CN1287616A

CN1287616A - 可燃气体的相对密度测量

Info

Publication number: CN1287616A
Application number: CN99801731.0A
Authority: CN
Inventors: 威廉·H·范德·海登
Original assignee: INSTT METER Inc
Current assignee: INSTT METER Inc
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1999-01-13
Publication date: 2001-03-14
Also published as: WO1999039181A1; EP1051605A1; US6058761A

Abstract

一种受到测试的样品气体的一个样品的相对密度,通过测量大气压强和当参照气体与样品气体分别通过具有平滑的壁的一个小孔(16)(诸如在蓝宝石上形成的微孔)时的压强差,而得到确定。这种压强测量是在参照气体循环中确定的时基上进行的。一种微控制器15随后根据参照气体的相对密度和样品气体与参照气体在从1至约6psig范围中工作的一个***中的压强比值,计算样品气体的相对密度。

Description

可燃气体的相对密度测量

本发明涉及确定气体的相对密度的方法和设备。

诸如天然气的工业气体混合物的可燃气体的控制和报告，是保证气体对用户的质量和实用所必需的。虽然有时这是利用诸如气体色谱和借助其他方法的组份分析来实现的，但经常只要确定气体的相对密度以作为控制和报告的根据就足够了。天然气，主要是甲烷加上少量的其他气体的混合物，是发电或供热的较好燃料，因为其清洁且有效。

在很多国家，用于家庭和工业的气体不能从长距离天然气管线获得。在这些情况下，工业生产的气体，诸如丙烷和丁烷，被混合起来，以在本地的分送***中进行分送。在某些情况下，可以获得天然气，但供应有限。此时丙烷和丁烷的混合物被用于应付高峰时的天然气供应。在另一些情况下，被表示为丙烷的气体包含一定含量的丁烷。为了把这种工业生产的气体用作家庭和工业燃料，需要对该气体的组份和相对密度进行控制。这是通过测量混合气体的相对密度并控制混合物中的空气的比例以调节整个混合物的相对密度，而得到实现的。这防止了气体以过高或过低的含量被提供给用户。

在这种混合***中，操作的目的是混合至适当的沃泊(Wobbe)指数(产热值与相对密度的平方根的比值)。当供应的气体的相对密度已知时，相对密度与产热值具有充分的相关性，从而使得可以只用相对密度测量来控制产物的混合。

这种气体的很多本地分送***都在只有5至6psig的压强下运行。因此，不论该燃料气体混合物是包括甲烷还是包括丙烷、丁烷和空气，相对密度测量都要在该压强或更低的压强进行，以避免需要昂贵的气体压缩机。

气体的相对密度测量以前是利用数种方法和仪器来进行的。一种仪器具有与实验室天平类似的构造，以测量样品气体与空气的重量比。气体的密度是相对于空气来表示的，而空气的相对密度被定为1.0。

用于测量相对密度的另一种装置使一定体积的气体和一定体积的空气以依次的方式旋转，并测量已知体积中的重量。旋转提高了仪器的灵敏度，因为转动加速度增大了重测量所涉及的力。

Kennedy的美国专利第4，677，841号公布了用于确定相对密度的一种方法和设备，其中借助蓝宝石上的0.0025英寸的微孔，形成了一个小的孔。气体流过这个孔并被用来计算相对密度。Kennedy的该专利公布了，在约11至13 psig的一定的压强下，该微孔的排放系数可被忽略。虽然这是一种可接受的甲烷和混合有相对密度低于1.0(低于空气)的少量其他组分的甲烷的测量方法，它未被证明能适合用于相对密度大于1.0(大于空气的密度)的丙烷和丁烷。另外，由于测量采用了改变率，该方法受到短期的不确定性的影响。混合要求对改变有迅速的响应，以保持控制的稳定性。

本发明涉及用于在采用较低的压强的***中测量诸如单纯的、混合的、或与空气混合的甲烷、乙烷、丙烷和丁烷的设备和方法。

本发明利用在一个共同的历经时间中对一种参照气体和一种样品气体在这些气体被允许从一个体腔通过一个小的精确形成的孔进行排放时所测量的排放压强，来确定相对密度。该参照气体的相对密度是已知的。这种已知的值随后被乘以孔处的样品气体的表压与孔处的参照气体的表压之比，以获得样品气体的相对密度，其中假定在排放之前每种气体都有共同的初始压强。

在本发明的该方法中，参照气体的历经时间，是以一定体积的参照气体被排放至该参照气体达到了一个预定的表压的方式来测量的。随后，在与为参照气体确定的排放时间相同的排放历经时间中，检测孔处的样品气体的表压。

本发明的一个目的，是提供利用参照气体来频繁地校正测量设备的相对密度测量。

本发明的另一目的，是提供用于能够按照等熵性质分类的各种气体的方法和设备。

本发明的再一个目的，是通过消除对压强改变率的采用，而产生具有小的短时间不确定性的迅速响应。

从以下对最佳实施例的描述，上述以外的其他目的和优点，对本领域的技术人员将变得显而易见。在该描述中，参照了附图，且该附图构成了本描述的一部分，且该附图显示了本发明的例子。然而这些例子并未穷尽本发明的各种实施例，因而本发明的范围只由所附的权利要求书确定。

图1是用于实施本发明的方法的设备的框图；

图2是图1的设备的修正形式的框图；

图3是图1和2中的设备中的微控制器的操作的流程图；且

图4是图1和2的设备中的腔压强对时间的曲线图。

参见图1，实施本发明的方法的一种设备的一个第一实施例采用了一个固定的体积腔20来获取和释放用于测量的体积的气体。参照气体，通过把参照气体源经接合处13而连接至腔20的一个入口的一个通一断阀11，而被引入到腔20中。一种样品气体通过一个通-断阀12并通过接合处13(它可以是T式或Y式的)，而被引入腔20。阀11和12是由来自用微控制器15表示的微电子控制器电路的信号所操作的电磁控制阀。供应气体和参照气体也可分别被连接到腔上的两个入口，从而不再需要接合处13。本场中已知的各种等价的电路，包括阀的各种组合、供应管线和混合腔，都可被用于提供参照气体和样品气体至腔20。

气体从腔20的一个出口通过一个孔16和阀14被释放，阀14也是由来自微控制器15的信号控制的电磁控制的通-断阀。孔16具有上述美国专利第4，677，841中所公布的类型。孔16是在较小的尺寸的宝石体中的一个孔，它在约0.0012英寸至约0.0047英寸的范围中。这种孔16必须具有平滑的壁，从而使通过它的气体能够以等熵的状态流过。该孔较好地是被安装在其直径至少三倍于该孔的直径的一个结构中。

描述摩尔流量的孔流量方程如下：

公式(1)

\overset{\cdot}{n} (t) = \frac{KY C_{D} d^{2}}{\sqrt{M}} \sqrt{\frac{PΔP}{ZRT}}

其中Y是膨胀系数，

K是工程单位常数，

C_D是排放系数，

d是孔或微孔的直径，

M是气体的分子量，

P是气体的入口总压强，

△P是微孔或孔上的表压(gage pressure)，

Z是气体的可压缩率(compressibility)，

R是气体常数，且

T是绝对温度。

在上述公式(1)中，预测的流量与分子量的平方根成反比。在大的孔中，YC_D的值主要由雷诺(Reynold’s)数决定。在小的孔中，YC_D变为受到组合因素影响并依赖于压强，从而使该积的改变几乎是线性的，但具有决定各种组合的线性改变的不同的斜率和交点。正是这种关系，使得在根据以下的公式(2)来利用适当的压强条件时，能够预测天然气和诸如与空气混合的丙烷和丁烷的工业产生气体的相对密度。

公式(2)

\frac{R D_{S}}{R D_{r}} = (\frac{Z_{ro}}{Z_{so}}) (\frac{Δ P_{s}}{Δ P_{r}})

其中：

RD_s=样品气体的相对密度，

RD_r=参照气体的相对密度，

△P_s=在测量时刻的样品气体在孔处的表压，

△P_r=测量时刻参照气体在孔处的表压，

Z_ro=标准状态下参照气体的可压缩率，且

Z_so=标准状态下样品气体的可压缩率。

图4(未按照严格的比例)显示了分别对空气、二氧化碳、丙烷的典型压强衰减排放曲线50、51、52。图4中的曲线图描绘了腔20中的压强对排放阀14打开以从腔20排放气体的时间。

对如图4所示的选定的腔体积和选定的孔直径，且在四秒的排放时间中，已经发现空气、二氧化碳和丙烷的相对密度遵循着上述公式(2)中描述的关系。腔20中的初始压强为5 psig。

还发现，大多数天然气组份也可以用约1.5 psig的腔初始压强来测量。

当样品气体是包括甲烷的混合物或包括丙烷或丁烷的混合物时，参照气体具有0.05与0.035之间的测量压强与初始腔压强的压强比。

再看图1，在气体通过孔16之后，它作为排放物从设备10排放。一个绝对压强传感器18探测大气压强，且表示大气压强的信号是微控制器15的一个输入。一个差或表压传感器17与孔16的入口和出口相连，以测量孔16两侧的压强差(ΔP)。采用单个的绝对压强传感器也是容易实现的，但为了说明的目的，显示了分离的计示和绝对传感器。

微控制器15包括一个处理器，以及足够的随机存取存储器(RAM)和可编程只读存储器(PROM)，用于存储和由一个控制程序执行实施如图3所示意表示的本发明的方法。微控制器15还包括模拟和数字I/O(输入端和输出端)。这些包括一个4-20毫安模拟输出端21和一个RS-232串行数据输出端22。

如图3所示，在开始框30表示的程序执行开始之后，设备10运行由框32-37表示的一个参照气体循环和由框39-41表示的一个样品气体循环。在参照气体循环之前，所需的程序参数都被初始化，如处理框31所示。包括在处理框31中的，是从工厂定标数据对预定的参照气体压强的计算。如处理框32所示，通过打开阀11，使腔20充满参照气体，且随后在微控制器15的控制下关闭阀11。

随后，微控制器15中的处理器执行框33表示的程序指令，这迫使气体从该腔得到释放。在气体释放期间，微控制器15把腔压强的各个样品和气体释放所过去的时间存储到其存储器中，如输入框34所示。

随后，微控制器15执行框35表示的指令，并对记录的数据流进行搜索，以找到参照气体的目标压强，并随后找到实现该目标压强所需的经历时间。微控制器15还读取和存储与参照循环期间的状态相应的气压计压强(barometric pressure)和气体温度，如框36所示。

框37开始了样品测量循环。体积腔(volume chamber)被冲洗并充满样品气体，且随后开始样品气体的释放，如框38所示。排放时间得到监测，直到经历时间等于参照气体循环期间记录的该时间。这种判定功能由框39表示。当经历时间等于参照气体经历时间时，体积腔压强和气压计压强和气体温度得到记录，如输入框40所示。

样品气体的相对密度得到计算，且所有输出信号都得到更新，如框41所示。框42得到执行，以确定是要进行新的样品循环还是新的参照循环。如果气压计压强或气体温度之一有显著的改变，则必须进行新的参照循环，否则可继续进行样品循环。

前述的参照气体压强的预定标，是通过用一种相对密度已知的第二气体代替图1中的样品气体而进行的一种一次定标活动。对于相对密度大于1的气体，二氧化碳被用作已知的第二气体。对于较低密度的气体，如天然气，甲烷是较好的参照气体，且第二种气体通常是甲烷与二氧化或氮或甚至是少量的丙烷的检定和稀释的混合物。这种第二参照气体和第一参照气体被交替地测定，且对于对两种气体相同的选定排放时间计算表压比。当第二气体与参照气体之间的这种表压比与这些气体的相对密度的比值相同时，则参照气体表压与其初始腔表压之比得到计算，且这成为该具体体积腔与流体微孔组合的定标压强比。该定标压强比通常被存储在非易失存储器中，以便继续使用。

当进行参照气体循环时，这种定标压强比和初始腔表压被用于确定使参照气体达到这种排放压强所需的经历时间。该经历时间在样品气体测量排放期间成为测量样品气体的短期标志。

参照气体循环的使用率，可以从一至多个样品气体循环进行选择。然而，如果样品气体温度或气压计压强发生了显著改变，则以前的参照气体循环所确定的经历时间将产生不正确的测量，且必须进行新的参照循环，以确定新的经历时间。幸运的是，气压计压强或气体温度的改变产生的影响较小。0.25英寸汞的气压计压强容差和高至10℃的温度改变都是容许的。

当混合的供应气体丙烷被显著量的丁烷所污染时(如在世界上的某些地区经常发生的那样)，由于加热值和相对密度之间的关系是不确定的，沃泊指数的计算会出现误差。在这些情况下测量供应气体，校正了发生的大部分误差。

图2显示了一种修正的图1的设备，它与一种供应罐25相连，而该罐25包含将要被混合以在本地分配***中供应的气体。一条样品管线把供应罐25经阀12连接到供应气体输入端。作为混合装置的一部分，一个混合阀27与在供应罐25的输出端和一个有将要在本地分送***中分送的混合气体的罐上的一个入口之间的一条管线相连。混合阀17允许增加或减少流入存储罐26中的混合物中的空气。一个取样管线把混合气体的存储罐连接到设备24上的另一个输入端，从而使混合气体26的一个样品能够被引入体积腔20并随后得到释放，以测量相对密度。另一个输入端接收供应的、作为参照气体的二氧化碳或空气。在此实施例中，微控制器15执行一个程序，以便以与结合图1所述的方式相同的方式测试来自供应罐的样品。微控制器15随后将提供一个信号，该信号可被混合***用来控制通过混合阀27引入的空气的供应。来自混合气体26的罐的一个样品将随后得到测试，以完成用于混合该混合物中的空气的控制环。以此方式，本发明被应用于在混合气体被分送以对其进行消费时对该混合气体进行的控制。

至此已经描述了本发明实施例。本领域的技术人员应该理解的是，可以对各种细节进行修正，从而实现其他的具体实施例，且这些实施例处于本发明的范围内。

因此，本发明的范围只由所附权利要求书限定。

Claims

1．用于测量气体的相对密度的方法，该方法包括：

使一种参照气体并随后使一种样品气体从一个体积腔流过一个孔，该孔的尺寸相对于连接管线是小的，且相对于参照气体和样品气体的初始压强来说该孔的尺寸使得该孔的排放系数的影响对相对密度的计算来说不是必要的；且

其特征在于以下步骤：

当参照气体达到一个目标排放压强时测量排放的经历时间；

在该参照气体所确定的经历时间测量该孔处的样品气体压强；以及

从参照气体的已知相对密度和该孔处的样品气体压强与该孔处的参照气体的压强的比值，计算出样品气体的相对密度。

2．根据权利要求1的方法，其进一步的特征在于通过所述孔释放的气体的初始压强是根据参照气体来确定的并处于从约1至约6 psig的范围之内。

3．根据权利要求1的方法，其进一步的特征在于样品气体是天然气或是包括气体甲烷、丙烷或丁烷中的至少一种的混合物，且其中该参照气体具有在0.05与0.35之间的目标排放压强与初始压强的压强比。

4．根据权利要求1的方法，其进一步的特征在于由一种定标压强比值确定该参照气体的目标排放压强的步骤，该定标压强比值是从定标循环确定的和从体积腔中的参照气体的所述初始压强确定的参照气体的排放压强与初始压强的比值。

5．根据权利要求4的方法，其进一步的特征在于该定标循环进一步包括从已知的初始压强交替地排放上述的第一参照气体和一种第二参照气体，并在上述第一参照气体与第二参照气体在一个公共经历时间的排放压强与它们各自的已知相对密度的比值成比例时确定该定标比值。

6．根据权利要求1的方法，其进一步的特征在于该参照气体是空气、二氧化碳或甲烷。

7．根据权利要求1的方法，其进一步的特征在于该孔是直径在从约0.0012英寸至约0.0047英寸范围内的一个微孔。

8．根据权利要求1的方法，其进一步的特征在于该微孔被设置在其直径至少三倍于该微孔的直径的一种结构上。

9．根据权利要求1的方法，其进一步的特征在于响应于大气压强或样品气体的温度之一的选定幅度的改变而启动参照气体循环的步骤。

10．根据权利要求1的方法，其进一步的特征在于在一个与一选定数目的样品气体循环之间调节参照气体循环的频率的步骤。

11．根据权利要求1的方法，其进一步的特征在于样品气体是一种混合物的一个样品，该混合物包括在一种气体分送***中分送的供应气体，并进一步包括添加一种气体以调节包括该样品气体的混合物的相对密度的步骤。

12．根据权利要求1的方法，其进一步的特征在于控制样品气体和参照气体的初始压强的步骤。

13．用于测量气体的相对密度的设备，该设备包括：

一个孔，它具有一个微孔，该微孔的尺寸相对于连接管线来说非常小且相对于气体的孔入口压强来说使得孔排放系数的影响对相对密度的计算来说不是必要的；

具有不变的体积的一个腔，用于保持处在一个预定压强的气体，所述腔与至所述孔的所述连接管线相连通；

用于把一种参照气体提供给所述腔的装置；

用于把一种样品气体提供给所述腔的装置；

用于控制气体从所述腔向所述孔的释放的一个阀；

第一压强检测装置，用于测量所述孔两侧的压强差；且

其特征在于用于接收来自所述第一压强检测装置的一个处理器，其中所述处理器执行程序指令，该程序指令用于根据一种参照气体的已知相对密度和对分别从所述腔通过所述孔释放的该参照气体和样品气体进行的压强测量，计算从所述腔通过所述孔释放的样品气体的相对密度。

14．根据权利要求13的设备，其进一步的特征在于从所述腔释放的气体的初始压强在从约1至约6psig的范围内。

15．根据权利要求13的设备，其进一步的特征在于样品气体是包括甲烷的混合物或是包括丙烷或丁烷的混合物，且该参照气体具有在0.05与0.35之间的测量压强与初始腔压强的压强比。

16．根据权利要求13的设备，其进一步的特征在于该参照气体是空气、二氧化碳或甲烷。

17．根据权利要求13的设备，其进一步的特征在于该微孔具有从约0.0012英寸至约0.0047英寸的直径。

18．根据权利要求13的设备，其进一步的特征在于该微孔被设置在其直径至少三倍于该微孔的直径的一种结构上。

19．根据权利要求13的设备，其进一步的特征在于该处理器执行进一步的程序指令，以从一个与一选定数目的样品气体循环之间调节参照气体循环的频率。

20．根据权利要求13的设备，其进一步的特征在于样品气体是一种混合物的一个样品，该混合物包括在一种气体分送***中分送的供应气体，并且其进一步的特征在于用于调节该混合物的组份以调节该混合物的相对密度的装置。

21．根据权利要求13的设备，其进一步的特征在于用于引入一种第二参照气体以相对于第一参照气体对设备进行定标的装置。

22．根据权利要求13的设备，其进一步的特征在于该处理器进一步包括响应于气压计压强或样品气体的温度的改变而启动一种参照气体循环的装置。