气体流量测定装置和使用该装置进行气体流量测定的方法
【专利摘要】本发明涉及一种气体流量测定装置以及使用该气体流量测定装置进行气体流量测定的方法。所述气体流量测定装置包括活塞缸容器，所述活塞缸容器的内腔通过活塞分成第一腔和第二腔，其中所述第一腔容纳有待测气体，容纳有液体介质的计量容器，所述计量容器与所述活塞缸容器的第二腔形成液体连通，检测机构，其用于检测所述计量容器内的响应于所述待测气体逸出到所述活塞缸容器之外而产生的液位变化，并根据所述液位变化来计算所述待测气体的流量。通过该气体流量测定装置实现了在恒定压力以及不受气体组分变化的影响的情况下，该气体流量测定装置仍能够准确测量气体微小且累积的流量。
【专利说明】气体流量测定装置和使用该装置进行气体流量测定的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种气体流量测定装置，特别是一种用在轻烃微渗漏实验模拟柱的微 量气体注入定量计量的气体流量测定装置。本发明还涉及使用该装置进行气体微小流量测 定的方法。

【背景技术】
[0002] 测量气体流量的传统方法均是选用现有的气体质量流量计。目前气体质量流量计 有差压类、容积类、速度类等几种常见的气体质量流量计，这些气体流量计被广泛应用于工 业生产和其它领域。
[0003] 常规的热式气体质量流量计的原理是把一个加热的钼丝置放于气体中，当气体速 度增大时将从钼丝上带走更多的热量，从而使钼丝温度下降，并导致钼丝电阻值下降，根据 电阻值下降的大小来确定气体流速的大小；这种测速方式与气体成分、压力、温度都有关 系，尤其是在气体不流动时，由于气体的成份、压力、温度变化将明显引起仪表零输出的改 变，因此测量的精度不高。
[0004] CN102095460公布了一种补偿式热式气体质量流量计，它采用双桥电路补偿方法， 当气体的压力、温度、成分改变时，均能保证零点的稳定，使得在不同条件下能稳定、准确地 测量气体的流量。但是该方法无法满足对实验时间长、实验过程中其气体组份会发生缓慢 变化，且累积流量小的模拟实验中的气体流量的准确测定；尤其是当模拟实验中的通径非 常小的时候，例如当模拟实验中的通径小于3mm时，无法实现对上述模拟实验中的气体微 小且累积流量的准确测定。


【发明内容】

[0005] 针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种气体流量测定装置， 该气体流量测定装置是一种用在轻烃微渗漏实验模拟柱的微量气体注入定量计量的气体 流量测定装置，以及使用该装置进行气体流量测定的方法。该气体流量测定装置能够在不 受压力变化以及气体组分变化的影响条件下，准确测量气体微小且累积的气体流量。
[0006] 根据本发明的第一方面，提出了一种气体流量测定装置，包括：
[0007] 活塞缸容器，所述活塞缸容器的内腔通过活塞分成第一腔和第二腔，其中所述第 一腔容纳有待测气体，
[0008] 容纳有液体介质的计量容器，所述计量容器与所述活塞缸容器的第二腔形成液体 连通，
[0009] 检测机构，其用于检测所述计量容器内的响应于所述待测气体逸出到所述活塞缸 容器之外而产生的液位变化，并根据所述液位变化来计算所述待测气体的流量。
[0010] 在一个实施例中，本发明的气体流量测定装置还包括与所述活塞缸容器的第一腔 相通的模拟实验单元，在所述活塞缸容器和模拟单元之间设有阀门。
[0011] 在一个实施例中，所述模拟实验单元是饱和水的模拟地层介质，所述待测气体为 烃类气体。
[0012] 在一个实施例中，所述检测机构包括电容式液位计，其具有密封式穿过所述计量 容器的端盖并伸入到所述计量容器内的探头。
[0013] 在一个实施例中，本发明的气体流量测定装置还包括与所述计量容器连通的压力 源，用于使所述计量容器内的液体保持在设定压力下。
[0014] 在一个实施例中，所述压力源将高压气体充入所述计量容器内，以使所述计量容 器内的液体保持在设定压力下。
[0015] 根据本发明的第二方面，还提供了一种使用该气体流量测定装置进行气体流量测 定的方法，其中，所述气体流量的精确度为单位时间内流量变化为0. 05毫升。
[0016] 本发明的优点在于，该气体流量测定装置能够在不受压力变化以及气体组分变化 的影响，准确测量气体微小且累积的气体流量。

【专利附图】

【附图说明】
[0017] 在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
[0018] 图1是本发明实施例一提供的气体流量测定装置的结构示意图。

【具体实施方式】
[0019] 下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0020] 实施例一
[0021] 本发明实施例一提供了一种气体流量测定装置，请参照图1，图1为本发明实施例 一提供的气体流量测定装置的结构示意图。
[0022] 图1示出了本发明的气体流量测定装置的结构示意图。其中，101为气瓶，102为 气瓶阀，103为减压稳压阀，104、108、113为电磁阀，105为智能电容液位计，106、116、118为 手控截止阀，107为压力变送器，109为模拟实验单元，110为活塞缸容器，111为活塞，112为 0型圈，114为螺拴，115为计量容器，117为接头，119为计算机，121为恒温水浴。
[0023] 气瓶101的作用：其瓶内储存的高压气，例如氮气，经减压稳压阀103调节实验所 需的大小压力后，可以稳压输入，当活塞缸容器110中活塞111上端待测气体在缓慢损失过 程中，这种温压气经计量容器115中流体的传递作用，推动活塞缸容器110中的活塞111作 轴向上移，从而起到对待测气体的稳压作用。
[0024] 减压稳压阀103的作用：把气瓶101输出的高压气经其调节减压后稳压输出，调节 和控制活塞缸容器110内活塞111上端的气体在实验时所需压力的大小。
[0025] 电磁阀104的作用，控制由减压稳压阀103输出的低压气是否进入计量容器内腔 的作用；同时由计算机控制，一旦减压稳压阀103失灵，则由计算机控制切断其电源，使其 关闭。
[0026] 智能电容液位计105,是北京科普斯特自动化仪表有限公司生产的，型号为 CAP-3022智能电容液位计，其对液位变化的分辨率为0. 02mm，测量精度高；准确检测计量 容器115内腔水位微小变化量，其输出信号则由计算机采集。
[0027] 手控阀106的一端与压力变送器107和活塞缸容器110上部共同连接，另一端放 空；
[0028] 压力变送器107的作用：根据实验要求，检测并控制活塞缸容器110输出气的压力 大小，其压力大小的输出信号可以由计算机119采集。在忽略活塞摩擦力的条件下，压力变 送器107的显示值与减压稳压阀103的指示值是相等的。
[0029] 电磁阀108的作用：起到控制活塞缸容器110与模拟实验单元109之间是否连通 的作用。电磁阀108的一端与压力变送器107和活塞缸容器110上部共同连接，另一端放 空；所述的电磁阀108的一端与压力变送器107、手控阀106、活塞缸容器110共同连接；电 磁阀108的另一端与模拟实验单元109的底部连接。
[0030] 活塞缸容器110的作用：容器内活塞111上端内腔储存实验所需的气体，活塞111 下端内腔的液体与计量容器115内腔的液体是等压连通的。
[0031] 活塞111的作用：活塞111与0型圈112的组合体置于活塞缸容器110的内腔中， 起到了把气体与液体隔开的作用；在忽略活塞111与0型圈的组合体与活塞缸容器110内 壁之间的轴向移动时的摩擦力作用，由活塞111隔开而不接触的气体与液体的压力始终是 相等的，活塞111的轴向移动起到了使其两端腔内流体压力始终处于平衡状态。
[0032] 0型圈112,置于活塞111的外柱面凹槽内，其作用为使得活塞111两端的空腔互 不连通。
[0033] 电磁阀113的作用：起到控制计量容器115与活塞缸容器110之间是否连通的作 用。
[0034] 螺栓114的作用：起到将智能电容液位计105的法兰与计量容器115上端部法兰 固定连接的作用。
[0035] 计量容器115,其与智能电容液位计105的固定组合，该容器的内径值与智能电容 液位计105所检测的液位变化量是计算气体流量大小的依据。
[0036] 手控阀116的作用：根据实验所需，起到控制计量容器115上端与计量容器外是否 连通的作用。
[0037] 手控阀118的作用：根据实验所需，起到控制计量容器115下端与计量容器外是否 连通的作用。
[0038] 计量容器115、电磁阀113、活塞缸容器110、压力变送器107、电磁阀108等，通过 管路连接串联在一起；气瓶阀102与减压稳压阀103的一端连接；减压稳压阀103的另一 端与电磁阀104的一端连接；电磁阀104另一端与接头117和手控阀116的一端共同连接， 手控阀的另一端放空；手控阀118的一端与计量容器115底部和电磁阀113共同连接，手控 阀118的另一端放空；手控阀106的一端与压力变送器107和活塞缸容器110上部共同连 接，另一端放空；电磁阀108的一端与压力变送器107和活塞缸容器110上部共同连接，另 一端放空；电磁阀108的一端与压力变送器107、手控阀106,活塞缸容器110共同连接；电 磁阀108的另一端与模拟实验单元109的底部连接；计算机119的控制器与智能电容液位 计105的输出信号线以及电磁阀104、108、113的控制线连接。
[0039] 计算机119的作用：定时采集智能电容液位计105的输出信号；按预先设置的计 算程序，计算气体进入模拟实验单元109内部结构(饱和水的模拟地层介质)后的微注入量； 定时采集压力变送器107的输出信号，以判断实验过程活塞缸容器中气体压力是否稳定； 若气体压力有波动，严重不稳定时，则由计算机按控制程序把电磁阀104、108、113关闭，并 报警检查，此时则起到了安全保护作用。
[0040] 恒温水溶121的作用，使得计量容器与活塞缸容器的介质在测定过程中保持恒温 状态，防止气体体积受温度变化影响，从而提高了该测量装置的精确度。
[0041] 本发明实施例一提供的气体流量测定装置，解决了现有技术中在恒定压力以及不 受气体组分变化影响的情况下，无法准确测量气体微小且累积流量的缺陷，实现了在恒定 压力以及不受气体组分变化的影响的情况下，该气体流量测定装置仍能够准确测量气体微 小且累积的流量。
[0042] 实施例二
[0043] 本发明实施例二提供了一种使用该气体流量测定装置进行气体流量测定的方法， 其中，气体流量的精确度为单位时间内流量变化为0.05毫升。单位时间可以根据具体情况 进行设置，具体为：
[0044] 若选用的单位时间为小时，则气体流量的精确度能够达到0. 05ml / h，即使用该 气体流量测定装置进行气体流量测定的方法所能够准确测定的气体流量的数值为等于或 大于 0· 05ml / h ;
[0045] 若选用的单位时间为天，则气体流量的精确度能够达到0. 05ml /天，即使用该气 体流量测定装置进行气体流量测定的方法所能够准确测定的气体流量的数值为等于或大 于 0. 05ml / 天；
[0046] 上述测定方法中的单位时间可以依据实际情况而有所有不同，还可以将单位时间 设置为一周，具体时间基于气体微渗漏的速率，在此处不再赘述。
[0047] 当活塞缸容器中活塞上端的待测流体恒压进入模拟实验装置后就会慢慢地发生 渗漏和扩散，就在这被测气体的量慢慢损失的过程中，在减压稳压阀所输出的恒压作用下， 活塞缸容器中活塞下端的流体推动该活塞慢慢地上移,使活塞上方待测气体的压力始终保 持不变。在某一段时间内，活塞慢慢上移的位移量，就是待测气体在某段时间内的损失量。 由于计量容器和活塞缸容器是处在同一恒压恒温的环境中，所以活塞缸容器中活塞上移的 位移量和计量容器中的电容液位计所测量的位移变化值是相等的。计量容器的电容液位计 检测的液位变化值与电容液位计所处液面面积的乘积是液位下移的体积（ml)，而该液位下 移的体积与活塞缸容器中活塞上移的被测气体的损失量的体积相等，其中，该待测液体的 压力是压力变送器的显示值，温度为恒温水浴显示值。
[0048] 计算公式：
[0049] 设电容液位计显示值为Hw (cm)，液体液位水平截面积为Sw (cm2)，液体变化体积 为Vw (ml)，待测气体的体积为Vg (ml)，待测气体的压力为Pg (MPa);两次测量的时间间 隔为t (min)，待测气体的流量为Qg (ml/min)，
[0050] 则根据下述公式（1)计算待测气体的流量：
[0051] Qg= (Pg*Sw*Hw)/P〇t (ml/min)-公式（1 )，其中，公式（1)中的 Sw 和 Hw 均为已 知值，Pg为被测气体实验设定的已知读数（MPa)。
[0052] 本发明实施例二提供的气体流量测定方法，活塞缸容器的内腔通过活塞分成第一 腔和第二腔，通过所述活塞缸容器的第一腔容纳有待测气体；计量容器与所述活塞缸容器 的第二腔形成液体连通，通过所述计量容器容纳有液体介质；通过检测机构，检测所述计量 容器内的响应与所述待测气体逸出到所述活塞缸容器之外而产生的液位变化，并根据所述 液位变化来计算所述待测气体的流量；上述过程实现了在恒定压力以及不受气体组分变化 影响的情况下，仍能够准确测量微小且累积的气体流量。
[0053] 为了使得本领域的普通技术人员更好地理解本发明的气体流量测定方法，下面列 举一个实例详细说明，具体如下所述：
[0054] (1)将实验的辅助设备真空泵的抽气口与手控阀106的放空端连接，并开启电磁 阀108后，启动真空泵对活塞111上端的活塞缸容器110的内腔和模拟实验单元109的内 部结构同时抽真空，片刻后关闭电磁阀108和手控阀106,再停真空泵。
[0055] (2)把真空泵抽气口从手控阀106的放空端卸下，把按组份比例配制调节好的烃 类气体气源瓶的低压出口端与手控阀106的放空端连接好。
[0056] (3)把电磁113和手控阀116打开，电磁阀104、手控阀118关闭，此时活塞111下 端的活塞缸容器110的内腔与计量容器115内腔连通，并通过手控116放空端与大气压连 通。
[0057] (4)把烃类气体的气源瓶阀和手控阀106打开，使烃类气体慢慢进入活塞缸容器 110和活塞111上端的真空内腔，这时压力变送器107显示的压力逐渐上升，直至显示所需 的压力后立即关上手控阀106,由于活塞缸容器110内的活塞111上端烃类气体的压力大于 活塞111下端的压力，所以此时活塞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与手控阀118的放空端连接，把手控阀118打 开，此时手控阀116开启着，，用注水泵或抬升盛水容器的高度往计量容器115的内腔注水， 直至手控阀116的放空端出水，此时就关闭手控阀118和116。
[0059] (6)打开气瓶阀102,调节减压稳压阀103的低压输出压力应符合要求后，打开电 磁阀104,让气瓶101中的N 2以所需的稳定压力进入计量容器115内腔，使有压的N2气与腔 内无压的水面接触，使腔内原来的无压水变成与输入N 2等压的低压水。由于计量容器115 的内腔与活塞缸容器110中活塞111下端的内腔是通过电磁阀113的开通而相互连通的， 根据力的传递性质，在不考虑水柱静压的条件下，活塞111下端内腔的水压与计量容器内 腔的水压是相等的。同时，在不计活塞111和〇形圈112在活塞缸容器110内腔滑动过程 的摩擦力时，则活塞111上下两端介质的内压力也是相等的。
[0060] (7)开通电磁阀108,让活塞缸容器110中活塞111上端内腔中的烃类气体进入模 拟实验单元109的内部结构，其内部结构为饱和水的模拟地层。在这个测量系统中，只有模 拟实验单元109的内部结构是微孔隙结构，因此从活塞缸容器110中流出的烃类气体，经电 磁阀注入该内部结构，就会发生缓慢的、逐步的微渗漏，这样活塞缸容器110内腔活塞111 上端的气体压力也逐渐减小，其结果是活塞111上端的气体压力小于活塞下端的水压力， 由于活塞下端的水压与计量容器115内腔水的N 2压力相等，同时N2气的压力又是经减压稳 压阀103恒压控制的，于是活塞缸容器110中的活塞111作轴向上移，使计量容器115中的 液位一起作与活塞上移体积相等的下移，该下移的位移量也就是智能电容液位计105所测 到的液位变化值。
[0061] (8)调整智能电容液位计的初始输出信号，并由计算机119按时采集其输出信号 值，经预先设置的计算程序，即可得到某时间内烃类气体的流量值。
[0062] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽 管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以 对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而 这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范 围。
【权利要求】
1. 一种气体流量测定装置，包括： 活塞缸容器，所述活塞缸容器的内腔通过活塞分成第一腔和第二腔，其中所述第一腔 容纳有待测气体， 容纳有液体介质的计量容器，所述计量容器与所述活塞缸容器的第二腔形成液体连 通， 检测机构，其用于检测所述计量容器内的响应于所述待测气体逸出到所述活塞缸容器 之外而产生的液位变化，并根据所述液位变化来计算所述待测气体的流量。
2. 根据权利要求1所述的测定装置，其特征在于，还包括与所述活塞缸容器的第一腔 相通的模拟实验单元，在所述活塞缸容器和模拟单元之间设有阀门。
3. 根据权利要求2所述的测定装置，其特征在于，所述模拟实验单元是饱和水的模拟 地层介质，所述待测气体为烃类气体。
4. 根据权利要求1到3中任一项所述的测定装置，其特征在于，所述检测机构包括电容 式液位计，其具有密封式穿过所述计量容器的端盖并伸入到所述计量容器内的探头。
5. 根据权利要求1到4中任一项所述的测定装置，其特征在于，还包括与所述计量容器 连通的压力源，用于使所述计量容器内的液体保持在设定压力下。
6. 根据权利要求5所述的测定装置，其特征在于，所述压力源将高压气体充入所述计 量容器内，以使所述计量容器内的液体保持在设定压力下。
7. -种使用根据权利要求1-6中任一项的气体流量测定装置进行气体流量测定的方 法，其中，所述气体流量的精确度为单位时间内流量变化为0. 05毫升。
【文档编号】G01F1/52GK104215282SQ201310210110
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年5月30日 优先权日:2013年5月30日
【发明者】王国建, 黄臣军, 张宗元, 陈伟钧, 卢丽, 陈银节, 杨俊 , 刘仿俊 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院