氣體流量測定裝置和使用該裝置進行氣體流量測定的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種氣體流量測定裝置以及使用該氣體流量測定裝置進行氣體流量測定的方法。所述氣體流量測定裝置包括活塞缸容器，所述活塞缸容器的內(nèi)腔通過活塞分成第一腔和第二腔，其中所述第一腔容納有待測氣體，容納有液體介質(zhì)的計量容器，所述計量容器與所述活塞缸容器的第二腔形成液體連通，檢測機構(gòu)，其用于檢測所述計量容器內(nèi)的響應于所述待測氣體逸出到所述活塞缸容器之外而產(chǎn)生的液位變化，并根據(jù)所述液位變化來計算所述待測氣體的流量。通過該氣體流量測定裝置實現(xiàn)了在恒定壓力以及不受氣體組分變化的影響的情況下，該氣體流量測定裝置仍能夠準確測量氣體微小且累積的流量。
【專利說明】氣體流量測定裝置和使用該裝置進行氣體流量測定的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種氣體流量測定裝置，特別是一種用在輕烴微滲漏實驗模擬柱的微 量氣體注入定量計量的氣體流量測定裝置。本發(fā)明還涉及使用該裝置進行氣體微小流量測 定的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 測量氣體流量的傳統(tǒng)方法均是選用現(xiàn)有的氣體質(zhì)量流量計。目前氣體質(zhì)量流量計 有差壓類、容積類、速度類等幾種常見的氣體質(zhì)量流量計，這些氣體流量計被廣泛應用于工 業(yè)生產(chǎn)和其它領(lǐng)域。
[0003] 常規(guī)的熱式氣體質(zhì)量流量計的原理是把一個加熱的鉬絲置放于氣體中，當氣體速 度增大時將從鉬絲上帶走更多的熱量，從而使鉬絲溫度下降，并導致鉬絲電阻值下降，根據(jù) 電阻值下降的大小來確定氣體流速的大??；這種測速方式與氣體成分、壓力、溫度都有關(guān) 系，尤其是在氣體不流動時，由于氣體的成份、壓力、溫度變化將明顯引起儀表零輸出的改 變，因此測量的精度不高。
[0004] CN102095460公布了一種補償式熱式氣體質(zhì)量流量計，它采用雙橋電路補償方法， 當氣體的壓力、溫度、成分改變時，均能保證零點的穩(wěn)定，使得在不同條件下能穩(wěn)定、準確地 測量氣體的流量。但是該方法無法滿足對實驗時間長、實驗過程中其氣體組份會發(fā)生緩慢 變化，且累積流量小的模擬實驗中的氣體流量的準確測定；尤其是當模擬實驗中的通徑非 常小的時候，例如當模擬實驗中的通徑小于3mm時，無法實現(xiàn)對上述模擬實驗中的氣體微 小且累積流量的準確測定。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種氣體流量測定裝置， 該氣體流量測定裝置是一種用在輕烴微滲漏實驗模擬柱的微量氣體注入定量計量的氣體 流量測定裝置，以及使用該裝置進行氣體流量測定的方法。該氣體流量測定裝置能夠在不 受壓力變化以及氣體組分變化的影響條件下，準確測量氣體微小且累積的氣體流量。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出了一種氣體流量測定裝置，包括：
[0007] 活塞缸容器，所述活塞缸容器的內(nèi)腔通過活塞分成第一腔和第二腔，其中所述第 一腔容納有待測氣體，
[0008] 容納有液體介質(zhì)的計量容器，所述計量容器與所述活塞缸容器的第二腔形成液體 連通，
[0009] 檢測機構(gòu)，其用于檢測所述計量容器內(nèi)的響應于所述待測氣體逸出到所述活塞缸 容器之外而產(chǎn)生的液位變化，并根據(jù)所述液位變化來計算所述待測氣體的流量。
[0010] 在一個實施例中，本發(fā)明的氣體流量測定裝置還包括與所述活塞缸容器的第一腔 相通的模擬實驗單元，在所述活塞缸容器和模擬單元之間設(shè)有閥門。
[0011] 在一個實施例中，所述模擬實驗單元是飽和水的模擬地層介質(zhì)，所述待測氣體為 烴類氣體。
[0012] 在一個實施例中，所述檢測機構(gòu)包括電容式液位計，其具有密封式穿過所述計量 容器的端蓋并伸入到所述計量容器內(nèi)的探頭。
[0013] 在一個實施例中，本發(fā)明的氣體流量測定裝置還包括與所述計量容器連通的壓力 源，用于使所述計量容器內(nèi)的液體保持在設(shè)定壓力下。
[0014] 在一個實施例中，所述壓力源將高壓氣體充入所述計量容器內(nèi)，以使所述計量容 器內(nèi)的液體保持在設(shè)定壓力下。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，還提供了一種使用該氣體流量測定裝置進行氣體流量測 定的方法，其中，所述氣體流量的精確度為單位時間內(nèi)流量變化為0. 05毫升。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點在于，該氣體流量測定裝置能夠在不受壓力變化以及氣體組分變化 的影響，準確測量氣體微小且累積的氣體流量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 在下文中將基于實施例并參考附圖來對本發(fā)明進行更詳細的描述。其中：
[0018] 圖1是本發(fā)明實施例一提供的氣體流量測定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0019] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0020] 實施例一
[0021] 本發(fā)明實施例一提供了一種氣體流量測定裝置，請參照圖1，圖1為本發(fā)明實施例 一提供的氣體流量測定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖1示出了本發(fā)明的氣體流量測定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，101為氣瓶，102為 氣瓶閥，103為減壓穩(wěn)壓閥，104、108、113為電磁閥，105為智能電容液位計，106、116、118為 手控截止閥，107為壓力變送器，109為模擬實驗單元，110為活塞缸容器，111為活塞，112為 0型圈，114為螺拴，115為計量容器，117為接頭，119為計算機，121為恒溫水浴。
[0023] 氣瓶101的作用：其瓶內(nèi)儲存的高壓氣，例如氮氣，經(jīng)減壓穩(wěn)壓閥103調(diào)節(jié)實驗所 需的大小壓力后，可以穩(wěn)壓輸入，當活塞缸容器110中活塞111上端待測氣體在緩慢損失過 程中，這種溫壓氣經(jīng)計量容器115中流體的傳遞作用，推動活塞缸容器110中的活塞111作 軸向上移，從而起到對待測氣體的穩(wěn)壓作用。
[0024] 減壓穩(wěn)壓閥103的作用：把氣瓶101輸出的高壓氣經(jīng)其調(diào)節(jié)減壓后穩(wěn)壓輸出，調(diào)節(jié) 和控制活塞缸容器110內(nèi)活塞111上端的氣體在實驗時所需壓力的大小。
[0025] 電磁閥104的作用，控制由減壓穩(wěn)壓閥103輸出的低壓氣是否進入計量容器內(nèi)腔 的作用；同時由計算機控制，一旦減壓穩(wěn)壓閥103失靈，則由計算機控制切斷其電源，使其 關(guān)閉。
[0026] 智能電容液位計105,是北京科普斯特自動化儀表有限公司生產(chǎn)的，型號為 CAP-3022智能電容液位計，其對液位變化的分辨率為0. 02mm，測量精度高；準確檢測計量 容器115內(nèi)腔水位微小變化量，其輸出信號則由計算機采集。
[0027] 手控閥106的一端與壓力變送器107和活塞缸容器110上部共同連接，另一端放 空；
[0028] 壓力變送器107的作用：根據(jù)實驗要求，檢測并控制活塞缸容器110輸出氣的壓力 大小，其壓力大小的輸出信號可以由計算機119采集。在忽略活塞摩擦力的條件下，壓力變 送器107的顯示值與減壓穩(wěn)壓閥103的指示值是相等的。
[0029] 電磁閥108的作用：起到控制活塞缸容器110與模擬實驗單元109之間是否連通 的作用。電磁閥108的一端與壓力變送器107和活塞缸容器110上部共同連接，另一端放 空；所述的電磁閥108的一端與壓力變送器107、手控閥106、活塞缸容器110共同連接；電 磁閥108的另一端與模擬實驗單元109的底部連接。
[0030] 活塞缸容器110的作用：容器內(nèi)活塞111上端內(nèi)腔儲存實驗所需的氣體，活塞111 下端內(nèi)腔的液體與計量容器115內(nèi)腔的液體是等壓連通的。
[0031] 活塞111的作用：活塞111與0型圈112的組合體置于活塞缸容器110的內(nèi)腔中， 起到了把氣體與液體隔開的作用；在忽略活塞111與0型圈的組合體與活塞缸容器110內(nèi) 壁之間的軸向移動時的摩擦力作用，由活塞111隔開而不接觸的氣體與液體的壓力始終是 相等的，活塞111的軸向移動起到了使其兩端腔內(nèi)流體壓力始終處于平衡狀態(tài)。
[0032] 0型圈112,置于活塞111的外柱面凹槽內(nèi)，其作用為使得活塞111兩端的空腔互 不連通。
[0033] 電磁閥113的作用：起到控制計量容器115與活塞缸容器110之間是否連通的作 用。
[0034] 螺栓114的作用：起到將智能電容液位計105的法蘭與計量容器115上端部法蘭 固定連接的作用。
[0035] 計量容器115,其與智能電容液位計105的固定組合，該容器的內(nèi)徑值與智能電容 液位計105所檢測的液位變化量是計算氣體流量大小的依據(jù)。
[0036] 手控閥116的作用：根據(jù)實驗所需，起到控制計量容器115上端與計量容器外是否 連通的作用。
[0037] 手控閥118的作用：根據(jù)實驗所需，起到控制計量容器115下端與計量容器外是否 連通的作用。
[0038] 計量容器115、電磁閥113、活塞缸容器110、壓力變送器107、電磁閥108等，通過 管路連接串聯(lián)在一起；氣瓶閥102與減壓穩(wěn)壓閥103的一端連接；減壓穩(wěn)壓閥103的另一 端與電磁閥104的一端連接；電磁閥104另一端與接頭117和手控閥116的一端共同連接， 手控閥的另一端放空；手控閥118的一端與計量容器115底部和電磁閥113共同連接，手控 閥118的另一端放空；手控閥106的一端與壓力變送器107和活塞缸容器110上部共同連 接，另一端放空；電磁閥108的一端與壓力變送器107和活塞缸容器110上部共同連接，另 一端放空；電磁閥108的一端與壓力變送器107、手控閥106,活塞缸容器110共同連接；電 磁閥108的另一端與模擬實驗單元109的底部連接；計算機119的控制器與智能電容液位 計105的輸出信號線以及電磁閥104、108、113的控制線連接。
[0039] 計算機119的作用：定時采集智能電容液位計105的輸出信號；按預先設(shè)置的計 算程序，計算氣體進入模擬實驗單元109內(nèi)部結(jié)構(gòu)(飽和水的模擬地層介質(zhì))后的微注入量； 定時采集壓力變送器107的輸出信號，以判斷實驗過程活塞缸容器中氣體壓力是否穩(wěn)定； 若氣體壓力有波動，嚴重不穩(wěn)定時，則由計算機按控制程序把電磁閥104、108、113關(guān)閉，并 報警檢查，此時則起到了安全保護作用。
[0040] 恒溫水溶121的作用，使得計量容器與活塞缸容器的介質(zhì)在測定過程中保持恒溫 狀態(tài)，防止氣體體積受溫度變化影響，從而提高了該測量裝置的精確度。
[0041] 本發(fā)明實施例一提供的氣體流量測定裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中在恒定壓力以及不 受氣體組分變化影響的情況下，無法準確測量氣體微小且累積流量的缺陷，實現(xiàn)了在恒定 壓力以及不受氣體組分變化的影響的情況下，該氣體流量測定裝置仍能夠準確測量氣體微 小且累積的流量。
[0042] 實施例二
[0043] 本發(fā)明實施例二提供了一種使用該氣體流量測定裝置進行氣體流量測定的方法， 其中，氣體流量的精確度為單位時間內(nèi)流量變化為0.05毫升。單位時間可以根據(jù)具體情況 進行設(shè)置，具體為：
[0044] 若選用的單位時間為小時，則氣體流量的精確度能夠達到0. 05ml / h，即使用該 氣體流量測定裝置進行氣體流量測定的方法所能夠準確測定的氣體流量的數(shù)值為等于或 大于 0· 05ml / h ;
[0045] 若選用的單位時間為天，則氣體流量的精確度能夠達到0. 05ml /天，即使用該氣 體流量測定裝置進行氣體流量測定的方法所能夠準確測定的氣體流量的數(shù)值為等于或大 于 0. 05ml / 天；
[0046] 上述測定方法中的單位時間可以依據(jù)實際情況而有所有不同，還可以將單位時間 設(shè)置為一周，具體時間基于氣體微滲漏的速率，在此處不再贅述。
[0047] 當活塞缸容器中活塞上端的待測流體恒壓進入模擬實驗裝置后就會慢慢地發(fā)生 滲漏和擴散，就在這被測氣體的量慢慢損失的過程中，在減壓穩(wěn)壓閥所輸出的恒壓作用下， 活塞缸容器中活塞下端的流體推動該活塞慢慢地上移,使活塞上方待測氣體的壓力始終保 持不變。在某一段時間內(nèi)，活塞慢慢上移的位移量，就是待測氣體在某段時間內(nèi)的損失量。 由于計量容器和活塞缸容器是處在同一恒壓恒溫的環(huán)境中，所以活塞缸容器中活塞上移的 位移量和計量容器中的電容液位計所測量的位移變化值是相等的。計量容器的電容液位計 檢測的液位變化值與電容液位計所處液面面積的乘積是液位下移的體積（ml)，而該液位下 移的體積與活塞缸容器中活塞上移的被測氣體的損失量的體積相等，其中，該待測液體的 壓力是壓力變送器的顯示值，溫度為恒溫水浴顯示值。
[0048] 計算公式：
[0049] 設(shè)電容液位計顯示值為Hw (cm)，液體液位水平截面積為Sw (cm2)，液體變化體積 為Vw (ml)，待測氣體的體積為Vg (ml)，待測氣體的壓力為Pg (MPa);兩次測量的時間間 隔為t (min)，待測氣體的流量為Qg (ml/min)，
[0050] 則根據(jù)下述公式（1)計算待測氣體的流量：
[0051] Qg= (Pg*Sw*Hw)/P〇t (ml/min)-公式（1 )，其中，公式（1)中的 Sw 和 Hw 均為已 知值，Pg為被測氣體實驗設(shè)定的已知讀數(shù)（MPa)。
[0052] 本發(fā)明實施例二提供的氣體流量測定方法，活塞缸容器的內(nèi)腔通過活塞分成第一 腔和第二腔，通過所述活塞缸容器的第一腔容納有待測氣體；計量容器與所述活塞缸容器 的第二腔形成液體連通，通過所述計量容器容納有液體介質(zhì)；通過檢測機構(gòu)，檢測所述計量 容器內(nèi)的響應與所述待測氣體逸出到所述活塞缸容器之外而產(chǎn)生的液位變化，并根據(jù)所述 液位變化來計算所述待測氣體的流量；上述過程實現(xiàn)了在恒定壓力以及不受氣體組分變化 影響的情況下，仍能夠準確測量微小且累積的氣體流量。
[0053] 為了使得本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的氣體流量測定方法，下面列 舉一個實例詳細說明，具體如下所述：
[0054] (1)將實驗的輔助設(shè)備真空泵的抽氣口與手控閥106的放空端連接，并開啟電磁 閥108后，啟動真空泵對活塞111上端的活塞缸容器110的內(nèi)腔和模擬實驗單元109的內(nèi) 部結(jié)構(gòu)同時抽真空，片刻后關(guān)閉電磁閥108和手控閥106,再停真空泵。
[0055] (2)把真空泵抽氣口從手控閥106的放空端卸下，把按組份比例配制調(diào)節(jié)好的烴 類氣體氣源瓶的低壓出口端與手控閥106的放空端連接好。
[0056] (3)把電磁113和手控閥116打開，電磁閥104、手控閥118關(guān)閉，此時活塞111下 端的活塞缸容器110的內(nèi)腔與計量容器115內(nèi)腔連通，并通過手控116放空端與大氣壓連 通。
[0057] (4)把烴類氣體的氣源瓶閥和手控閥106打開，使烴類氣體慢慢進入活塞缸容器 110和活塞111上端的真空內(nèi)腔，這時壓力變送器107顯示的壓力逐漸上升，直至顯示所需 的壓力后立即關(guān)上手控閥106,由于活塞缸容器110內(nèi)的活塞111上端烴類氣體的壓力大于 活塞111下端的壓力，所以此時活塞111的位置已下移至活塞缸容器110的底部。
[0058] (5)把注水泵或盛水容器的出水口與手控閥118的放空端連接，把手控閥118打 開，此時手控閥116開啟著，，用注水泵或抬升盛水容器的高度往計量容器115的內(nèi)腔注水， 直至手控閥116的放空端出水，此時就關(guān)閉手控閥118和116。
[0059] (6)打開氣瓶閥102,調(diào)節(jié)減壓穩(wěn)壓閥103的低壓輸出壓力應符合要求后，打開電 磁閥104,讓氣瓶101中的N 2以所需的穩(wěn)定壓力進入計量容器115內(nèi)腔，使有壓的N2氣與腔 內(nèi)無壓的水面接觸，使腔內(nèi)原來的無壓水變成與輸入N 2等壓的低壓水。由于計量容器115 的內(nèi)腔與活塞缸容器110中活塞111下端的內(nèi)腔是通過電磁閥113的開通而相互連通的， 根據(jù)力的傳遞性質(zhì)，在不考慮水柱靜壓的條件下，活塞111下端內(nèi)腔的水壓與計量容器內(nèi) 腔的水壓是相等的。同時，在不計活塞111和〇形圈112在活塞缸容器110內(nèi)腔滑動過程 的摩擦力時，則活塞111上下兩端介質(zhì)的內(nèi)壓力也是相等的。
[0060] (7)開通電磁閥108,讓活塞缸容器110中活塞111上端內(nèi)腔中的烴類氣體進入模 擬實驗單元109的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為飽和水的模擬地層。在這個測量系統(tǒng)中，只有模 擬實驗單元109的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是微孔隙結(jié)構(gòu)，因此從活塞缸容器110中流出的烴類氣體，經(jīng)電 磁閥注入該內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就會發(fā)生緩慢的、逐步的微滲漏，這樣活塞缸容器110內(nèi)腔活塞111 上端的氣體壓力也逐漸減小，其結(jié)果是活塞111上端的氣體壓力小于活塞下端的水壓力， 由于活塞下端的水壓與計量容器115內(nèi)腔水的N 2壓力相等，同時N2氣的壓力又是經(jīng)減壓穩(wěn) 壓閥103恒壓控制的，于是活塞缸容器110中的活塞111作軸向上移，使計量容器115中的 液位一起作與活塞上移體積相等的下移，該下移的位移量也就是智能電容液位計105所測 到的液位變化值。
[0061] (8)調(diào)整智能電容液位計的初始輸出信號，并由計算機119按時采集其輸出信號 值，經(jīng)預先設(shè)置的計算程序，即可得到某時間內(nèi)烴類氣體的流量值。
[0062] 最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡 管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應當理解：其依然可以 對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而 這些修改或者替換，并不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范 圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種氣體流量測定裝置，包括： 活塞缸容器，所述活塞缸容器的內(nèi)腔通過活塞分成第一腔和第二腔，其中所述第一腔 容納有待測氣體， 容納有液體介質(zhì)的計量容器，所述計量容器與所述活塞缸容器的第二腔形成液體連 通， 檢測機構(gòu)，其用于檢測所述計量容器內(nèi)的響應于所述待測氣體逸出到所述活塞缸容器 之外而產(chǎn)生的液位變化，并根據(jù)所述液位變化來計算所述待測氣體的流量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定裝置，其特征在于，還包括與所述活塞缸容器的第一腔 相通的模擬實驗單元，在所述活塞缸容器和模擬單元之間設(shè)有閥門。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測定裝置，其特征在于，所述模擬實驗單元是飽和水的模擬 地層介質(zhì)，所述待測氣體為烴類氣體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項所述的測定裝置，其特征在于，所述檢測機構(gòu)包括電容 式液位計，其具有密封式穿過所述計量容器的端蓋并伸入到所述計量容器內(nèi)的探頭。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的測定裝置，其特征在于，還包括與所述計量容器 連通的壓力源，用于使所述計量容器內(nèi)的液體保持在設(shè)定壓力下。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測定裝置，其特征在于，所述壓力源將高壓氣體充入所述計 量容器內(nèi)，以使所述計量容器內(nèi)的液體保持在設(shè)定壓力下。
7. -種使用根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項的氣體流量測定裝置進行氣體流量測定的方 法，其中，所述氣體流量的精確度為單位時間內(nèi)流量變化為0. 05毫升。
【文檔編號】G01F1/52GK104215282SQ201310210110
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月30日
【發(fā)明者】王國建, 黃臣軍, 張宗元, 陳偉鈞, 盧麗, 陳銀節(jié), 楊俊 , 劉仿俊 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院