CN111157069A - 一种气体流量连续测量装置及流量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体流量连续测量装置及流量测量方法，包括：活塞筒、活塞、压力取样口、温度取样口、活塞限位销、进气口、进气口三通球阀、排气口和排气口三通球阀。本发明中所述的活塞安装于活塞筒中央，可以上下移动，活塞将活塞筒分为活塞筒上腔和活塞筒下腔；活塞筒上腔底部和下腔底部分别设有进气口；活塞筒上腔分别与进气口三通球阀上出口和排气口三通球阀上出口连通，活塞筒下腔分别与进气口三通球阀下出口和排气口三通球阀下出口连通；进气口三通球阀和排气口三通球阀可根据活塞的位置切换进气口、排气口与活塞筒上、下腔的连通管路，使得活塞连续上下往返运动，无需等待活塞复位，实现气体的连续排入和测量。
Description
技术领域
本发明涉及气体流量计量技术领域，尤其涉及一种气体流量连续测量装置及流量测量方法。
背景技术
活塞式气体流量计通过活塞在活塞筒中运动的速度来表征气体的流量。这种气体流量的测量方式属于初级的气体流量校准方式。但是这种方式有一个很大的缺陷，就是每次测量开始前需要切换气路使得活塞回复到活塞筒的底部。因此在实际的应用过程中，测量误差较大，连续测量效果较差，特别是在油田开发实验过程中，需要对大量气体进行精确、连续计量，一般的气体测量装置不能满足要求。因此需要一种高精度，连续测量效果好的气体计量装置来解决这个问题
针对气体流量的精确、连续计量需求，在公布号为CN 110057418A的中国专利申请文件中，公开了一种气体连续计量装置，采用包括至少一对计量单元和自动切换阀实现对气体的连续计量；在已授权的公布号为CN 104121374B的中国发明专利中，公开了一种活塞式气体流量计开关阀，通过引入开关阀组成的气体测量旁路，使得活塞式气体流量计每完成一次流量测量后能够自动完成活塞的复位动作，从而实现对气体流量的连续计量。总体上，以上两种方案或需要较复杂、体积较大的结构来实现或不能实现完全的连续测量，活塞复位仍需要一定时间。因此需要提出更加操作简单、切实可行和节能高效的方案，来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种气体流量连续测量装置，可以实现对工作气体流量的连续测量，测量精度高，连续测量效果好。
本发明具体采用的技术方案是：
一种气体流量连续测量装置，其包括活塞筒、活塞、压力取样口、温度取样口、活塞限位销、进气口、进气口三通球阀、排气口和排气口三通球阀；
所述的活塞安装于活塞筒中央，可以沿活塞筒轴向往返移动，活塞将活塞筒分为活塞筒上腔和活塞筒下腔；所述活塞筒上腔底部和活塞筒下腔底部分别设有上腔进气口和下腔进气口；活塞筒上腔分别与进气口三通球阀上出口和排气口三通球阀上出口连通，活塞筒下腔分别与进气口三通球阀下出口和排气口三通球阀下出口连通；所述的进气口三通球阀和排气口三通球阀均与活塞构成联动，根据活塞的位置切换进气口、排气口与活塞筒上腔和活塞筒下腔的连通管路，使得活塞上下往复连续运动，且在运动过程中将气体定量从进气口抽入，并从排气口排出。
优选的，所述活塞横截面呈工字形，活塞筒上腔和活塞筒下腔之间在活塞的分隔位置不漏气。
优选的，所述活塞筒上腔通过活塞筒上腔进气口、活塞筒上腔进气管路与进气口三通球阀上出口连通，通过活塞筒上腔进气口、活塞筒上腔排气管路与排气口三通球阀上出口连通；所述活塞筒下腔通过活塞筒下腔进气口、活塞筒下腔进气管路与进气口三通球阀下出口连通，通过活塞筒下腔进气口、活塞筒下腔排气管路与排气口三通球阀下出口连通；
在活塞上下移动时，所述活塞筒上腔在进气口三通球阀和排气口三通球阀的控制下，与进气口和排气口中的一个且仅有一个连通，而进气口和排气口中的另一个与活塞筒下腔连通。
优选的，所述活塞筒的两端壁面上分别设有活塞限位销，用于限制活塞运动的上部极限位置和下部极限位置。
优选的，所述活塞限位销上设有用于检测活塞位置的接近开关。
优选的，所述活塞筒两端壁面上分别设有温度取样口和压力取样口，用于分别安装温度传感器和压力传感器，以检测活塞筒内部气体的温度和压力。
优选的，所述进气口三通球阀中，进气口、进气口三通球阀上出口和进气口三通球阀下出口呈T形分布；所述排气口三通球阀中，排气口、排气口三通球阀上出口和排气口三通球阀下出口呈T形分布。
优选的，所述进气口三通球阀的连通状态包括进气口与进气口三通球阀上出口连通、进气口与进气口三通球阀下出口连通两种；所述排气口三通球阀的连通状态包括排气口与排气口三通球阀上出口连通、排气口与排气口三通球阀下出口连通两种。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述气体流量连续测量装置的流量测量方法，该方法具体如下：
将待测气体从进气口连续通入，从排气口连续排出；进气口与进气口三通球阀下出口连通时，排气口与排气口三通球阀上出口连通，气体从进气口进入，依次经过进气口三通气球阀下出口、活塞筒下腔进气管路进入活塞筒下腔，推动活塞向上运动；同时活塞筒上腔中的气体经活塞筒上腔排气管路、排气口三通球阀上出口，从排气口排出；活塞接近活塞筒上端的接近开关时，接近开关发出一个电信号，同时控制进气口三通球阀、排气口三通球阀切换管路，进气口与进气口三通球阀上出口连通，排气口与排气口三通球阀下出口连通，气体依次经过进气口三通气球阀上出口、活塞筒上腔进气管路进入活塞筒上腔，推动活塞向下运动；同时活塞筒下腔中的气体经活塞筒下腔排气管路、排气口三通球阀下出口，从排气口排出；活塞接近活塞筒下端接近开关时，接近开关释放一个电信号，同时通知进气口三通球阀、排气口三通球阀切换管路，如此循环往复，活塞沿活塞筒轴向作往复运动，实现气体的连续排入和测量；通过记录连续两次接近开关释放电信号的时间间隔、温度传感器测得的温度和压力传感器的测得的压力，计算得到气体的实时流量和累计流出量。
优选的，所述的实时流量中，体积流量QV计算公式如下：
质量流量Qm计算公式如下：
式中：，V为活塞在活塞筒中两次换向之间所扫过的有效体积；Δt为连续两次接近开关释放电信号的时间间隔Δt，即活塞在活塞筒中两次换向的时间间隔；P为压力传感器的测得的压力，T为温度传感器测得的温度，M为气体的摩尔质量，Z为气体在压力P和温度T下的压缩系数，R0为通用气体常数。
本发明的有益效果是：
本发明所提供的气体测量装置，将三通球阀引入气体测量装置中的管路切换，根据活塞的位置切换进气口、排气口与活塞筒上、下腔的连通管路，使得活塞上下往复连续运动，从而实现气体的连续排入和测量，有效增强了气体测量时的测量精度。
附图说明
图1为本发明所涉及的气体流量连续测量装置的半剖视图；
图2为本发明涉及的气路原理图；
图3为本发明涉及的另一状态气路原理图；
图中：1、活塞筒下端进气管路；2、进气口三通球阀下出口；3、进气口；4、进气口三通球阀；5、进气口三通球阀上出口；6、活塞筒；7、活塞筒上腔进气管路；8、压力取样口；9、活塞筒上腔进气口；10、活塞筒上腔；11、活塞筒上腔排气管路；12、排气口三通球阀上出口；13、排气口三通球阀；14、排气口；15、排气口三通球阀下出口；16、活塞筒下腔排气管路；17、活塞限位销；18、活塞；19、活塞筒下腔进气口；20、活塞筒下腔；21、温度取样口。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例对本发明作进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1所示，在本实施例中，一种气体流量连续测量装置，包括活塞筒6、活塞18、压力取样口8、温度取样口21、活塞限位销17、进气口3、进气口三通球阀4、排气口14和排气口三通球阀13；
其中，活塞18安装于活塞筒6中央，活塞18横截面呈工字形，可以沿活塞筒6轴向自由的往返移动，活塞18将活塞筒6分为活塞筒上腔10和活塞筒下腔20；活塞筒上腔10底部和活塞筒下腔20底部分别设有上腔进气口9和下腔进气口19。活塞筒上腔10和活塞筒下腔20之间在活塞18的分隔位置不漏气，使得活塞18的每一个移动往返周期均能够通过定量的气体。但是考虑到气体流动的顺畅性，活塞18与活塞筒6内壁之间的摩擦力应当尽量降低，两者之间能够顺畅滑动。
活塞筒上腔10通过活塞筒上腔进气口9、活塞筒上腔进气管路7与进气口三通球阀上出口5连通，通过活塞筒上腔进气口9、活塞筒上腔排气管路11与排气口三通球阀上出口12连通；活塞筒下腔20通过活塞筒下腔进气口19、活塞筒下腔进气管路1与进气口三通球阀下出口2连通，通过活塞筒下腔进气口19、活塞筒下腔排气管路16与排气口三通球阀下出口15连通。在活塞18上下移动时，活塞筒上腔10在进气口三通球阀4和排气口三通球阀13的控制下，与进气口3和排气口14中的一个且仅有一个连通，而进气口3和排气口14中的另一个与活塞筒下腔20连通。
活塞筒6的两端壁面上分别设有活塞限位销17，用于限制活塞18运动的上部极限位置和下部极限位置。活塞限位销17上设有用于检测活塞18位置的接近开关。当活塞18靠近底部的接近开关时，立即联动控制进气口三通球阀4和排气口三通球阀13转动，改变气体流向，将气体从活塞筒下腔20进入，使活塞18转向向上移动；当活塞18靠近顶部的接近开关时，再次联动控制进气口三通球阀4和排气口三通球阀13转动，改变气体流向，将气体从活塞筒上腔10进入，使活塞18转向向下移动。因此，活塞18两次转向的时间内，其在活塞筒6中扫过的体积就是这个时段内流经的气体体积流量，而活塞18两次转向的时间间隔实际上等于接近开关两次感应到活塞18靠近的时间间隔。基于该原理，即可实现对气体体积流量的准确测定。
活塞筒6两端壁面上分别设有温度取样口21和压力取样口8，用于分别安装温度传感器和压力传感器，以检测活塞筒6内部气体的温度和压力。由于气体的温度和压力会直接影响单位体积气体的质量，因此通过检测这两个参数可以准确计算气体的质量，进而根据气体体积流量换算气体质量流量。
进气口三通球阀4的进气口3、进气口三通球阀上出口5和进气口三通球阀下出口2呈T形分布，排气口三通球阀13的排气口14、排气口三通球阀上出口12和排气口三通球阀下出口15呈T形分布。进气口三通球阀4的连通状态包括进气口3与进气口三通球阀上出口5连通、进气口3与进气口三通球阀下出口2连通两种；所述排气口三通球阀13的连通状态包括排气口14与排气口三通球阀上出口12连通、排气口14与排气口三通球阀下出口15连通两种。进气口三通球阀4和排气口三通球阀13均与活塞18构成联动，可根据活塞18的位置切换进气口3、排气口14与活塞筒上腔10和活塞筒下腔20的连通管路，使得活塞18上下往复连续运动，且在运动过程中将气体定量从进气口3抽入，并从排气口14排出。
在实际的装置中，接近开关、温度传感器、压力传感器、进气口三通球阀4、排气口三通球阀13等均可以与一个单片机、PLC等自控装置相连，实现自动切换和流量计算等功能。
基于上述气体流量连续测量装置的气体流量测量方法，其具体如下
如附图2所示，进气口3与进气口三通球阀下出口2连通时，排气口14与排气口三通球阀上出口12连通，气体从进气口3进入，依次经过进气口三通气球阀下出口2、活塞筒下腔进气管路1进入活塞筒下腔20，推动活塞18向上运动；同时活塞筒上腔10中的气体经活塞筒上腔排气管路11、排气口三通球阀上出口12，从排气口14排出；
如附图3所示，将待测气体从进气口3连续通入，从排气口14连续排出。在连续进气和排气过程中，活塞18接近活塞筒6上端的接近开关时，接近开关发出一个电信号，同时通知进气口三通球阀4、排气口三通球阀13切换管路，进气口3与进气口三通球阀上出口5连通，排气口14与排气口三通球阀下出口15连通，气体依次经过进气口三通气球阀上出口5、活塞筒上腔进气管路7进入活塞筒上腔10，推动活塞18向下运动；同时活塞筒下腔20中的气体经活塞筒下腔排气管路16、排气口三通球阀下出口15，从排气口14排出；
活塞18接近活塞筒6下端接近开关时，接近开关释放一个电信号，同时控制进气口三通球阀4、排气口三通球阀13切换管路，如此循环往复，活塞18沿活塞筒6轴向作往复运动，实现气体的连续排入和测量。
通过记录连续两次接近开关释放电信号的时间间隔Δt、温度传感器测得的温度T，压力传感器的测得的压力P，计算得到气体的累计流出量和实时流量。
质量流量计算公式如下：
体积流量计算公式如下：
式中，V为活塞在活塞筒中两次换向之间所扫过的有效体积；Δt为连续两次接近开关释放电信号的时间间隔Δt，即活塞在活塞筒中两次换向的时间间隔；M为气体的摩尔质量，Z为气体在压力P和温度T下的压缩系数，R0为通用气体常数。
需注意的是，若活塞在活塞筒中的换向位置位于活塞筒的顶部和底部，那么V实际上等于活塞筒的体积，但假如其换向位置不在顶部或底部，那么需要进行相应的折减，取两次换向之间活塞所扫过的有效体积。
因此，本发明所提供的气体测量装置根据活塞的位置切换进气口、排气口与活塞筒上、下腔的连通管路，使得活塞上下往复连续运动，实现气体的连续排入和测量，有效增强了气体测量时的测量精度和连续测量效果
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种气体流量连续测量装置，其特征在于：包括活塞筒(6)、活塞(18)、压力取样口(8)、温度取样口(21)、活塞限位销(17)、进气口(3)、进气口三通球阀(4)、排气口(14)和排气口三通球阀(13)；
所述的活塞(18)安装于活塞筒(6)中央，可以沿活塞筒(6)轴向往返移动，活塞(18)将活塞筒(6)分为活塞筒上腔(10)和活塞筒下腔(20)；所述活塞筒上腔(10)底部和活塞筒下腔(20)底部分别设有上腔进气口(9)和下腔进气口(19)；活塞筒上腔(10)分别与进气口三通球阀上出口(5)和排气口三通球阀上出口(12)连通，活塞筒下腔(20)分别与进气口三通球阀下出口(2)和排气口三通球阀下出口(15)连通；所述的进气口三通球阀(4)和排气口三通球阀(13)均与活塞(18)构成联动，根据活塞(18)的位置切换进气口(3)、排气口(14)与活塞筒上腔(10)和活塞筒下腔(20)的连通管路，使得活塞(18)上下往复连续运动，且在运动过程中将气体定量从进气口(3)抽入，并从排气口(14)排出。
2.根据权利要求1所述的一种气体流量连续测量装置，其特征在于：所述活塞(18)横截面呈工字形，活塞筒上腔(10)和活塞筒下腔(20)之间在活塞(18)的分隔位置不漏气。
3.根据权利要求1所述的一种气体流量连续测量装置，其特征在于：所述活塞筒上腔(10)通过活塞筒上腔进气口(9)、活塞筒上腔进气管路(7)与进气口三通球阀上出口(5)连通，通过活塞筒上腔进气口(9)、活塞筒上腔排气管路(11)与排气口三通球阀上出口(12)连通；所述活塞筒下腔(20)通过活塞筒下腔进气口(19)、活塞筒下腔进气管路(1)与进气口三通球阀下出口(2)连通，通过活塞筒下腔进气口(19)、活塞筒下腔排气管路(16)与排气口三通球阀下出口(15)连通；
在活塞(18)上下移动时，所述活塞筒上腔(10)在进气口三通球阀(4)和排气口三通球阀(13)的控制下，与进气口(3)和排气口(14)中的一个且仅有一个连通，而进气口(3)和排气口(14)中的另一个与活塞筒下腔(20)连通。
4.根据权利要求3所述的一种气体流量连续测量装置，其特征在于：所述活塞筒(6)的两端壁面上分别设有活塞限位销(17)，用于限制活塞(18)运动的上部极限位置和下部极限位置。
5.根据权利要求4所述的一种气体流量连续测量装置，其特征在于：所述活塞限位销(17)上设有用于检测活塞(19)位置的接近开关。
6.根据权利要求1所述的一种气体流量连续测量装置，其特征在于：所述活塞筒(6)两端壁面上分别设有温度取样口(21)和压力取样口(8)，用于分别安装温度传感器和压力传感器，以检测活塞筒(6)内部气体的温度和压力。
7.根据权利要求1所述的一种气体流量连续测量装置，其特征在于：所述进气口三通球阀(4)中，进气口(3)、进气口三通球阀上出口(5)和进气口三通球阀下出口(2)呈T形分布；所述排气口三通球阀(14)中，排气口(14)、排气口三通球阀上出口(12)和排气口三通球阀下出口(15)呈T形分布。
8.根据权利要求1所述的一种气体流量连续测量装置，其特征在于：所述进气口三通球阀(4)的连通状态包括进气口(3)与进气口三通球阀上出口连通(5)、进气口(3)与进气口三通球阀下出口(2)连通两种；所述排气口三通球阀(13)的连通状态包括排气口(14)与排气口三通球阀上出口(12)连通、排气口(14)与排气口三通球阀下出口(15)连通两种。
9.一种利用如权利要求1-8任一所述的气体流量测量方法，其特征在于：将待测气体从进气口(3)连续通入，从排气口(14)连续排出；进气口(3)与进气口三通球阀下出口(2)连通时，排气口(14)与排气口三通球阀上出口(12)连通，气体从进气口(3)进入，依次经过进气口三通气球阀下出口(2)、活塞筒下腔进气管路(1)进入活塞筒下腔(20)，推动活塞(18)向上运动；同时活塞筒上腔(10)中的气体经活塞筒上腔排气管路(11)、排气口三通球阀上出口(12)，从排气口(14)排出；活塞(18)接近活塞筒(6)上端的接近开关时，接近开关发出一个电信号，同时控制进气口三通球阀(4)、排气口三通球阀(13)切换管路，进气口(3)与进气口三通球阀上出口(5)连通，排气口(14)与排气口三通球阀下出口(15)连通，气体依次经过进气口三通气球阀上出口(5)、活塞筒上腔进气管路(7)进入活塞筒上腔(10)，推动活塞(18)向下运动；同时活塞筒下腔(20)中的气体经活塞筒下腔排气管路(16)、排气口三通球阀下出口(15)，从排气口(14)排出；活塞(18)接近活塞筒(6)下端接近开关时，接近开关释放一个电信号，同时通知进气口三通球阀(4)、排气口三通球阀(13)切换管路，如此循环往复，活塞(18)沿活塞筒(6)轴向作往复运动，实现气体的连续排入和测量；通过记录连续两次接近开关释放电信号的时间间隔、温度传感器测得的温度和压力传感器的测得的压力，计算得到气体的实时流量和累计流出量。
10.如权利要求9所述的气体流量测量方法，其特征在于：所述的实时流量中，体积流量QV计算公式如下：
质量流量Qm计算公式如下：
式中：，V为活塞在活塞筒中两次换向之间所扫过的有效体积；Δt为连续两次接近开关释放电信号的时间间隔Δt，即活塞在活塞筒中两次换向的时间间隔；P为压力传感器的测得的压力，T为温度传感器测得的温度，M为气体的摩尔质量，Z为气体在压力P和温度T下的压缩系数，R0为通用气体常数。
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