CN103616313B - 一种气体密度在线测量方法 - Google Patents

Abstract

一种气体密度在线测量方法，它利用一个测量装置完成参数测量，所述测量装置由恒流器、节流器、差压传感器和计算机组成，所述恒流器的入口端接被测气体，出口端经节流器与大气相通，所述差压传感器的两个气压输入接口分别与节流器的节流孔两侧的取压管连接，其信号输出端接计算机的输入端口；测试时，使被测气体不间断地依次流经恒流器和节流器，同时测量节流器两端的压力差△P，然后利用下式计算被测气体的密度ρ：ρ=2×△P/(q_V/C/(1‑β⁴)^0.5×ε×π/4×d²)²。本发明不仅实现了气体密度的在线测量，而且测量装置结构简单、成本低廉，测量结构准确可靠，为混合气体流量的精确计量以及气体密度的精确控制创造了条件。

Description

一种气体密度在线测量方法

技术领域

本发明涉及一种能够在线精确测量混合气体密度的方法，属测量技术领域。

背景技术

气体密度是混合气体（如煤气、天然气等）流量计量中所需的重要参数之一，只有获得了准确的气体密度，才能得到准确的气体流量。由于气体密度的测量难度较大，现有的流量计量方法一般采用间断式采样分析或估计的办法来确定气体密度，大大降低了计量精度，影响了计费的公平性。如各天然气加气站对天然气流量进行计量时，密度参数采用手工输入，常造成很大的贸易争端。城市煤气计量以及工业生产中对气体密度的计量和控制也存在同样的问题。

基于震荡原理的气体密度测量方法可以实现气体密度的精确在线测量，所述方法是让被测气体进入一个震荡筒体，然后根据气体密度与震筒谐振频率的函数关系求得气体的密度值。但由于这种方法对震筒加工精度和频率测量装置分辨率的要求都很高，因而计量装置的制造成本和维护费用居高不下，极大地限制了计量装置的推广和应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种新的气体密度在线测量方法，在保证测量精度的同时，降低测量成本。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种气体密度在线测量方法，它利用一个测量装置完成参数测量，所述测量装置由恒流器、节流器、差压传感器和计算机组成，所述恒流器的入口端接被测气体，出口端经节流器与大气相通，所述差压传感器的两个气压输入接口分别与节流器的节流孔两侧的取压管连接，其信号输出端接计算机的输入端口；

测试时，使被测气体不间断地依次流经恒流器和节流器，同时测量节流器两端的压力差△P，然后利用下式计算被测气体的密度ρ：

ρ=2×△P/(q_V/C/(1-β⁴)^0.5×ε×π/4×d²)²，

其中，q_V为恒流器设定的体积流量；C为流出系数；d为节流器中部的节流孔直径；β为节流器的节流孔直径d与两端管路内径D的比值；ε为可膨胀系数。

上述气体密度在线测量方法，在完成被测气体密度ρ的计算后，根据理想气态方程以及被测气体的温度T和压力P，计算出被测气体在标准状况（20℃，一个大气压）下的密度值ρ₀:

ρ₀=ρ×（P₀×T）/（P×T₀）

其中，P₀ 、T₀ 分别为标准状况下的绝对压力和绝对温度。

上述气体密度在线测量方法，为防止恒流器入口端的压力波动给测量结果造成不良影响，应在恒流器入口端设置减压阀并利用压力传感器对恒流器入口端的气体压力进行监测。

本发明根据流动连续性原理和伯努利方程计算被测气体的密度，不仅实现了气体密度的在线测量，而且测量装置结构简单、成本低廉，测量结构准确可靠，为混合气体流量的精确计量以及气体密度的精确控制创造了条件。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是本发明所用测量装置的结构示意图；

图2是节流器的结构示意图。

图中各标号清单为：1、减压阀；2、恒流器；3、节流器；4、温度传感器；5、差压传感器；6、压力传感器；7、计算机；8、节流孔；9、取压管。

文中所用符号为：△P、差压；ρ、密度；q_V、体积流量；C、流出系数；d、节流孔直径；β：节流器的节流孔直径d与两端管路内径的比值；ε：可膨胀系数；ρ₀ 、标准状况下被测气体的密度；P₀ 、标准状况绝对压力；T₀ 、为标准状况绝对温度；ρ、实际工况下被测气体的密度；T、实际工况下被测气体的绝对压力； P、实际工况下被测气体的绝对温度。

具体实施方式

一．测量装置

参看图1，本发明所用的测量装置主要包括恒流器2、节流器3、差压传感器5和计算机7，所述恒流器2的入口端接被测气体，出口端经节流器3与大气相通，所述差压传感器5的两个气压输入接口分别与节流器3的节流孔8两侧的取压管9连接，其信号输出端接计算机7的输入端口。

在节流阀3的出口侧安装有温度传感器4，其信号输出端接计算机7的输入端口。在恒流器2的入口端设置有减压阀1，在减压阀1与恒流器2之间的管路上设置有气体压力传感器6，气体压力传感器6的信号输出端接计算机7的输入端口。

二．理论依据

充满管道的流体经过管道内的节流装置，流束将在节流件处形成局部收缩，于是在节流件前后产生了差压（压力差）△P，根据流动连续性原理和伯努利方程可推导出流体密度ρ与差压△P和体积流量q_V的函数关系：

q_V=C/(1-β⁴)^0.5×ε×π/4×d²×(2×△P/ρ)^0.5，

ρ=2×△P/(q_V/C/(1-β⁴)^0.5×ε×π/4×d²)²，

其中， C：流出系数；d：节流孔直径；β：节流器的节流孔直径d与两端管路内径的比值；ε：可膨胀系数。

可见密度ρ与差压△P和差压q_V有直接关系；其它相对参数稳定，即使有变化也很小，可以通过校准的方法解决。在密度ρ、差压△P、流量q_V中，如果把流量q_V固定则密度ρ和差压△P呈如下关系：

ρ=K△P，

K =2/(q_V/C/(1-β⁴)^0.5×ε×π/4×d²)² ，

其中各参数通常作为常数使用：q_V：恒流器体积流量，可达0.2%稳定度；C：对于确定的节流孔，气体流量在设定值的300%范围内变化时可视为常数；β：常数；ε：与静压、差压、等熵指数有关，由于流体直接排入大气，差压值本身很小，所以视为常数；d：节流孔直径，常数。当环境参数（如大气压力、环境温度等）发生变化时，上述参数会受到影响，这时可利用标准样气校准的方法来进行修正。

三．本方法的原理

1、 使气体减压、恒流，再使恒流气体连续通过节流孔，通过连续测量节流针孔两侧的差压，采用伯努利方程，计算得到实际工况下（测量温度、差压值下的）气体的密度ρ，再通过理想气态方程（PTV方程）计算出标况（20℃，一个大气压下）下的密度ρ₀ ：

ρ₀=ρ×（P₀×T）/（P×T₀），

其中：ρ₀、P₀、T₀ 为标准状况下被测气体的密度、绝对压力、绝对温度；ρ、T、 P为实际工况下被测气体的密度、绝对压力、绝对温度。

由于节流器后直接通大气，所以理想气态方程中所用到的压力值取自差压值。

2、 采用恒流器使被测气体的体积流量q_V保持恒定。

另外，图1中压力传感器的作用是监测被测气体经减压阀减压后的压力，该压力必须保持在一个较小的范围内。采用温度传感器测量气体的温度是为了将实际工况密度折算到标况密度。

Claims (3)

1.一种气体密度在线测量方法，其特征是，它利用一个测量装置完成参数测量，所述测量装置由减压阀(1)、恒流器(2)、节流器(3)、差压传感器(5)和计算机(7)组成，所述恒流器(2)的入口端经减压阀接被测气体，出口端经节流器(3)与大气相通，所述差压传感器(5)的两个气压输入接口分别与节流器(3)的节流孔(8)两侧的取压管(9)连接，其信号输出端接计算机(7)的输入端口；

测量时，使被测气体不间断地依次流经减压阀、恒流器和节流器，同时测量节流器两端的压力差△P，然后利用下式计算被测气体的密度ρ：

ρ＝2×△P/(q_V/C/(1-β⁴)^0.5×ε×π/4×d²)²，

其中，qV为恒流器设定的体积流量；C为流出系数；d为节流器中部的节流孔直径；β为节流器的节流孔直径d与两端管路内径D的比值；ε为可膨胀系数；

在减压阀(1)与恒流器(2)之间的管路上设置气体压力传感器(6)，气体压力传感器(6)的信号输出端接计算机(7)的输入端口，压力传感器监测被测气体经减压阀减压后的压力，所述压力必须保持在一个较小的范围内。

2.根据权利要求1所述气体密度在线测量方法，其特征是，在完成被测气体密度ρ的计算后，还应利用理想气态方程以及被测气体的温度T和压力P，计算出被测气体在标准状况(20℃，一个大气压)下的密度值ρ₀:

ρ₀＝ρ×(P₀×T)/(P×T₀)，

其中，P₀、T₀分别为标准状况下的绝对压力和绝对温度。

3.根据权利要求1或2所述气体密度在线测量方法，其特征是，在恒流器入口端设置压力传感器对恒流器入口端的气体压力进行监测。