровне),
2,1
LW - матрица размером 12×1 весовых коэффициентов второго уровня нейронной сети,
2
b - вектор (матрица размером 12×1) смещений для нейронов второго уровня,
1
а - выходной вектор (матрица размером 12×1) первого уровня нейронной сети (12 нейронов в уровне),
и - скорректированное значение скорости ультразвука в пробе газа, м/с;
СО2 - значение концентрации диоксида углерода в пробе газа, % об.;
1,1
IW - матрица размером 12×2 входных весовых коэффициентов нейронной сети (весовых коэффициентов первого уровня),
b' - вектор (матрица размером 12×1) смещений для нейронов первого уровня,
Устройство для определения теплоты сгорания природного газа желательно выполнять содержащим блок подготовки газа, выход которого соединен со входом измерительной камеры. При этом целесообразно выполнять заявляемое устройство содержащим входное запирающее устройство, размещенное на входе в блок подготовки, и выходное запирающее устройство, размещенное на выходе измерительной камеры.
3
Нейронную сеть желательно выполнять с возможностью определения значения теплоты сгорания природного газа в Дж/м по следующему выражению:
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 показана функциональная схема заявляемого устройства для определения теплоты сгорания природного газа.
Осуществление полезной модели.
Заявляемое устройство для определения теплоты сгорания природного газа (фиг.1) содержит входное запирающее устройство (10), блок подготовки газа (1), соединенный с измерительной камерой (2), выходное запирающее устройство (11), блок обработки (4), индикатор (5). В измерительной камере (2) размещены датчик концентрации диоксида углерода (3), датчик давления (6), датчик влажности (7), датчик температуры (8) и датчик скорости ультразвука (9).
Входное запирающее устройство (10) размещено на входе в блок подготовки (1) и предназначено для прекращения подачи исследуемого природного газа в заявляемое устройство.
Блок подготовки газа (1) предназначен для очистки исследуемого газа от механических примесей и его осушки перед попаданием в измерительную камеру
(2). Выход блока подготовки газа (1) соединен со входом измерительной камеры (2).
На выходе измерительной камеры (2) установлено выходное запирающее устройство (11), предназначенное для исключения обратного попадания исследованного газа в измерительную камеру (2). Входное (10) и выходное (11) запирающие устройства также предназначены для блокирования подачи газа в измерительную камеру (2) и блок подготовки (1) при проведении сервисных и ремонтных работ.
Выходы всех вышеупомянутых датчиков (3, 6, 7, 8, 9), размещенных в измерительной камере (2), подключены к соответствующим входам блока обработки (4).
Блок обработки (4) выполнен с возможностью корректировки по номограммам сигнала, поступающего от датчика скорости ультразвука (9), на основании сигналов, поступающих от датчиков давления (6), влажности (7) и температуры (8). Блок обработки (4) содержит искусственную нейронную сеть, выполненную с возможностью определения значения теплоты сгорания природного газа по следующим сигналам:
- сигналу, поступающему от датчика концентрации диоксида углерода (3);
- скорректированному сигналу скорости ультразвука.
Математическое выражение искусственной нейронной сети для определения теплоты сгорания природного газа и значения весовых коэффициентов приведены в выражении (В1).
3
Нейронная сеть выполнена с возможностью определения значения теплоты сгорания природного газа в Дж/м по формуле (В2).
Описание работы.
Заявляемое устройство для определения теплоты сгорания природного газа работает следующим образом.
Исследуемый природный газ через открытое входное запирающее устройство (10) попадает в блок подготовки газа (1), в котором проходит его очистка от механических примесей и осушение. Затем газ поступает в измерительную камеру (2). При этом в блок обработки (4) поступают сигналы от следующих датчиков:
- датчик концентрации диоксида углерода (3);
- датчик скорости ультразвука (9);
- датчик давления (6);
- датчик влажности (7);
- датчик температуры (8).
По данным с указанных датчиков в блоке обработки (4) выполняется коррекция значения скорости ультразвука и вычисление значения теплоты сгорания.
Сигнал, соответствующий вычисленному значению теплоты сгорания, поступает в индикатор (5). Индикатор (5) отображает значение теплоты сгорания природного газа.
В заявляемом устройстве для определения теплоты сгорания природного газа заявляемый технический результат: «упрощение устройства, повышение точности получаемого результата и обеспечение возможности непрерывного измерения теплоты сгорания природного газа» достигается за счет того, что устройство содержит измерительную камеру, в которой размещены датчик концентрации диоксида углерода, датчик давления, датчик влажности, датчик температуры и датчик скорости ультразвука. При этом вышеупомянутые датчики соединены с блоком обработки, снабженным информационным выходом значения теплоты сгорания природного газа. При этом блок обработки выполнен с возможностью корректировки сигнала, поступающего от датчика скорости ультразвука, на основании сигналов, поступающих от датчиков давления, влажности и температуры. При этом блок обработки содержит искусственную нейронную сеть, выполненную с возможностью определения значения теплоты сгорания природного газа в условных единицах по сигналу, поступающему от датчика концентрации диоксида углерода, и скорректированному как указано выше сигналу скорости ультразвука по выражению (В1).
Промышленная применимость.
Автором полезной модели изготовлен опытный образец заявленного устройства для определения теплоты сгорания природного газа, испытания которого подтвердили достижение технического результата.
Заявляемое устройство для определения теплоты сгорания природного газа реализовано с применением промышленно выпускаемых устройств и материалов и найдет широкое применение в области контроля физико-химических характеристик природного газа.
В частности, повышение качества контроля природного газа и обеспечение непрерывности такого контроля в сталелитейной промышленности позволяет повысить качество выплавляемой стали.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. Газы горючие природные. Метод определения теплоты сгорания водяным калориметром: ГОСТ 27193-86, М.: Государственный комитет СССР по стандартизации, 1988.
2. Патент США №062236, МПК G01N 25/30, 1977.
3. Газы горючие природные. Расчетный метод определения теплоты сгорания, относительной плотности и числа Воббе: ГОСТ 22667-82, М.: Государственный комитет СССР по стандартизации, 1983.