Способ определения расхода газовой смеси и газовый счетчик - RU2283479C2

Чертежи

Описание

Область техники

Изобретение относится к способу определения расхода газовой смеси и к газовому счетчику согласно ограничительной части п.1 или п.8 формулы изобретения. Способ и газовый счетчик предназначены, в частности, для применения в бытовой и промышленной сферах, в частности для определения количества получаемого природного газа.

Уровень техники

В настоящее время счета за пользование газом, в частности в бытовой и промышленной сферах, составляются исключительно на основе объема получаемого газа. Поэтому применяются преимущественно газовые счетчики, основанные на непосредственном измерении объема протекаемого газа, причем ими производится частичная компенсация погрешностей замера, вызванных температурными колебаниями.

Вероятно наиболее широко применяемым газовым счетчиком является так называемый сильфонный газовый счетчик в том виде, как он описан в U.Wernekinck, Gasmessung und Gasabrechnung, Vulkan-Verl., 1996, 20-31 (У.Вернекинк, Замер газа и расчет оплаты за него, изд-во "Вулкан", 1996 г., стр.20-31). Сильфонный газовый счетчик содержит две измерительные камеры, которые последовательно и попеременно наполняются потоком газа и снова опорожняются. В то время пока одна камера наполняется, в другой камере она вытесняет газ. Заполнения и опорожнения считают и после умножения на объем измерительной камеры получают общий объем протекшего газа. Однако вследствие того, что объем газа варьируется с изменением температуры окружающей среды и давления, то такие измерения подвержены погрешностям. В летний период, когда газ теплый и имеет больший объем, потребитель платит за один и тот же калориметрический показатель газа больше, чем в зимний период. Поэтому для современных сильфонных газовых счетчиков предусмотрены простые механические или электрические устройства температурной компенсации, правда, на практике они применяются редко. Однако колебания давления во внимание не принимаются.

Из WO 99/06800 известен газовый счетчик, определяющий объемный расход. Для этого в газовой трубке с помощью первого термистора определяют режим охлаждения, а с помощью второго - текущую температуру газа и выводят отсюда расход газовых молекул. Кроме того, в трубке расположена ячейка, в которой определяют режим охлаждения газа в состоянии покоя. В результате можно получить при эксплуатации газопровода в любой момент тарировочный показатель. На основе режима охлаждения, определенного с помощью первого термистора, посредством такого тарировочного показателя можно снова определить объемный расход.

Несмотря на все такие компенсации газовые счетчики, основанные на объемных замерах, постоянно характеризуются погрешностями и приводят к составлению неправильных счетов за пользование газом. Кроме того, принцип расчета оплаты, основанный на объемном расходе, является несправедливым по отношению к потребителю. Ведь его потребление газа определяется не объемом, а количеством газа, т.е. потребленной массой газа, а также его качеством, т.е. его теплотворной способностью. Чем плотнее и качественнее газ, тем его меньший объем требуется для достижения того же кпд, будь то при обогреве, получении горячей воды или приготовлении пищи.

Поэтому в еще не опубликованной заявке №19908664.8 на патент Германии описан газовый счетчик, которым определяется расход газовой массы и, следовательно, учитывается плотность газа. Для этого используется преимущественно анемометр, известный из F.Mayer et al., Single-Chip CMOS Anemometer, Proc. IEEE, International Electron Devices Meeting (IEDM, 1997), 895-898 (Ф.Майер и др. Однокристальные анемометры, полученные по КМОП-технологии, труды IEEE, Международный конгресс по электронным устройствам, 1997 г., стр.895-898). Раскрытие содержания этих обоих документов является частью приводимого ниже описания.

Однако в описанных выше газовых счетчиках колебания качества газа не учитываются. Такие колебания значительны, прежде всего, в природном газе и обусловлены главным образом тем, что природный газ каждого источника имеет другой состав. Однако по газопроводу потребителю подается смесь газов из разных источников, причем соотношение компонентов смеси может сильно варьироваться в зависимости от предложения.

Из уровня техники известны, правда, приборы, учитывающие теплотворную способность газа и определяющие энергопотребление. Так, например, в WO 00/11465 раскрыт энергоизмерительный прибор, который, с одной стороны, содержит сильфонный газовый счетчик для измерения объема и, с другой стороны, устройство для определения калориметрического показателя газа, причем это калориметрическое измерительное устройство основано на акустическом измерительном принципе. Также и в US-A-6047589 раскрыт энергоизмерительный прибор, которым определяются объемный расход и калориметрический показатель газа, при этом оба вида измерений основаны на акустическом эффекте. Оба энергоизмерительных прибора градуированы для объемного измерения, причем замеренную на месте, текущую теплотворную способность они компенсируют замеренной величиной объема для получения необходимого энергетического показателя.

Такие энергоизмерительные приборы устроены относительно сложно и должны обеспечивать как объемное измерение и определение теплотворной способности, так и определение связи между обоими полученными замеренными величинами. Поэтому подобные приборы являются слишком дорогими для их применения в качестве обычных газовых счетчиков в бытовой и промышленной сферах.

Из ЕР 0665953 В1 известен способ определения теплотворной способности горючего газа, который отличается тем, что точно определенное количество газа пропускают через детекторное устройство, полученный сигнал интегрируют, определенную таким образом величину сравнивают со значениями на калибровочной кривой и по этим данным вычисляют теплотворную способность.

В качестве детектора предпочтительно используют детектор углеводорода, основанный на каталитическом горении, в частности детектор метана. Такие детекторы имеются в продаже и содержат, в том числе, камеру сгорания, в которой размещена температурочувствительная проволока (резистор) высокого сопротивления, на которую нанесен катализатор для каталитического сжигания углеводородов. Если эта проволока контактирует с горючим газом, происходит горение, вследствие чего сопротивление проволоки изменяется. Это изменение может быть обнаружено, например, с помощью моста Уинстона.

Было установлено, что через такой детектор можно пропускать известное количество газа и по результатам измерений получать надежные данные по теплотворной способности. Этот результат является неожиданным, поскольку работа таких детекторов основана на сжигании не всего количества газа, а только его части. Однако было обнаружено, что сигнал такого детектора можно использовать для получения надежных результатов измерений.

Таким образом, если точно известное количество горючего газа, например природного газа, пропускают через детектор углеводородов, то результат, полученный после интегрирования сигнала, т.е. после определения площади под кривой сигнала, представляет собой величину, которая при сравнении, проведенном по калибровочной кривой, точно показывает теплотворную способность газа.

Важным преимуществом данного способа является простота, скорость и точность, с которой можно проводить определение указанных параметров. Такое определение можно осуществлять в пределах нескольких десятков секунд. Это может быть очень важным, в особенности, для процесса контроля потребления газа в больших объемах. Точность определения теплотворной способности, как это представляется, очень хорошая, при этом ошибка составляет менее чем 0,05%.

В соответствии с данным изобретением газ, теплотворная способность которого определяется, может быть направлен из основной линии в трубопровод для отбора пробы, после чего трубопровод для пробы отсекают от основной линии и сообщают с линией для пробного потока, после чего содержимое канала для пробы полностью пропускают через детектор. В случае необходимости поток газа может быть разбавлен. Способ согласно изобретению может быть легко осуществлен с помощью большого количества клапанов, например с помощью двух четырехходовых клапанов, которые подключены так, как показано на чертеже. Конечно, можно также использовать и другие конструкции, например двух-, трех- или шестиходовые клапаны. Такие системы могут успешно управляться с помощью компьютера, который обеспечивает не только регулирование аппаратуры, но также и расчет величины теплотворной способности и/или индекса Воббе.

Кроме того, могут быть использованы и другие средства, обеспечивающие подачу в измерительное устройство точного количества газа. Например, может быть создана система, основанная на импульсной технике. Поэтому возможна также подача газа в детектор импульсами. В этом случае может быть получен синусоидальный измерительный сигнал, амплитуда которого является мерой теплотворной способности.

Данное изобретение может быть использовано для определения теплотворной способности различных видов горючих газов. Примерами таких газов являются природный газ, синтез-газ, топочный газ, нефтезаводской газ и пиролизный газ.

Кроме того, описано устройство для определения теплотворной способности горючего газа, включающее детектор, средства для подачи точно определенного количества газа к детектору, средства для определения сигнала детектора, средства интегрирования определенного таким образом сигнала и средства для сравнения интегрированного сигнала с калибровочными значениями и вычисления теплотворной способности газа.

Раскрытие сущности изобретения

Поэтому задачей изобретения является создание способа определения расхода газовой смеси и газового счетчика указанного выше типа, которые позволяют просто измерять количество получаемого газа с учетом его теплотворной способности и которые, следовательно, пригодны для применения в бытовой и промышленной сферах.

Указанная задача решается способом и газовым счетчиком благодаря признакам, приведенным в п.1 или п.8 формулы изобретения.

Способ согласно изобретению основан на знании того, что при измерении расхода, в частности массового расхода, сигнал блока обработки результатов изменяется в зависимости от калориметрического показателя или теплотворной способности газа. При этом указанная зависимость характеризуется постоянным отношением, которое в первом упорядочении представляет собой пропорциональное соотношение. В результате становится возможным градуировать газовый счетчик согласно изобретению непосредственно в качестве энергоизмерительного прибора.

Дополнительные поправки, учитывающие колебания состава газовой смеси, могут вноситься независимо от измерения газовым счетчиком. Определение необходимой для этого теплотворной способности фактически полученной газовой смеси производится наружным блоком, расположенным отдельно от места нахождения газового счетчика.

Предпочтительно, чтобы блоком для определения теплотворной способности не оснащался каждый газовый счетчик. Достаточно наличия одного наружного блока, обеспечивающего несколько потребителей и, следовательно, газовые счетчики, подключенные к одной газовой сети, необходимыми данными о теплотворной способности получаемой газовой смеси.

В предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению упомянутый наружный блок обеспечивает газовый счетчик данными о теплотворной способности, и на основе этих данных газовый счетчик сам вносит поправку в замеренное значение энергопотребления.

В другом предпочтительном варианте осуществления способа газовый счетчик передает величину энергопотребления или суммированную за определенный отрезок времени величину энергопотребления в центральный пост управления, в котором эта величина корректируется на основании данных о теплотворной способности поступившей газовой смеси за этот отрезок времени.

Другие предпочтительные варианты осуществления изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Ниже предмет изобретения более подробно поясняется с помощью предпочтительного примера осуществления, представленного на приложенных чертежах. На них изображают:

фиг.1 - вырыв газопровода с газовым счетчиком согласно изобретению;

фиг.2 - сравнение отклонений среднемесячных значений теплотворной способности природного газа и соответствующие изменения величин, замеренных газовым счетчиком согласно изобретению;

фиг.3а - погрешность замеренной величины против фактического энергетического показателя газа при объемном измерении;

фиг.3b - то же, при измерении потока массы;

фиг.3с - то же, при измерении потока энергии согласно изобретению.

Способы осуществления изобретения

На фиг.1 показан газопровод с газовым счетчиком согласно изобретению. Газопровод состоит из магистрали 1, связанной с наружным, не показанным трубопроводом газовой сети. Магистраль 1 имеет трубное сужение 10 определенного сечения или другое, заведенное в магистраль 1 средство для достижения точно заданного падения давления. По газопроводу протекает газ. Как правило, он представляет собой газовую смесь, действительный состав которого меняется. Например, применительно к природному газу это происходит в том случае, когда его три основных компонента: метан, пропан и этан в зависимости от происхождения газа имеют другой весовой коэффициент. Однако эти три основных горючих компонента имеют также разную теплотворную способность, вследствие чего соответственно колеблется и теплотворная способность результирующей газовой смеси.

Существует газовый счетчик, содержащий анемометр 2 для определения массового расхода газа, а также блок обработки результатов. Анемометр 2 в простом варианте выполнения расположен непосредственно в магистрали 1. Однако в изображенном предпочтительном варианте выполнения от магистрали 1 ответвляется байпасная труба 11, образующая байпас для трубного сужения 10. В этой байпасной трубе располагается измерительное средство 2. Предпочтительно, чтобы анемометр был изготовлен по КМОП-технологии с поликремневой структурой в виде многослойной конструкции, как он описан в публикациях J.Robadey et al., Two dimensional integrated gas flow sensors by CMOS IC technology (Двухразмерные интегрированные, изготовленные по КМОП-технологии датчики расхода газа), ж. "Mecromech. Microeng.", 5, 1995 г., стр.243-250; F.Mayer et al., Scaling of thermal CMOS gas flow microsensors: experiment and simulation, Proc. IEEE Micro Electro Machanical Systems, (IEEE, 1996), 116-121 (Ф.Майер и др. "Градуировка тепловых, изготовленных по КМОП-технологии микродатчиков газового расхода: эксперименты и моделирование", труды IEEE "Электромеханические микросистемы", (IEEE, 1996 г.), стр.116-121; F.Mayer et al., Single-Chip CMOS Anemometer, Proc. IEEE, International Electron Devices Meeting (IEDM, 1997), 895-898 ((Ф.Майер и др., "Однокристальные анемометры, полученные по КМОП-технологии", труды IEEE, Международный конгресс по электронным устройствам, 1997 г., стр.895-898), и как он предложен в упомянутой выше неопубликованной заявке №19908664.8 в качестве газового счетчика.

Анемометр 2 содержит нагревательный элемент и по одному температурному датчику, установленному в направлении потока на одинаковом расстоянии от нагревательного элемента перед и после него. Измеряемый газ протекает по поверхности измерительного средства 2 и нагревается нагревательным элементом. Температурными датчиками измеряется температура или разность температур газа в направлении потока перед и после нагревательного элемента, при этом получают сигнал S датчика в форме сигнала U напряжения, который пропорционален разнице ΔТ температур. Теплопередача определяется количеством молекул на единицу объема и, следовательно, газовой массой. Кроме того, она зависит также от теплотворной способности газовой смеси, т.е. от вида или состава газовой смеси.

Согласно изобретению используется знание того, что сигнал блока обработки результатов меняется в зависимости от калориметрического показателя газовой смеси. Это используется при градуировании прибора в качестве прибора для объемного измерения и более широко при градуировании прибора в качестве измерителя массового расхода. На фиг.2 показана такая зависимость. При этом CW означает процентное отклонение среднемесячных показателей от среднегодовых показателей теплотворной способности природного газа. Как отсюда видно, теплотворная способность колеблется приблизительно на 2%. Также показано и обозначено через ΔS изменение сигнала S датчика, полученного с помощью описанного выше измерительного средства 2 для постоянного газового потока. Можно видеть, что сигнал блока обработки результатов изменяется в том же направлении и даже почти пропорционально теплотворной способности. Такое соотношение действительно не только для среднемесячных показателей, но и, само собой разумеется, для текущих значений, т.е. для любого малого временного отрезка.

Согласно изобретению газовый счетчик или средство для определения массового расхода можно градуировать или тарировать в качестве энергоизмерительного прибора. В этом случае действуют следующим образом.

На первой операции определяют количество N значений

сигнала датчика в зависимости от объемного или массового расхода эталонного газа, причем это проводится в нормальных условиях, т.е. при определенных температуре (например, 20°С) и давлении (например, 1 бар). Как указано выше, при использовании анемометра измерительного средства 2 такие значения сигнала датчика пропорциональны массовому расходу газа. Значения сигнала датчика преобразуются и хранятся в памяти блока обработки результатов газового счетчика в виде эталонной кривой в виде расхода в зависимости от сигнала S датчика.

В качестве эталонного газа используется преимущественно азот N₂ или воздух.

На второй операции умножают эталонную кривую

на пересчетный коэффициент сигнала и на коэффициент Н_CH теплоты сгорания базовой газовой смеси, помеченной индексом СН, и снова вводят в память. При этом пересчетным коэффициентом сигнала является пересчетный коэффициент, который учитывает разницу чувствительности анемометра 2 при использовании базовой газовой смеси вместо эталонного газа, в данном случае азота. Коэффициент теплоты сгорания Н_CH учитывает теплотворную способность этой исходной газовой смеси, т.е. его калориметрический показатель или теплоту сгорания на единицу расхода, т.е. на стандартный объем или на 1 кг. В качестве базовой газовой смеси используется преимущественно усредненная газовая смесь, типичная для области применения газового счетчика.

Полученное произведение выражает работу Р в зависимости от сигнала S датчика:

которая указывает на текущий расход газа в качестве энергии в единицу времени. Следовательно интегрированием возможно определить расход энергии Е за определенный промежуток времени:

Таким образом газовый счетчик градуируется в качестве прибора для измерения производительности или энергии на основе базовой газовой смеси. При его работе автоматически, по меньшей мере частично, учитываются временные колебания состава расходуемой газовой смеси, т.е. отклонения от состава исходной газовой смеси, в результате соответствующего колебания сигнала S датчика. При этом отпадает необходимость в текущей актуализации временно колеблющейся фактической теплоты сгорания Н или ее отклонения от теплоты сгорания Н_CH базовой газовой смеси.

Как показано на фиг.2, учитывание временных колебаний состава газа, обеспечиваемое градуировкой согласно изобретению, хотя и является качественно правильным, но количественно не является совершенным. Дальнейшее улучшение достигается в результате того, что вместо теплоты сгорания Н_CH базовой газовой смеси применяется теплота сгорания

, в которой по меньшей мере приближенно учитывается теплотворная способность фактически поступившей газовой смеси. Значение можно получить, например, образованием соответствующего среднего показателя за период любой длительности. Для определения фактически полученной энергии величину расхода энергии, замеренную и эталонированную на основе базовой газовой смеси, умножают на поправочный коэффициент .

Предпочтительно определять теплотворную способность

расчетно или экспериментально в наружном блоке. Этот блок не должен устанавливаться у соответствующего потребителя, поскольку для всей потребительской сети применяется только один блок. Он может входить в состав центрального поста управления или быть связанным с ним средствами коммуникации. Для определения теплотворной способности могут применяться известные средства. При этом предпочтительно, чтобы применялись точные и дорогие измерительные средства, так как требуется всего лишь один прибор. Таким образом указанный наружный блок замеряет в каждый или определенный момент времени теплотворную способность протекающей по потребительской сети газовой смеси и хранит ее в своей памяти.

В варианте осуществления изобретения наружный блок подает в каждый газовый счетчик потребительской сети данные о теплотворной способности

получаемой газовой смеси. Это может производиться в заданные интервалы времени или при значительном изменении газовой смеси. В этом варианте осуществления газовый счетчик содержит вычислительные элементы для корректировки замеренной величины энергопотребления данными о теплотворной способности. При этом указанные данные состоят из поправочного коэффициента, теплотворной способности или кода, сопоставимого с поправочным коэффициентом. В предпочтительном варианте осуществления газовый счетчик интегрирует замеренную величину энергопотребления за определенный промежуток времени i, например за неделю или месяц, и умножает ее на поправочный коэффициент , содержащий теплотворную способность , усредненную за промежуток времени i. В результате для фактического потребления энергии в течение отрезков времени m получают:

и если дополнительно усредняются пересчетные коэффициенты сигнала, то

В другом варианте осуществления способа газовый счетчик передает замеренную величину энергопотребления в центральный пост управления, в котором эта величина энергопотребления умножается на поправочный коэффициент. Если в центральном посту управления отсутствует наружный блок, то он передает данные о теплотворной способности полученной газовой смеси в центральный пост. Предпочтительно, чтобы газовый счетчик и/или наружный блок суммировал или интегрировал свои измеренные величины за определенный промежуток времени и передавал интегрированное значение в центральный пост управления.

Во всех вариантах осуществления корректировка измеренной величины энергопотребления может проводиться в любой момент, в том числе и при считывании показания счетчика.

Способ и газовый счетчик согласно изобретению позволяют производить благодаря непосредственной градуировке в качестве прибора для измерения энергопотребления дешево и правильно расчет оплаты за пользование газом. Точный метод измерения представлен на фигурах 3а-3с. На этих фигурах можно видеть, насколько велико отклонение замеренной энергетической величины от фактической энергетической величины газовой смеси. При этом на фиг.3а представлена ситуация, при которой газовый счетчик градуирован для измерения объемного расхода газа.

Показан объемный расход

в зависимости от энергии Е. В этом случае для обычного сильфонного измерительного прибора без дополнительной температурной компенсации. Если таким прибором на основании объемного расхода определяется соответствующая энергия газа, то погрешность может составлять до ±18%. Основными причинами погрешности являются температурные колебания, составляющие, как правило, не более около ±10%, и колебания давления не более около ±5%. На фиг.3b показана погрешность измерения, вызванная градуировкой на основе массового расхода, например, с помощью описанного выше измерительного средства 2. Показан расход массы в зависимости от энергии Е. Максимальная погрешность составляет приближенно ±4%, причем около 2% погрешности вызваны измерительным прибором и остальные около 2% - временным колебанием состава газовой смеси или теплоты сгорания. На фиг.3с показана погрешность измерения при использовании упомянутого выше измерительного средства 2, градуированного согласно изобретению на основании расхода энергии. Показан расход энергии или работа в зависимости от энергии Е. Как видно из фигур, прибор, градуированный непосредственно на основании измерения расхода энергии, наиболее полно воспроизводит действительность, так как в данном случае анемометр автоматически поправляет колебания состава газовой смеси в надлежащем направлении расхода энергии.

Реферат

Изобретения предназначены для определения количества получаемого природного газа. Счетчик газа градуирован в качестве энергоизмерительного прибора и содержит анемометр для определения массового расхода газа и блок обработки результатов. Градуировка производится на основе базовой газовой смеси. При измерении расхода газа измеренное значение энергопотребления умножается на поправочный коэффициент, в котором учтена теплотворная способность полученной газовой смеси. Указанная теплотворная способность определяется наружным блоком. Изобретения позволяют определять с помощью простого и дешевого газового счетчика фактическое энергопотребление расходуемого газа и выполнять расчет оплаты в соответствии с полученным количеством. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула