CN110857880B - 一种气体称量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体称量系统，属于气体流量检测技术领域。该气体称量系统包括：气体称量罐、细管、空气密度测量仪、充气件、温度调节单元、湿度调节单元。其中，气体称量罐包括：内层罐体和套在内层罐体外的外层罐体，且内层罐体与外层罐体之间形成有用于容纳可流动介质的腔体结构。充气件用于连接内层罐体与外层罐体，且与内层罐体连通。温度调节单元用于调节进入内层罐体内的气体的温度。湿度调节单元用于调节进入内层罐体内的气体的湿度。本发明提供的气体称量系统，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，也可以实现对内层罐体内的气体的温度和湿度的调节，保证温度和湿度恒定，降低质量称量的不确定度。

Description

一种气体称量系统

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系统。

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。此外，在对气体质量的称量过程中，气体称量罐内温度和湿度的变化会产生扰流，使天平的受力发生变化，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，及时对进入气体称量罐的气体的湿度和湿度进行调节，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系统，可解决上述技术问题。具体技术方案如下：

一种气体称量系统，包括：气体称量罐，

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；

所述气体称量系统还包括：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；

温度调节单元，用于调节进入所述内层罐体内的气体的温度；

湿度调节单元，用于调节进入所述内层罐体内的气体的湿度。

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。

在一种可能的设计中，所述温度调节单元包括：制冷模块和加热模块；

所述制冷模块用于对进入所述内层罐体内的气体进行降温；

所述加热模块用于对进入所述内层罐体内的气体进行升温。

在一种可能的设计中，所述湿度调节单元包括：电热加湿器和过滤器；

所述电热加湿器用于调节进入所述内层罐体内的气体的湿度；

所述过滤器用于除去所述电热加湿器内的水中的杂质。

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系统，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。通过设置温度调节单元和湿度调节单元，可以实现对内层罐体内的气体的温度和湿度的调节，保证温度和湿度恒定，降低质量称量的不确定度。

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气体称量罐的结构示意图；

图2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 细管，

3 空气密度测量仪，

4 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。

需要说明的是，空气密度会受空气的温度和相对湿度变化的影响，通过下式即可看出：

下式为常规的计算空气密度的一个近似公式，

式中，ρ_a为空气密度，p为大气压，然rh为相对湿度，t为温度。

本发明实施例提供了一种气体称量系统，如附图1和附图2所示，该气体称量系统包括：气体称量罐1、细管2、空气密度测量仪3、充气件4、温度调节单元、湿度调节单元。其中，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。细管2具有标准截面积且管壁上标注有长度刻度，并且，该细管2设置在外层罐体102的上部，且与该腔体结构连通，用于在内层罐体101的体积发生变化时，测量进入细管2内部的可流动介质的液面高度。空气密度测量仪3用于测量气体称量罐1周围的空气密度。充气件4用于连接内层罐体101与外层罐体102，且与内层罐体101连通。温度调节单元用于调节进入内层罐体101内的气体的温度。湿度调节单元用于调节进入内层罐体101内的气体的湿度。

当需要对气体的质量进行称量时，通过细管2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4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2中。计算出细管2中液面上升的高度，并利用空气密度测量仪3测量出气体称量罐1周围的空气密度，将细管2内的液面高度差与该空气密度和细管2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，只需用气体称量罐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，完成浮力补偿作业。

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系统，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2，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4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2中，通过内层罐体101充气前后细管2中可流动介质液面高度的变化。通过设置空气密度测量仪3，可以实时测量出气体称量罐1周围的空气密度，基于细管2液面的高度变化、空气密度和细管2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。通过设置温度调节单元和湿度调节单元，可以实现对内层罐体101内的气体的温度和湿度的调节，保证温度和湿度恒定，降低质量称量的不确定度。

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。

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2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2管壁上标注有长度刻度，该长度刻度用于表示细管2中的可流动介质的液面高度。其中，细管130可以设置在外层壳体120上方任一位置，例如可以设置在外层壳体120的左上方，也可以设置在外层壳体120的右上方，当然也可以设置在在外层壳体120的正上方，对此本发明实施例不予限定。

充气件4可以为圆柱形、方形等。该充气件4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，也可以设置在外层壳体120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4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4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4顺次穿过外层罐体102、内层罐体101的罐壁，再将充气件4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2内部没有可流动介质，在内层罐体101充气后，流入细管2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2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2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2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2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2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2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2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2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。

为了便于理解，本发明实施例通过下述举例来对本发明中的气体称量系统进行详细说明。

例如，气体称量系统包括标准截面积为s、高度为L的细管2。假设在内层罐体101充入气体之前，细管2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2管壁上的长度刻度测量出细管2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。

此外，该气体称量系统还包括：送风单元、排风单元。

在本发明实施例中，温度调节单元包括：制冷模块和加热模块。其中，制冷模块用于对进入内层罐体101内的气体进行降温。加热模块用于对进入内层罐体101内的气体进行升温。

加热单元的热源可以为锅炉和/或电加热器，具体地，以电加热器为例，其包括热容量大(粗调)的一级电加热器和热容量小(微调)的二级电加热器。其中，一级电加热器为基本加热器，它热容量大，滞后大，为温度粗调的部件；二级电加热器容量小，滞后小，为温度精调的部件。

具体地，举例来说，当注入气体称量罐1的第一气体的温度比第一目标温度低时，将不进行冷却的步骤，第一目标温度可以为10℃～22℃，第二目标温度可以为22℃～24℃，目标湿度可以为56％RH～60％RH。在实际操作时，可将第一气体先冷却至18℃，然后通过热容量大的一级电加热器将第一气体粗加热至22℃，接近目标温度23℃，再通过热容量小的二级电加热器对温度进行精细调准至23℃，然后通过电热加湿器进行湿度调节为59RH％得到第二气体。

制冷单元的冷源可包括风冷热泵机组或表冷器。

其中，该温度调节单元可以设置有夏季模式和冬季模式，当第一气体的温度高于第二目标温度时，除了上述的先冷却，再经两次升温的控制步骤之外，还可通过夏天模式，进行多次降温，直接将第一气体的温度降至第二目标温度，例如，当第一气体的温度为30℃时，可先将温度降至25℃，然后再降至第二目标温度22℃或降至19℃后再升温至第二目标温度22℃；当第一气体的温度低于第一目标温度时，可通过冬天模式，即直接多次升温，将第一气体的温度升至至目标温度，例如当第一气体的温度为0℃时，可先将温度降至5℃，然后升至第二目标温度22℃或先升至20℃后再升温至第二目标温度22℃。

第一气体可以为从工作室地面排风口排出室外的气体或未经处理的气体，未经处理的气体可以为自然界中的空气。

在本发明实施例中，天平室每小时的温升或温降不能超过0.5℃，环境的湿度在工作时间内保持稳定，由于温湿度关联性强，温度控制精度按±0.3℃控制。

天平室内的保温可以通过在天平室墙体上设置隔热材料来实现。具体地，可以在天平室的墙体(又称围护结构)上设置岩棉夹心彩钢板，其中，岩棉夹心彩钢板的厚度为40～60mm，优选为50mm；，岩棉夹心彩钢板的导热系数为0.024W/(m K)，按最不利的温度计算，内外温差只有0.22℃。可见，通过四周彩钢维护结构而产生的热传导干扰可以忽略。主要干扰为风管保温面积，但末端加热后的风管面积很小，是完全可以克服的。

为进一步保证电磁天平称量系统的重复性，示值误差满足气体质量测量相对标准不确定度不大于0.015％的要求，这就要求天平室内应满足恒温恒湿，其中，天平室内的温度可为18～24℃，湿度不大于60％％RH(即相对湿度，Relative Humidity)、称量期间温度波动不超过0.5℃/h，优选的，不超过0.3℃。一般一次检定在1小时内就可做完。

进一步地，第二气体通过均匀分布于天平室四周墙体的微孔管道和/或顶面上的微孔管道排出，会得到第三气体，或者，第二气体通过设置在天平室四周墙体和/或顶面上的微孔板排出，得到第三气体，微孔板上均匀分布有多个微孔。例如，可通过内墙面五面围护结构的微孔得到第三气体。

需要说明的是，影响气体称量结果的因素还包括天平室内温湿度的稳定性和分布，而这与微孔管道的分布(或者微孔板上微孔的分布)、第三气体的吹入角度、风速和风量等因素关系紧密。其中，第三气体进可对称地吹入天平室，以保证温湿度的均匀性，第三气体也可以垂直的吹入天平室内，第三气体的风速为不高于0.1m/s，这样有利于优化天平室内的温度场和湿度场，同时使天平室内气体的密度稳定，进而降低对气体称量的影响。

湿度调节单元包括：电热加湿器和过滤器。其中，电热加湿器用于调节进入内层罐体101内的气体的湿度。过滤器用于除去电热加湿器内的水中的杂质。

其中，电热加湿器所用水包括去离子水、纯水和自来水，过滤器可包括反冲水装置；当电热加湿器所用水为自来水时，自来水经反冲水装置多级过滤后，通过反冲膜制出反冲水，进入电热加湿器，反冲水含杂质及各种离子较少，可充分保证电热加湿器精度。

优选地，微孔管道可均匀分布在气体称量罐1的顶面上，气体称量罐1的顶面可包括天花板，微孔板可设置在气体称量罐1的顶面上。微孔管道的直径可为8mm～12mm(优选10mm)。微孔管道在气体称量罐1顶面的开孔率为20％～40％(优选30％)。通过如此设置，保证了气体称量罐1内温度、湿度稳定，分布均匀，减少了空气浮力对天平称量的影响，克服了吹入气体对天平称量的影响，降低气体测量的不确定度。

其中，温度调节单元、湿度调节单元、送风单元和微孔管组之间可通过管道(例如风管)进行连接。

在本发明实施例中，送风单元所送的气体可以为经制冷单元、加热单元和湿度调节单元中的一个或多个处理后的气体。送风单元可以为送风机。

排风单元可以包括4个排风口，4个排风口两两对称分布在两面垂直于天平臂的墙体底部。排风的风速不高于0.15m/s(优选不高于0.1m/s)，进风量与出风量要相匹配。微孔管组与排风口的配合使用这样可以能够保证气体称量罐1内吹风的均匀性和温度场的均匀性，以及稳定性，并消除吹风扰动对气体称量罐1的影响。

微孔管道和排风口的分布可根据天平室的结构进行调整，但都要保证天平室内吹气和温湿度的均匀性，同时不会或减少对气体称量结果产生影响。

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 (4)

1.一种气体称量系统，包括：气体称量罐(1)，

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，所述内层罐体(101)为球形，所述外层罐体(102)与所述内层罐体(101)的形状相同；

所述气体称量系统还包括：具有标准截面积且管壁上标注有长度刻度的细管(2)，所述细管(2)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(2)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(2)内部的所述可流动介质的液面高度；

空气密度测量仪(3)，用于测量所述气体称量罐(1)周围的空气密度；

充气件(4)，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，其中，先将所述充气件(4)顺次穿过所述外层罐体(102)、所述内层罐体(101)的罐壁，再将所述充气件(4)以焊接的方式与所述外层罐体(102)、所述内层罐体(101)连接；

温度调节单元，用于调节进入所述内层罐体(101)内的气体的温度，所述温度调节单元包括：制冷模块和加热模块；

所述制冷模块用于对进入所述内层罐体(101)内的气体进行降温；

所述加热模块用于对进入所述内层罐体(101)内的气体进行升温；

湿度调节单元，用于调节进入所述内层罐体(101)内的气体的湿度；

所述湿度调节单元包括：电热加湿器和过滤器；

所述电热加湿器用于调节进入所述内层罐体(101)内的气体的湿度；

所述过滤器用于除去所述电热加湿器内的水中的杂质，所述过滤器包括反冲水装置，所述反冲水装置用于将进入所述电热加湿器的水进行多级过滤。

2.根据权利要求1所述的气体称量系统，其特征在于，所述充气件(4)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。

3.根据权利要求1所述的气体称量系统，其特征在于，当所述内层罐体(101)内未充入气体时，所述细管(2)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。

4.根据权利要求1所述的气体称量系统，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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