CN110657870B - 一种气体称量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体称量装置，属于气体流量检测技术领域。该气体称量装置包括：气体称量罐和天平。天平包括：支撑体、垂直设置在支撑体上端的横梁、设置在横梁两端的两个挂钩。支撑体包括：自上而下顺次连接的上支撑轴、压力调节件、下支撑轴。压力调节件用于将横梁对下支撑轴的压力方向调整为竖直向下。此外，该气体称量装置还包括：具有标准截面积且管壁上标注有长度刻度的细管，以及空气密度测量仪和充气件。细管用于在内层罐体的体积发生变化时，测量进入细管内部的可流动介质的液面高度。本发明提供的气体称量装置可以消除气体称量罐所受的空气浮力对气体质量测量结果的影响，同时避免天平因长时间使用而对气体质量的称量结果造成影响。

Description

一种气体称量装置

技术领域

本发明涉及气体流量检测技术领域，特别涉及一种气体称量装置。

背景技术

质量-时间法气体流量标准装置是一种用于测量气体质量流量的标准装置。应用时，在预设时间内向气体称量罐中充入气体，通过天平测量充气时间和气体称量罐在充气前和充气后的质量变化，计算得到测量过程中气体质量流量。其中，气体称量罐为单层罐体。由于气体称量罐在充气前和充气后，罐体内气体的压力、温度变化都会导致气体称量罐的体积发生变化，从而使气体称量罐所受的空气浮力发生变化，对气体质量的称量结果造成影响。并且，天平包括：支撑体、用于悬挂气体称量罐的横梁。该横梁的两端均设置有挂钩，支撑体的上端设置有V形槽，横梁设置在该V形槽内。该天平在长时间使用后，支撑体的V形槽处会发生磨损，横梁容易发生偏斜，无法保证横梁对支撑体的压力方向与横梁两端挂钩的重心方向一致，从而对气体质量的称量结果造成影响。

因此，为了保证气体称量结果的准确性，避免天平长时间使用后发生偏斜，以及降低气体称量罐受空气浮力变化的影响是十分重要的。

发明内容

本发明实施例提供了一种气体称量装置，可解决上述技术问题。具体技术方案如下：

本发明实施例提供了一种气体称量装置，包括：气体称量罐和天平，所述天平包括：支撑体、垂直设置在所述支撑体上端的横梁、设置在所述横梁两端的两个挂钩；

所述气体称量罐包括：内层罐体和套在所述内层罐体外的外层罐体，且所述内层罐体与所述外层罐体之间形成有用于容纳可流动介质的腔体结构；

所述支撑体包括：自上而下顺次连接的上支撑轴、压力调节件、下支撑轴；

所述上支撑轴用于支撑所述横梁，所述压力调节件用于将所述横梁对所述下支撑轴的压力方向调整为竖直向下；

所述装置还包括：具有标准截面积且管壁上标注有长度刻度的细管，所述细管设置在所述外层罐体的上部，且与所述腔体结构连通，所述细管用于在所述内层罐体的体积发生变化时，测量进入所述细管内部的所述可流动介质的液面高度；

空气密度测量仪，用于测量所述气体称量罐周围的空气密度；

充气件，用于连接所述内层罐体与所述外层罐体，且与所述内层罐体连通。

在一种可能的设计中，所述压力调节件包括：腔体、自上而下可转动地设置在所述腔体内的第一球体、第二球体组、第三球体；

所述腔体的两端分别与所述上支撑轴和所述下支撑轴连接；

所述第二球体组包括多个第二球体，且多个所述第二球体两两外切接触；

所述第一球体和所述第三球体的重心均位于所述第二球体组的中轴线上。

在一种可能的设计中，所述支撑体还包括：支撑件，两端分别与所述腔体的底部和所述下支撑轴的外壁连接，用于支撑所述腔体。

在一种可能的设计中，所述第一球体、所述第二球体组、所述第三球体之间设置有润滑件。

在一种可能的设计中，所述第一球体、所述第二球体、所述第三球体均为刚性球体。

在一种可能的设计中，所述充气件以焊接的方式与所述内层罐体和所述外层罐体密封连接。

在一种可能的设计中，当所述内层罐体内未充入气体时，所述细管内部的可流动介质的液面高度高于所述外层罐体的顶部。

在一种可能的设计中，所述内层罐体由柔性材料或者刚性材料制成。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例提供的气体称量装置，通过设置内层罐体、外层罐体和具有标准截面积且管壁上标注有长度刻度的细管，使得内层罐体与外层罐体之间形成腔体结构，且该腔体结构中充满可流动介质。当内层罐体通过充气件充气时，内层罐体膨胀挤压可流动介质，使得可流动介质流入与外层罐体连接的细管中，通过内层罐体充气前后细管中可流动介质液面高度的变化。通过设置空气密度测量仪，可以实时测量出气体称量罐周围的空气密度，基于细管液面的高度变化、空气密度和细管的横截面积，可以计算出气体称量罐在充气前和充气后的空气浮力变化量，从而消除气体称量罐所受的空气浮力对气体质量测量结果的影响。通过设置压力调节件，可以将横梁对下支撑轴的压力方向调整为始终竖直向下，即保证横梁对下支撑轴的压力方向与横梁两端挂钩的重心方向一致，避免天平因长时间使用而对气体质量的称量结果造成影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的天平的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的第二球体组的俯视图；

图3是本发明实施例提供的压力调节件的第一受力示意图；

图4是本发明实施例提供的压力调节件的第二受力示意图；

图5是本发明实施例提供的气体称量罐的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的气体称量罐的浮力补偿原理示意图。

附图标记分别表示：

1 气体称量罐，

101 内层罐体，

102 外层罐体，

2 天平，

201 支撑体，

2011 上支撑轴，

2012 压力调节件，

20121 腔体，

20122 第一球体，

20123 第二球体组，

20124 第三球体，

2013 下支撑轴，

2014 支撑件，

3 细管，

4 空气密度测量仪，

5 充气件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种气体称量装置，如附图1、附图5、附图6所示，该气体称量装置包括：气体称量罐1和天平2。其中，天平2包括：支撑体201、垂直设置在支撑体201上端的横梁202、设置在横梁202两端的两个挂钩203。气体称量罐1包括：内层罐体101和套在内层罐体101外的外层罐体102，且内层罐体101与外层罐体102之间形成有用于容纳可流动介质的腔体结构。支撑体201包括：自上而下顺次连接的上支撑轴2011、压力调节件2012、下支撑轴2013。上支撑轴2011用于支撑横梁202，压力调节件2012用于将横梁202对下支撑轴2013的压力方向调整为竖直向下。此外，该气体称量装置还包括：具有标准截面积且管壁上标注有长度刻度的细管3，以及空气密度测量仪4和充气件5。细管3设置在外层罐体102的上部，且与腔体结构连通，细管3用于在内层罐体101的体积发生变化时，测量进入细管3内部的可流动介质的液面高度。空气密度测量仪4用于测量气体称量罐1周围的空气密度。充气件5用于连接内层罐体101与外层罐体102，且与内层罐体101连通。

当需要对气体的质量进行称量时，将气体称量罐1挂在一个挂钩203上，并在另一个挂钩203上悬挂配重罐(即质量已知的罐体)，测量出此时气体称量罐1的质量。随后，通过细管3向内层罐体101与外层罐体102之间形成的腔体结构中注入可流动介质，并使该可流动介质充满整个腔体结构。随后，测量气体称量罐1的质量，将气体通过充气件5注入到内层罐体101中，在此过程中，内层罐体101因为内部充气而发生膨胀，造成内层罐体101的体积发生变化，进而挤压腔体结构中的可流动介质，使该可流动介质进入细管3中。计算出细管3中液面上升的高度，并利用空气密度测量仪4测量出气体称量罐1周围的空气密度，将细管3内的液面高度差与该空气密度和细管3横截面积的乘积作为气体称量罐1在充气前和充气后的空气浮力变化量。此时，利用天平2测量出气体称量罐1的质量，并用气体称量罐1充入气体后的质量减去充入气体前的质量和空气浮力变化量即可获取气体的质量。

在上述称量过程中，压力调节件2012将横梁202对下支撑轴2013的压力方向调整为竖直向下，以保证对气体称量的准确性。

需要说明的是，由于内层罐体101与外层罐体102之间有可流动的介质隔离，可流动的介质会阻止外层罐体102受到因内层罐体101膨胀而引起的压力及温度变化。因此，外层罐体102受到的压力和自身的温度并不会因为内层罐体101的膨胀而发生变化，即外层罐体102的体积也不会因为向内层罐体101内充气而发生变化。

本发明实施例提供的气体称量装置，通过设置内层罐体101、外层罐体102和具有标准截面积且管壁上标注有长度刻度的细管3，使得内层罐体101与外层罐体102之间形成腔体结构，且该腔体结构中充满可流动介质。当内层罐体101通过充气件5充气时，内层罐体101膨胀挤压可流动介质，使得可流动介质流入与外层罐体102连接的细管3中，通过内层罐体101充气前后细管3中可流动介质液面高度的变化。通过设置空气密度测量仪4，可以实时测量出气体称量罐1周围的空气密度，基于细管3液面的高度变化、空气密度和细管3的横截面积，可以计算出气体称量罐1在充气前和充气后的空气浮力变化量，从而消除气体称量罐1所受的空气浮力对气体质量测量结果的影响。通过设置压力调节件2012，可以将横梁202对下支撑轴2013的压力方向调整为始终竖直向下，即保证横梁202对下支撑轴2013的压力方向与横梁202两端挂钩203的重心方向一致，避免天平2因长时间使用而对气体质量的称量结果造成影响。

其中，可流动介质可以为水、油等。注入内层罐体101内的气体可以为高压天然气。

天平2上设置有天平限位装置，该天平限位装置属于大型天平称量设备的常规部件，例如，限位开关，其可以用于防止天平2发生大角度的倾斜，甚至翻倒。

上支撑轴2011、压力调节件2012以及下支撑轴2013可以为圆柱状结构、方形结构、多边形结构等。

内层罐体101可以为球形、柱体等，当然实际情况中，也可以为其他形状，例如方形，对此本发明实施例不予限定。且该内层罐体101可以由柔性材料或者刚性材料制成，用于盛装待测量气体。在向内层罐体101充气过程中，内层罐体101会受到充入气体的压力及温度的影响，并且内层罐体101是由柔性材料或者刚性材料制成的，因此，鉴于柔性材料或者刚性材料的特性，在内层罐体101充入气体时，会受到压力和温度的影响发生膨胀，从而导致内层罐体101的体积发生变化。

需要说明的是，外层罐体102可以与内层罐体101形状相同，也可以不同，且外层罐体102可以由刚性材料构成，当然也可以由其他材料构成，如柔性材料，对此本发明实施例不予限定。

其中，细管3可以为具有标准截面积的圆柱形细管，标准截面积即是指具有标准规格且为固定值的截面积，当然实际应用中也可以为其他形状，如具有标准截面积方形柱体的细管等。且细管3管壁上标注有长度刻度，该长度刻度用于表示细管3中的可流动介质的液面高度。其中，细管3可以设置在外层罐体102上方任一位置，例如可以设置在外层罐体102的左上方，也可以设置在外层罐体102的右上方，当然也可以设置在在外层罐体102的正上方，对此本发明实施例不予限定。

充气件5可以为圆柱形、方形等。该充气件5可以设置在外层罐体102上的任一位置，举例来说，其可以设置在外层罐体102的右侧中间位置，也可以设置在外层罐体102左侧中间位置、左侧上方位置等，对此本发明实施例不予限定。

为了保证通过充气件5能够向内层罐体101充入气体，同时避免外层罐体102与内层罐体101之间形成的空腔结构中的可流动介质泄露，可以将充气件5以焊接的方式与内层罐体101和外层罐体102密封连接。

具体地，在安装时，可以使充气件5顺次穿过外层罐体102、内层罐体101的罐壁，再将充气件5以焊接的方式与外层罐体102、内层罐体101连接。

需要说明的是，内层罐体101与外层罐体102之间形成的空腔结构内部需要充满可流动介质。实际情况中，当内层罐体101未充入气体时，若空腔结构内部未充满可流动介质，那么在内层罐体101充入气体后发生膨胀且容积发生变化时，即使内层罐体101挤压可流动介质，但是由于空腔结构未充满可流动介质，即内层罐体101充气前，细管3内部没有可流动介质，在内层罐体101充气后，流入细管3中的可流动介质只能表示内层罐体101充气后体积变化量的一部分，即在内层罐体101充气前后，确定出细管3内部的可流动介质的液面高度变化量不能准确表示内层罐体101的体积变化量，从而导致补偿准确率降低，因此，为了保证计算出的内层罐体101体积变化量的准确度，需要在内层罐体101未充入气体时，确保可流动介质充满整个空腔结构，即内层罐体101完全置于可流动的介质中。

进一步地，当内层罐体101未充入气体时，细管3内部的可流动介质的液面高度高于外层罐体102顶部。

由于外层罐体102的形状并不唯一规定，实际应用中可以是圆形，也可以是其他形状，如方形等。因此，细管3与外层罐体102的接触面并不一定为水平接触面，此时，如果以细管3与外层罐体102的接触面为基准测量充气后可流动介质的液面高度，那么测量出的液面高度就会产生一定的误差。

因此，为了避免细管3与外层罐体102的接触面不为水平接触面时，测量出充气后细管3内部可流动介质的液面高度不准确，即最终液面高度存在误差，本发明实施例在内层罐体101未充入气体时，将细管3内部的可流动介质的液面高度设置为高于外层罐体102顶部，即在内层罐体101充入气体之前，设定初始液面高度高于外层罐体102的顶部，以保证内层罐体101充入气体之后，得到的细管3内部的可流动介质的最终液面高度与初始液面高度之间的差值更为准确，即提高了确定液面高度变化量的准确性，以进行后续的补偿作业。

为了保证横梁202对下支撑轴2013的压力方向始终为竖直向下，即保证横梁202对下支撑轴2013的压力方向与横梁202两端挂钩203的重心方向一致。如附图1和附图2所示，该压力调节件2012包括：腔体20121、自上而下可转动地设置在所述腔体20121内的第一球体20122、第二球体组20123、第三球体20124。其中，腔体20121的两端分别与上支撑轴2011和所述下支撑轴2013连接。第二球体组20123包括多个第二球体，且多个第二球体两两外切接触。第一球体20122和第三球体20124的重心均位于第二球体组20123的中轴线上。

作为一种示例，第一球体20122和第三球体20124均代表一个球体，而第二球体组20123包括三个第二球体。其中，各球体直径相同，三个第二球***于同一平面，且各第二球体之间两两相切接触，三个第二球体的球心(即重心)分别与第二球体组20123重心(图2中的相交点)之间的连线所成的夹角为120°。第一球体20122位于第二球体组20123中心的上方位置，第三球体20124位于第二球体组20123中心的下方位置。第一球体20122、第二球体组20123以及第三球体20124的重心均位于垂直的同一直线上。上支撑轴2011、压力调节件2012以及下支撑轴2013的重心也始终处于同一垂直直线上。

第一球体20122与第二球体组20123的传力示意图如图3所示。第二球体组20123与第三球体20124的受力分析如图4所示。当第一球体20122受到天平2垂直向下的压力F时，第二球体组20123的三个球体将分别受到大小相同的力F1、F2以及F3，经过第二球体组20123球体的受力传导，将受力传递至第三球体20124，第三球体20124同样受到向下的力F。

腔体20121的结构可以为多种，举例来说，其可以为方形空腔结构、六边形空腔结构等，其顶部设置有可拆卸的盖体，该盖体可以设置为法兰。只要保证腔体20121内的第一球体20122、第二球体、第三球体20124只能在腔体20121内自由转动，但无法在腔体20121中滚动。

其中，第一球体20122与盖体之间设置有预设距离，即保证各球体可以转动但不能滚动。同样，腔体20121的底部需要与第三球体20124之间设置有预设距离，保证第三球体20124可以转动但不能滚动。

上支撑轴2011的上端可以与横梁202的中心点位置连接，此时，天平2即为等臂天平。当然，连接位置不限于此，其他连接位置亦可，当上支撑轴2011的上端不是与横梁202的中心点位置连接时，此时即为不等臂天平。连接的方式可以为活性连接。上支撑轴2011的下端有内凹的球形弧面，可以包覆第一球体20122，包覆球体的体积可自由调整，例如，优选的，包覆第一球体20122的上端小于或等于第一球体20122体积的二分之一。

此外，下支撑轴2013的下端沿垂直方向固定，上端具有内凹的球形弧面，球形弧面可以包覆第三球体20124，包覆的第三球体20124体积可以自由调整，例如，优选的，可以包覆第三球体20124下部小于或等于二分之一的体积。

为了能够实现对压力调节件2012的支撑，保证压力调节件2012能够稳定地固定在下支撑轴2013上。如附图1所示，该支撑体201还包括：支撑件2014。该支撑件2014的两端分别与腔体20121的底部和下支撑轴2013的外壁连接，用于支撑腔体20121。其中，支撑件2014的一端与下支撑轴2013的外壁固定连接，另一端与腔体20121的底部活性连接。支撑件2014的结构和数量可以为多种，举例来说，该支撑件2014可以由三个以上的支撑杆构成。

为了保证压力调节件2012的各球体能够自由转动，减少彼此之间的摩擦力，可以在第一球体20122、第二球体组、第三球体20124之间设置润滑件。润滑件的位置并不局限于某一处，只要在不影响天平支撑装置功能的情况下，能对球体润滑即可。同样的，润滑件也可以设置在各球体与腔体20121的内壁之间。

为了避免因为第一球体20122、第二球体、第三球体20124相互碰撞而发生变形，可以将第一球体20122、第二球体、第三球体20124均设置为刚性球体。

为了便于理解，本发明实施例通过下述举例来对本发明中的浮力补偿称量装置及其补偿方法进行详细说明。

例如，浮力补偿称量装置包括标准截面积为s、高度为L的细管3。假设在内层罐体101充入气体之前，细管3内部的可流动介质的初始液面高度为l₀，之后向内层罐体101中充入待测高压气体，假设检测到充入气体后，通过细管3管壁上的长度刻度测量出细管3内部的可流动介质的最终液面高度为l₁，通过空气密度测量仪3测量出气体称量罐1周围的空气密度ρ。那么在充气过程中，气体称量罐1所受的空气浮力的变化量可以通过如下公式计算：

Δm＝s(l₁-l₀)·ρ；

其中，s表示标准截面积细管的截面积，l₁表示内层罐体充气后的标准截面积细管液面高度，l₀表示内层罐体充气前的标准截面积细管液面高度，ρ表示空气密度。

作为一种示例，当s为0.02㎡，l₁为370mm，l₀为0，ρ为1.145kg/m³时，气体称量罐1所受的空气浮力的变化量为0.02m²×(370mm-0)×1.145kg/m³＝8.5g＝0.0085kg，即充气后因内层罐体101膨胀所受空气浮力增大了8.5g。通过本发明的方法对浮力进行补偿计算后的称量罐充气质量为3172.4252kg-3102.6543kg-0.0085kg＝69.7624kg，与采用传统的称量方式相比，传统称量得到的充气质量为3172.4252kg-3102.6543kg＝69.7709kg，并没有对罐内层罐体101的空气浮力变化进行补偿。

以上所述仅为本发明的说明性实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气体称量装置，包括：气体称量罐(1)和天平(2)，所述天平(2)包括：支撑体(201)、垂直设置在所述支撑体(201)上端的横梁(202)、设置在所述横梁(202)两端的两个挂钩(203)；

其特征在于，所述气体称量罐(1)包括：内层罐体(101)和套在所述内层罐体(101)外的外层罐体(102)，且所述内层罐体(101)与所述外层罐体(102)之间形成有用于容纳可流动介质的腔体结构；

所述支撑体(201)包括：自上而下顺次连接的上支撑轴(2011)、压力调节件(2012)、下支撑轴(2013)；

所述上支撑轴(2011)用于支撑所述横梁(202)，所述压力调节件(2012)用于将所述横梁(202)对所述下支撑轴(2013)的压力方向调整为竖直向下；

所述装置还包括：具有标准截面积且管壁上标注有长度刻度的细管(3)，所述细管(3)设置在所述外层罐体(102)的上部，且与所述腔体结构连通，所述细管(3)用于在所述内层罐体(101)的体积发生变化时，测量进入所述细管(3)内部的所述可流动介质的液面高度；

空气密度测量仪(4)，用于测量所述气体称量罐(1)周围的空气密度；

充气件(5)，用于连接所述内层罐体(101)与所述外层罐体(102)，且与所述内层罐体(101)连通；

所述压力调节件(2012)包括：腔体(20121)、自上而下可转动地设置在所述腔体(20121)内的第一球体(20122)、第二球体组(20123)、第三球体(20124)；

所述腔体(20121)的两端分别与所述上支撑轴(2011)和所述下支撑轴(2013)连接；

所述第二球体组(20123)包括三个第二球体，三个所述第二球***于同一平面，且三个所述第二球体两两外切接触，三个所述第二球体的重心分别与所述第二球体组(20123)重心之间的连线所成的夹角为120°；

所述第一球体(20122)和所述第三球体(20124)的重心均位于所述第二球体组(20123)的中轴线上；

所述第一球体(20122)、三个所述第二球体和所述第三球体(20124)直径相同。

2.根据权利要求1所述的气体称量装置，其特征在于，所述支撑体(201)还包括：支撑件(2014)，两端分别与所述腔体(20121)的底部和所述下支撑轴(2013)的外壁连接，用于支撑所述腔体(20121)。

3.根据权利要求1所述的气体称量装置，其特征在于，所述第一球体(20122)、所述第二球体组、所述第三球体(20124)之间设置有润滑件。

4.根据权利要求1所述的气体称量装置，其特征在于，所述第一球体(20122)、所述第二球体、所述第三球体(20124)均为刚性球体。

5.根据权利要求1所述的气体称量装置，其特征在于，所述充气件(5)以焊接的方式与所述内层罐体(101)和所述外层罐体(102)密封连接。

6.根据权利要求1所述的气体称量装置，其特征在于，当所述内层罐体(101)内未充入气体时，所述细管(3)内部的可流动介质的液面高度高于所述外层罐体(102)的顶部。

7.根据权利要求1所述的气体称量装置，其特征在于，所述内层罐体(101)由柔性材料或者刚性材料制成。

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