CN103487121A - 燃气质量测量装置 - Google Patents

Abstract

一种燃气质量测量装置，其特征在于，在密闭腔体内设有高精度的电子天平，在电子天平上装有样品支架，在样品支架上设有燃气罐升降装置和参比罐升降装置，在燃气罐升降装置和参比罐升降装置上设有燃气罐和参比罐；在密闭腔体内装有温度湿度压力传感器；燃气罐通过细径柔性气体管路和四通阀与燃气钢瓶、真空泵和热量计分别连接，在细径柔性气体管路上装有气压计；电子天平、温度湿度压力传感器、四通阀、真空泵和热量计均与工业控制计算机电连接。本发明的优点是，测量结果准确性好，不确定度小。

Description

燃气质量测量装置

技术领域

本发明涉及燃气热值测量设备领域，更具体的涉及一种测量燃气质量的装置。

背景技术

天然气、煤气、液化气、煤层气和生物质气等燃气的热值测量方法包括在线气相色谱法和气体热量计法两类。

气体热量计通过直接燃烧燃气测量燃气热值。常见的气体热量计有两种，即水流式气体热量计和Culter-Hammer气体热量计。水流式气体热量计利用水流吸热方式来测定热值，即燃气在恒定压力下进入本生灯连续燃烧，释放出热量；在热量计内与连续恒温水流进行充分的热交换使水流温度升高；最后可以根据固定时间内流过热量计的水的质量、温升、比热以及燃气的体积来计算燃气热值。

Culter-Hammer热量计则利用空气吸热方式来测定热值，即燃气连续燃烧释放出热量，在热量计内与连续空气流进行充分的热交换使空气流温度升高；最后可以根据固定时间内流过热量计的空气的体积、温升、比热以及燃气的体积来计算燃气的热值。

上述两种热量计采用气体流量计测定燃气的体积，测量不确定度在(0.1％～0.4％)范围内。根据体积换算燃气质量，则燃气质量的测量不确定度在(0.1％～0.4％)范围内。燃气质量测定的不确定度较大，制约了燃气热值测量结果的准确性。

除了上述两种常见的连续燃烧热量计，还有一种间歇燃烧的氧弹式气体热量计。在氧弹式气体热量计中，燃气和氧气被密闭的氧弹中，点火燃烧后热量被氧弹及其周围的水吸收，最后可以根据氧弹热量计的热容量和燃气的体积计算燃气的热值。氧弹式气体热量计用水替代法测量燃气体积，该方法存在***误差，估计体积测量不确定度在(0.1％～0.2％)范围内，亦即质量测量不确定度在(0.1％～0.2％)范围内。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准确测量参与燃烧的燃气质量的装置，用于高精度气体热量计测量燃气热值时燃气质量的测定。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种燃气质量测量装置，其特征在于，在密闭腔体内设有高精度的电子天平，在电子天平上装有样品支架，在样品支架上设有燃气罐升降装置和参比罐升降装置，在燃气罐升降装置和参比罐升降装置上设有燃气罐和参比罐；在密闭腔体内装有温度湿度压力传感器；燃气罐通过细径柔性气体管路和四通阀与燃气钢瓶、真空泵和热量计分别连接，在细径柔性气体管路上装有气压计；电子天平、温度湿度压力传感器、四通阀、真空泵和热量计均与工业控制计算机电连接。

所述的高精度电子天平，最大称样量不小于200g，质量测量分辨率不大于0.01mg；所述的电子天平用于称量燃气罐和参比罐的质量，根据燃气释放前、后燃气罐质量之差，计算从燃气罐释放出来、参与燃烧的燃气的质量。

所述的燃气罐，球型，由壁厚为1.5mm的不锈钢制成；燃气罐储存燃气，压力在(1.5×10⁶Pa～2.4×10⁶Pa)范围内；燃气罐底部由细径柔性气体管路与四通阀相连；所述的参比罐，球型，由壁厚为1.5mm的不锈钢制成，体积与燃气罐体积相同，底部连接细径柔性气体管路。

所述的样品支架，放置在高精度电子天平的称量台上，用于支撑燃气罐或参比罐，以实现燃气罐或参比罐的质量测量。燃气罐升降装置，用于升起或降落燃气罐，当升起燃气罐时，燃气罐与样品支架没有接触，当降落燃气罐时，燃气罐落在样品支架上，可以称量其质量；参比罐升降装置，用于升起或降落参比罐，当升起参比罐时，参比罐与样品支架没有接触，当降落参比罐时，参比罐落在样品支架上，可以称量其质量。

所述的密闭腔体，由不锈钢制成，其长宽高为600mm×600mm×600mm，其正面有带观察窗的平开门；密闭腔体放置在隔振台上；密闭腔体内放置高精度电子、样品支架、燃气罐、参比罐和温度湿度压力传感器等。

所述的温度湿度压力传感器，用于测量密闭腔体内空气的温度、湿度和压力，用于计算空气密度；温度湿度压力传感器与计算机连接，可向计算机传递实时温度、湿度和压力数据。

所述的气压计，安装在燃气罐通向四通阀的细径柔性气体管路上，用于测量管路内气体压力；所述的细径柔性气体管路，其内径不大于1.5mm，非金属材料制成，耐压超过3×10⁶Pa；所述的四通阀，同时连接燃气罐、燃气钢瓶、气体热量计和真空泵。

所述燃气钢瓶，体积为40L，储存可燃性纯气体或混合气体，气体压力在(3×10⁶Pa～1.5×10⁷Pa)；所述的气体热量计，为间歇燃烧气体热量计；所述的真空泵，由分子泵和机械泵串联组成，可将燃气罐抽真空至气压小于1×10^-5Pa。

所述工业控制计算机，用于控制四通阀和真空泵的开关，用于采集高精度电子天平、温度湿度压力传感器、气压计和气体热量计测量数据，用于计算气体密度和燃气罐释放出来的、参与燃烧的燃气的质量。

本发明的优点是，结构简单，操作方便，测量结果准确性好，不确定度小。

附图说明

图1是燃气质量测量装置的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明一种燃气质量测量装置，其特征在于，在密闭腔体内设有高精度的电子天平2，在电子天平2上装有样品支架3，在样品支架3上设有燃气罐升降装置6和参比罐升降装置4，在燃气罐升降装置6和参比罐升降装置4上设有燃气罐8和参比罐5；在密闭腔体9内装有温度湿度压力传感器7；燃气罐8通过细径柔性气体管路和四通阀11与燃气钢瓶12、真空泵14和热量计13分别连接，在细径柔性气体管路上装有气压计10；电子天平2、温度湿度压力传感器7、四通阀11、真空泵14和热量计13均与工业控制计算机1电连接。

所述的高精度电子天平2，最大称样量不小于200g，质量测量分辨率不大于0.01mg；所述的电子天平2用于称量燃气罐8和参比罐5的质量，根据燃气释放前、后燃气罐质量之差，计算从燃气罐释放出来、参与燃烧的燃气的质量。

所述的燃气罐8为球形，由壁厚为1.5mm的不锈钢制成；燃气罐8储存燃气，压力在(1.5×10⁶Pa～2.4×10⁶Pa)范围内；燃气罐8的底部由细径柔性气体管路与四通阀11相连；所述的参比罐5为球形，由壁厚为1.5mm的不锈钢制成，体积与燃气罐8的体积相同，底部连接细径柔性气体管路。

所述的样品支架3，放置在高精度电子天平2的称量台上，用于支撑燃气罐8或参比罐5，以实现燃气罐8或参比罐5的质量测量。燃气罐升降装置6，用于升起或降落燃气罐8，当升起燃气罐8时，燃气罐8与样品支架3没有接触，当降落燃气罐8时，燃气罐8落在样品支架3上，可以称量其质量；参比罐升降装置4，用于升起或降落参比罐5，当升起参比罐5时，参比罐5与样品支架3没有接触，当降落参比罐5时，参比罐5落在样品支架3上，可以称量其质量。

所述的密闭腔体9，由不锈钢制成，其长宽高为600mm×600mm×600mm，其正面有带观察窗的平开门；密闭腔体9放置在隔振台(未图示)上；密闭腔体9内放置高精度电子天平2、样品支架3、燃气罐8、参比罐5和温度湿度压力传感器7等。

所述的温度湿度压力传感器7，用于测量密闭腔体9内空气的温度、湿度和压力，用于计算空气密度；温度湿度压力传感器7与计算机1连接，可向计算机1传递实时温度、湿度和压力数据。

所述的气压计13，安装在燃气罐8通向四通阀11的细径柔性气体管路上，用于测量管路内气体压力；所述的细径柔性气体管路，其内径不大于1.5mm，非金属材料制成，耐压超过3×10⁶Pa；所述的四通阀11，其四端分别连接燃气罐8、燃气钢瓶12、气体热量计13和真空泵14，根据需要在各路之间转换(由计算机1自动控制)。

所述燃气钢瓶12，体积为40L，储存可燃性纯气体或混合气体，气体压力在(3×10⁶Pa～1.5×10⁷Pa)；所述的气体热量计13，为间歇燃烧气体热量计；所述的真空泵14，由分子泵和机械泵串联组成，可将燃气罐抽真空至气压小于1×10^-5Pa。

所述工业控制计算机1，用于控制四通阀11和真空泵14的开关，用于采集高精度电子天平2、温度湿度压力传感器7、气压计10和气体热量计13测量数据，用于计算气体密度和燃气罐释放出来的、参与燃烧的燃气的质量。

本发明的核心是提供了一种燃气质量测量装置，能够有效提高燃气质量测量结果的准确性。下面结合附图对本发明的具体工作过程和原理加以说明。

首先，温度湿度压力传感器7测定密闭腔体9内的空气温度(T)、湿度(h)和大气压力(P)，数据传输给工业控制计算机1，按照如下公式计算空气密度。

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}=\frac{c_1}{T}[P-c_2\mathrm{hexp}({\mathrm{AT}}^2+\mathrm{BT}+C+\frac{D}{T})]---\left(1\right)$

式中：ρ_air——空气密度，mg/cm³；

P——密闭腔体内大气压力，Pa；

T——密闭腔体内空气温度，K；

h——相对湿度，％；

c₁、c₂——参数，c₁＝3.48488×10^-3，c₂＝0.37952；

A、B、C和D——均为参数，A＝1.23788×10^-5，B＝-1.91213×10^-2，C＝33.93711，D＝-6.34316×10³。

在测量过程中，空气温度、湿度和大气压力的变化较小，空气密度变化也较小，因此可以在测量质量的过程中取多次空气密度测量结果的平均值作为空气密度值。在测量过程中，每一次升降参比罐升降装置4或样品罐升降装置6，都需要开启密闭腔体，进行手动操作，操作后关闭腔体，读取天平，温度湿度压力传感器和气压计的读数；密闭腔体的主要作用是，保证天平周围环境无空气流动干扰，保证温度，压力和湿度的相对稳定。

其次，用质量已知的砝码标定高精度电子天平2的斜率(e)。降下参比罐升降装置4，将参比罐5降落在样品支架3(样品支架3安放在天平2的样品盘上，有上下两层，上层放置样品罐(即燃气罐8)，下层放置参比罐5)上，待天平示数稳定后，使天平读数归零；然后在天平上加上一个质量为1.000g的砝码，待天平稳定后读取天平示数(m)。天平的斜率(即1.000g的砝码产生的斜率)按如下公式计算：

$M-\frac{M}{{\mathrm{\ρ}}_M}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}=\mathrm{em}---\left(2\right)$

$e=\frac{M-\frac{M}{{\mathrm{\ρ}}_M}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}}{m}---\left(3\right)$

式中：M——砝码在真空中的质量，g；

ρ_air——空气密度，mg/cm³；

ρ_M——砝码密度，mg/cm³

m——天平示数，g；

e——天平的斜率。

再次，测量燃气释放前燃气罐8质量。工业控制计算机1控制四通阀11，使得燃气罐8和真空泵14连接；工业控制计算机1控制真空泵14开启，将燃气罐8抽真空至气压低于1×10^-4Pa；工业控制计算机1控制四通阀11，使得燃气罐8和燃气钢瓶12连接；打开燃气钢瓶12，燃气充入燃气罐8，气体压力达到2.4×10⁶Pa时关闭燃气钢瓶12；降下燃气罐升降装置6，将燃气罐8降落在样品支架3上，测量其质量m_s；升起燃气罐升降装置6，托起燃气罐8；降下参比罐升降装置4，将参比罐5降落在样品支架3上，测量其质量m_R。以上测量均在天平2上进行，参比罐升降装置4和燃气罐升降装置6分别采用叉式托架(能够将样品罐8和参比罐5托起即可)，可以是手动也可以是自动装置，自动的升降装置用升降装置(电动、液压或气动装置)自动将托架升降。

当称量燃气罐8时，满足公式(4)：

em_S＝W_S-V_Sρ_air   (4)

当称量参比罐5时，满足公式(5)：

em_R＝W_R-V_Rρ_air   (5)

式中：m_S——测量燃气罐时天平的读数，g；

W_S——燃气罐的真实质量，g；

V_S——燃气罐的体积，cm³；

m_R——测量参比罐时天平的读数，g；

W_R——参比罐的真实质量，g；

V_R——参比罐的体积，cm³。

样品罐8和参比罐5的质量差(ΔW)为：ΔW＝W_S-W_R。

所以，对于本次测量(1)，样品罐8和参比罐5的质量差为：

ΔW₁＝e₁(m_S，1-m_R，1)+ρ_air，1(V_S，1-V_R，1)＝e₁Δm₁+ρ_air，1ΔV₁   (6)

式中，ΔW₁是燃气释放前样品罐和参比罐质量之差，g；

Δm₁是燃气释放前样品罐和参比罐天平示数之差，g；

ΔV₁是燃气释放前样品罐和参比罐体积之差，cm³。

再次，测量燃气释放后燃气罐8的质量。用工业控制计算机1控制四通阀11，使燃气罐8和热量计13连通，燃气从燃气罐8流入热量计13，燃气被点燃后持续燃烧，燃烧产生的热量由热量计13进行准确测量；燃烧持续一定时间后，用工业控制计算机1控制四通阀11关闭，燃气释放停止，燃烧结束。测量燃气释放后燃气罐8的质量和参比罐5的质量(测量2)。因为燃气释放前后两次测量燃气罐8质量，因此释放的燃气质量为：

w＝ΔW₁-ΔW₂

w＝(e₁Δm₁-e₂Δm₂)+(ΔV₁ρ_air，1-ΔV₂ρ_air，2)   (7)

式中，w是释放的燃气的质量，g；

Δw₂是燃气释放后样品罐和参比罐质量之差，g；

Δm₂是燃气释放后样品罐和参比罐天平示数之差，g；

ΔV₂是燃气释放后样品罐和参比罐体积之差，cm³。

ΔV₁＝V_S，1-V_R，1＝(V_S，0+KP₁)-V_R，0   (8)

ΔV₁-ΔV₂＝K(P₁-P₂)＝KΔP   (9)

因此公式(7)进一步简化为：

w＝e(Δm₁-Δm₂)+KΔPρair   (10)

式中，V_S，0是燃气罐常压下的体积，cm³；

K是燃气罐的承受单位压力后产生的体积变化，cm³/Pa；

P₁是燃气释放前燃气罐的压力，Pa；

P₂是燃气释放后燃气罐的压力，Pa；

ΔP是燃气释放前后燃气罐压力的变化，Pa。

再次，细径柔性气体管路内的气体质量无法通过天平称量，因此还应对细径柔性气体管路内的气体质量进行计算。燃气释放前管路内的气体压力为P₁，燃气释放后管路内的气体压力为P₂，P₁和P₂通过安装在细径柔性气体管路上的气压计10检测。管路内气体质量的变化(Δm_Pipeline)为：

${\mathrm{\Δm}}_{\mathrm{Pipeline}}=\frac{(P_1-P_2)V_{\mathrm{pipeline}}M}{\mathrm{RT}}=\frac{{\mathrm{\ΔPV}}_{\mathrm{pipeline}}M}{\mathrm{RT}}---\left(11\right)$

式中，Δm_Pipeline为燃气释放前后，管路中气体质量的变化，g；

V_pipeline为管路的体积，cm³；

M为燃气的分子量，g/mol；

R为气体常数，8.314J/mol·K；

T为密闭腔体内的温度，K。

则释放出来的参与燃烧的气体质量修正值(w’)为：

$w^{\′}=w+{\mathrm{\Δm}}_{\mathrm{pipeline}}=e({\mathrm{\Δm}}_1-{\mathrm{\Δm}}_2)+\mathrm{K\ΔP\ρair}+\frac{{\mathrm{\ΔPV}}_{\mathrm{pipeline}}M}{\mathrm{RT}}$

式中，w’是参与燃烧的气体质量修正值，g。

最后，需要说明的是本发明测量燃气质量的不确定度。经过评定(评定的方法是公知技术)，综合考虑来自测量结果重复性的A类不确定度，以及来自测量结果重复性之外的B类不确定度，最终在燃气质量约为1g的情况下，燃气质量测量的扩展不确定度约为0.02％(扩展因子k＝2)。

以上对本发明提供的一种燃气质量测量装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种燃气质量测量装置，其特征在于，在密闭腔体内设有高精度的电子天平，在电子天平上装有样品支架，在样品支架上设有燃气罐升降装置和参比罐升降装置，在燃气罐升降装置和参比罐升降装置上设有燃气罐和参比罐；在密闭腔体内装有温度湿度压力传感器；燃气罐通过细径柔性气体管路和四通阀与燃气钢瓶、真空泵和热量计分别连接，在细径柔性气体管路上装有气压计；电子天平、温度湿度压力传感器、四通阀、真空泵和热量计均与工业控制计算机电连接。

2.根据权利要求1所述的燃气质量测量装置，其特征在于，所述的电子天平的最大称样量不小于200g，质量测量分辨率不大于0.01mg；所述的电子天平用于称量燃气罐和参比罐的质量，根据燃气释放前、后燃气罐质量之差，由工业控制计算机计算从燃气罐释放出来、参与燃烧的燃气的质量。

3.根据权利要求1所述的燃气质量测量装置，其特征在于，所述的燃气罐和参比罐为球形，由壁厚为1.5mm的不锈钢制成，两者体积相同；燃气罐储存燃气，压力在1.5×10⁶Pa～2.4×10⁶Pa范围内；燃气罐底部由细径柔性气体管路与四通阀相连。

4.根据权利要求1所述的燃气质量测量装置，其特征在于，所述的样品支架放置在高精度电子天平的称量台上，用于支撑燃气罐或参比罐，以实现燃气罐或参比罐的质量测量；

所述的燃气罐升降装置用于升起或降落燃气罐，当升起燃气罐时，燃气罐与样品支架没有接触，当降落燃气罐时，燃气罐落在样品支架上，可以称量其质量；

所述的参比罐升降装置，用于升起或降落参比罐，当升起参比罐时，参比罐与样品支架没有接触，当降落参比罐时，参比罐落在样品支架上，可以称量其质量。

5.根据权利要求1所述的燃气质量测量装置，其特征在于，所述的密闭腔体由不锈钢制成，其长宽高为600mm×600mm×600mm，其正面有带观察窗的平开门；密闭腔体放置在隔振台上。

6.根据权利要求1所述的燃气质量测量装置，其特征在于，所述的温度湿度压力传感器用于测量密闭腔体内空气的温度、湿度和压力；并向计算机传递测量的实时温度、湿度和压力数据。

7.根据权利要求1所述的燃气质量测量装置，其特征在于，所述的气压计安装在燃气罐通向四通阀的细径柔性气体管路上，用于测量管路内气体压力；所述的细径柔性气体管路其内径不大于1.5mm，非金属材料制成，耐压超过3×10⁶Pa；所述的四通阀为三位四通阀，能够分别在燃气罐与燃气钢瓶、气体热量计或真空泵之间转换。

8.根据权利要求1所述的燃气质量测量装置，其特征在于，所述的燃气钢瓶的体积为40L，储存可燃性纯气体或混合气体，气体压力在3×10⁶Pa～1.5×10⁷Pa；所述的气体热量计为间歇燃烧气体热量计；所述的真空泵由分子泵和机械泵串联组成，能够将燃气罐抽真空至气压小于1×10^-5Pa。

9.根据权利要求1所述的燃气质量测量装置，其特征在于，所述工业控制计算机用于控制四通阀和真空泵的开关，用于采集电子天平、温度湿度压力传感器、气压计和气体热量计测量数据，用于计算气体密度和燃气罐释放出来的、参与燃烧的燃气的质量。

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