测量终点处的混合气体的浓度的制作方法

1.本公开涉及燃气计量和燃气表组，并且更具体地涉及测量分配系统的端点处的混合气体的浓度。


背景技术：

2.当前的气体测量装置测量被测量的特定气体的体积。当两种或更多种气体混合在一起时，该测量装置测量两种气体的体积，就像它们是一种气体一样。随着混合气体(例如氢气、垃圾填埋气、天然气等)的引入，该测量装置需要一种方式来确定混合物中每种气体的浓度。


技术实现要素：

3.根据多个实施方式，提出了一种超声波传感器装置和一种超声波传感器系统，其被配置为执行使用超声波来确定混合气体流中的各气体的比率或浓度的方法。提供了一种使分配系统与超声波传感器装置和/或超声波传感器系统适配的方法。
4.在第一方面，存在一种超声波传感器装置，其包括：测量室；超声波传感器，其耦合到该测量室以产生超声波信号，利用该超声波信号来确定该测量室中的混合气体流中的声速。耦合所述超声波传感器以将超声波信号或所述声速提供至处理单元，该处理单元被配置为响应于所述声速确定所述混合气体中的各气体的浓度；并且所述处理单元进一步被配置为呈现所述声速、各气体的浓度以及从所述声速确定的其他数据中的至少一种。
5.第一方面的超声波传感器装置可以包括用于测量所述室中的温度的温度传感器，该温度传感器向所述处理单元提供温度信号，利用该温度信号来确定从所述声速确定的数据。
6.在第一方面的超声波传感器装置中，所述超声波传感器可以包括传感器波发生器和传感器波检测器，优选地位于所述测量室的同一侧以接收反射波信号。
7.在第一方面的超声波传感器装置中，所述测量室可以是与所述超声波传感器适配的分配系统的预先存在的部件。
8.在第二方面，提供了一种超声波传感器系统，其包括根据前述权利要求中任一项所述的超声波传感器装置以及控制器板，该控制器板包括与其耦合的处理单元。
9.在任何方面，所述处理单元可以被配置为根据混合气体的绝热常数和混合气体的摩尔值来确定各气体的浓度。
10.在任何方面，所述处理单元可以根据混合气体中的声速vs来确定各气体的浓度，该vs根据如下方程式：
[0011][0012]
其中γ是混合气体的绝热常数，r是气体常数，t是温度，并且m是混合气体的摩尔质量。如果混合气体是二元气体，则γ可以用以下方程式确定：
[0013][0014]
其中x是混合气体的第一气体的摩尔分数；并且
[0015]
m可以通过以下方式式来确定：
[0016]m混合物
＝xm1 (1-x)m2[0017]
其中m1和m2是混合气体的第一气体和第二气体的摩尔质量。
[0018]
在任何方面，所述处理单元可以被配置为(例如，先验地)知道混合气体中的每种气体的气体类型。
[0019]
在任何方面，所述处理单元可耦合到警报装置，所述处理单元响应于测量室阈值发出警报信号。
[0020]
在任何方面，所述处理单元可耦合到控制系统，所述处理单元响应于测量室阈值提供控制信号以控制所述测量室内的流量。
[0021]
在任何方面，所述处理单元可以耦合到板外装置以传送所述声速和从所述声速确定的数据中的任意一个。
[0022]
在第三方面，提供了一种仪表组，其包括仪表主体和第二方面的超声波系统，其中该仪表主体包括所述测量室，其中仪表组处理单元包括所述超声波系统的处理单元，并且其中所述超声波传感器经定位以测量仪表组室中的声速。
[0023]
在该第三方面，所述仪表组可以包括耦合到所述仪表组处理单元的至少以下之一：压力传感器，用于测量所述仪表组中的压力；和流量传感器，其响应于通过所述仪表组的气体流量以测量气体体积、流速或两者。
[0024]
在第四方面，提供了一种适配分配系统的方法，该方法包括：
[0025]
a.选择分配系统的现有组件来限定测量室；
[0026]
b.使该测量室适配超声波传感器；
[0027]
c.确定由该超声波传感器产生和检测的波信号行进的距离；和
[0028]
d.配置处理单元以确定并呈现在该测量室中流动的混合气体的声速和从该声速确定的数据中的至少一者。
[0029]
在该第四方面，所述方法可以包括使测量室适配耦合到处理单元的温度传感器，以提供温度信号，利用该温度信号来确定从该声速确定的数据。
[0030]
在该第四方面，所述方法可包括配置具有测量室阈值的处理单元，用于响应于所述分配系统在该测量室阈值之外的操作而提供警报信号和控制信号中的至少一者。
附图说明
[0031]
图1是根据一个实施方式的被配置为确定终点处混合气体的浓度的分配系统的一部分的框图。
[0032]
图2是根据一个实施方式的被配置为确定终点处混合气体的浓度的分配系统的一部分的框图。
[0033]
图3是根据一个实施方式的被配置为确定终点处混合气体的浓度的燃气表组的图示。
[0034]
图4是示出在声速和混合气体组成测量值x之间在0-1标度上的关系的图。
[0035]
图5是根据一个实施方式的操作的流程图。
具体实施方式
[0036]
管道系统跨大洲运输天然气。天然气从井中进入输送系统。可以制造其他气体例如氢气，可以在整个输送系统的各个点引入来自垃圾填埋场的垃圾填埋气以及其他气体。输送管道可以是100％的特定气体或多种气体的混合物。
[0037]
许多主要的洲际管道都是“环形”的——有两条或更多条线路以相同的通行权彼此平行运行。这为每条管道提供了输送不同量不同混合气体的机会。
[0038]
当输送管道中的混合气体到达当地燃气公用事业公司时，通常会经过“门站”，即输送系统的终点。公用事业公司经常在许多不同地点和从多个不同管道设有接收气体的门站。在门站，混合气体可以作为整体或部分混合物进行分离。举例来说，如果接收氢气和天然气的50/50混合气体，则可以去除全部50％的天然气或者可以去除30％的氢气。
[0039]
然后，混合气体通过门站进入当地分配公司的系统。根据当地分配公司的规模，可以有一到几十个输送系统终点。从那里，混合气体流经一系列不同尺寸和压力的管道，然后到达当地分配公司终点或客户的消费地点。根据分配系统的规模，终点的数量可以从数千到数百万不等。当地分配公司终点包括住宅、商业和工业客户。
[0040]
气体以体积计量并以能量单位出售。换算在计算机计费系统中进行。在输送和/或分配系统的终点测量混合物的体积。一旦在多个位置确定了能量值，该值就被应用于计算机计费系统中的所有终点。
[0041]
作为非限制性示例，天然气分配公司在五个位置(每个位置一个输送终点)接收输送气体以分配给700,000个客户(每个客户一个分配终点)。在五个输送终点，只有一个传输混合气体或100％氢气，其与在其他输送终点接收的天然气混合。在该输送终点，确定与天然气混合的氢气百分比并将其应用于所有700,000个分配终点/客户。位于分配系统与初始混合点相对侧的分配终点/客户将接收很少的(如果有的话)混合气体，而靠近混合点的分配终点/客户将接收所有混合气体。
[0042]
这一方法不能准确地确定每个分配终点处来自混合气体的能量。当混合气体通过输送系统和分配系统时，每个终点的浓度可能并且确实会发生变化。因此，一些终点具有较高的能量值，而一些终点具有较低的能量值。为了获得更准确的测量混合气体能量的方法，在每个分配系统终点处确定混合物的浓度。
[0043]
在一个实施方式中，如进一步描述的，提供了一种方法来确定每个分配终点处的混合气体的浓度并因此确定该分配终点处的能量值。
[0044]
气体组分比率未知的的混合气体
[0045]
如果混合气体的气体组分比率未知，或者想要更准确地测量其热值，则测量气体组分的比率。根据本文中的技术和实施方式，提供了一种测量气体组分的比率的超声波方法。
[0046]
在一个实施方式中，所述超声波方法涉及通过管道或含有气体的其他室或容器发送超声波。如果超声波垂直于气流方向传播，则气流的速度不应影响超声波的速度。通过测量超声波穿过管道直径行进所需的时间，可以计算出气体混合物的声速。
[0047]
图1示出了根据一个实施方式的分配系统100在其终点处的一部分的图示。容器102(例如测量室)含有混合气体流，例如两种气体的混合物，其如箭头104a和104b所示流过该容器。
[0048]
混合气体流流过测量点106。在测量点106处，在容器102的相对侧102a和102b上并且垂直于流104a、104b定位有传感器波发生器108和传感器波检测器110。超声波112描绘为在传感器波发生器108和传感器波检测器110之间行进。箭头104a描绘了测量之前的气体流(例如未知浓度的混合气体)，而箭头104b描绘了测量后的气体流(例如已知浓度的混合气体)。
[0049]
传感器波发生器108和传感器波检测器110经由传感器/信号接口124耦合到微处理器控制器板120(例如具有处理单元122)。在一个实施方式中，传感器波发生器108和传感器波检测器110使用相应的引线108a和110a来耦合。处理单元发送信号以启动传感器波发生器并从波检测器110接收传感器波检测器数据。在一个实施方式中，处理单元例如使用来自传感器(例如110)的超声波信号(数据)以及由处理单元确定的在发生器108和检测器110之间随时间行进的距离，来计算混合气体中的声速。耦合到处理单元的存储装置126存储用于处理单元的数据(例如距离)和指令，例如以配置其操作。
[0050]
在一个实施方式中，处理单元从超声波传感器接收声速，此类传感器使用行进的距离来计算速度。
[0051]
在一个实施方式中，控制器板输出混合气体中的声速以及由其计算出的数据中的任意一个或多个。由其计算出的数据包括气体浓度或混合气体的比例、各气体各自的摩尔数和/或一定体积混合气体中的总摩尔数、各气体各自的btu(或其他能量当量)和/或一定体积混合气体中的总btu等中的任何一个。
[0052]
在一个实施方式中，控制器板耦合到一个或多个其他传感器并且被配置为确定其他数据(诸如温度、压力、振动、混合气体的流速、混合气体的总体积)和/或使用其他数据，诸如以触发警告信号、控制信号等。
[0053]
在一个实施方式中，容器是被配置为测量气体流量的燃气表组的测量室。
[0054]
所述处理单元可以包括cpu、微控制器、现场可编程门阵列(fpga)或可配置为如所描述地执行的其他类型的集成电路。
[0055]
在一个实施方式中，所述处理单元耦合到以下中的任何一个或多个：
[0056]
存储装置126，其存储数据和指令以配置处理单元122的操作；
[0057]
显示装置128；
[0058]
用于无线通信的无线通信接口130(例如包括天线)；
[0059]
用于有线通信的有线通信接口132(例如包括耦合电缆的端口)；
[0060]
警报装置(未示出)(例如经由传感器/信号接口124)以发出警报状况信号；和
[0061]
控制系统(未示出)(例如经由传感器/信号接口124)以控制流体分配系统(例如致动的控制阀等)的操作。
[0062]
在一个实施方式中，所述报警装置是本地的并且固定在测量室的位置上。所述报警装置包括灯、喇叭、蜂鸣器、铃等中的任意一种。
[0063]
在一个实施方式中，控制系统是对与测量室耦合的分配的部件的本地控制。控制系统调节通过与测量室相关联的分配系统的至少一部分的流体流量。控制分配系统的该部
分中的流量改变通过测量室的流量并且改变其中的振动(频率)等。来自处理单元的控制信号可以被传送到中间控制系统(未示出)，该中间控制系统使用逻辑等并且与致动器通信(例如打开或关闭或以其他方式调整位置并影响流量)，或者来自处理单元122的信号可以(更)直接地被传送到致动器(例如没有超控选项)。
[0064]
在一个实施方式(未示出)中，其他输入和/或输出设备耦合到处理单元122(例如按钮、按键、灯、铃、其他传感器等)。
[0065]
在一个实施方式中，传感器/信号接口124包括用于接收信号(例如来自传感器的数据信号或控制信号)和/或将所述信号传输到传感器波发生器、警报器和/或控制系统的适用类型。
[0066]
在一个实施方式中，传感器波发生器具有本地控制器并且不通过控制器板120控制。
[0067]
应当理解的是，传感器/信号接口124可以由无线接口130和有线接口132中的一者或两者提供，这取决于传感器、警报装置和控制系统如何配置等。
[0068]
在一个实施方式中，处理单元122呈现(例如提供显示、通信等)气体中的声速和从该速度确定的数据中的至少一者。在一个实施方式中，数据例如经由使用短程或长距离无线通信的无线通信接口120经由消息传送至板外装置(未示出)；或者通过有线通信接口122进行有线通信。
[0069]
在一个实施方式中，板外装置包括用于监视终点的计算装置，并且可以包括与分配系统相关联的计费系统或与该计费系统通信。在一个实施方式中，板外装置包括负责监视测量室所耦合的分配系统的至少一部分的用户的智能手机、平板电脑或其他个人计算装置。此类通信可以经由与个人计算装置通信的集中式监视和/或控制系统(其本身为板外装置)来进行。
[0070]
在一个实施方式中，气体中的声速和从该速度确定的数据经由显示装置118进行通信。在一个实施方式中，气体中的声速和从该速度确定的数据被存储到存储装置116。
[0071]
在一个实施方式中，通信其他数据。其他数据可以按照关于声速和从其确定的数据所描述的任何方式来通信。
[0072]
在一个实施方式中，处理单元122被配置成确定压力、频率、流速和/或总体积或其他测量值是否在适用的测量室阈值之外(例如超出与该室相关联的分配系统的正常操作的范围)。即，可以仅存在一个或多于一个测量室阈值。在一个实施方式中，例如，仅监测流速。在另一实施方式中，如此监测压力和振动等。适用的测量室阈值存储在存储装置116中。在一个实施方式中，作为响应，处理单元122将警报信号传送至警报装置或将控制信号传送至控制系统或两者，以恢复压力、频率、流速和/或总体积或将其他测量值恢复至适用的测量室阈值内。在一个实施方式中，处理单元122使用无线或有线通信将警报消息传送到板外装置。到板外装置的警报消息可以是传送到警报装置的附加，或者可以是此传送到警报装置的替代。
[0073]
在一个实施方式中，处理单元122具有多个适用的测量室阈值，其中第一个与警报信号相关联，并且第二个与控制信号相关联以控制操作。在实施方式中，所述测量室阈值与相应的警报严重性相关联。
[0074]
所述测量室与对处理单元122有用的已知体积相关联。该室可以包括分配系统中
的一段管道、仪表组主体或与分配系统集成的其他装置。所述测量室可以包括金属主体或非金属主体。
[0075]
为了提高声速测量的准确性，在一个实施方式中，将超声波发生器和检测器放置在容器的同一侧。在这种配置中，所述检测器检测反射波，这使得波行进的距离加倍。这反过来又增加了波的飞行时间，并从而提高了声速的准确性。见图2和图3对其进行说明。
[0076]
图2示出了根据一个实施方式的分配系统200在其终点处的一部分的图示。在图2的实施方式中，传感器波发生器108和传感器波检测器110位于容器102的同一侧(例如102b)，并且反射传感器202相对地定位在测量点106的侧102a处。超声波被描绘为具有两个分量112a和112b。尽管未示出，但应当理解的是，传感器波发生器108和传感器波检测器110耦合至控制器板120，如图1所示。其实施方式适用于分配系统200的一部分，但波信号具有更长的行进距离(2
×
)。
[0077]
图3是根据一个实施方式的燃气表组300的图示，其被配置为确定在分配系统的终点处(例如当安装时)的混合气体的浓度。在所示的示例中，燃气表组300包括旋转式燃气表主体302。具有处理单元122的控制器120安装在外壳304中。相应的引线108a和110a耦合安装在燃气表主体302内(例如在气体流过的室(未示出)的一侧上)的传感器波发生器108和传感器波检测器110。在室的相对侧安装有反射传感器202。压力传感器306位于仪表主体302内，例如在室内，其具有耦合到处理单元的引线306a以测量其中的压力。在另一个实施方式(未示出)中，引线306a是对室的压力开放的管，并且压力传感器位于外壳304中。温度传感器308位于仪表主体302内，例如在室中，其具有耦合到处理单元的引线308a以测量其中的温度。
[0078]
其他传感器或输入可以耦合到处理单元(未示出)，例如用于测量流过仪表主体302的气体体积。在旋转仪表中，仪表主体302内的叶瓣主体(未示出)被安装成通过流过仪表300的气流而旋转。每次旋转都会测量固定体积。测量旋转并用于计算体积测量和流速等。各个实施方式中的处理单元122根据以下原理确定气体比率。由于气体混合物的声速取决于混合物中气体成分的比率，因此了解声速将允许确定该比率。气体(包括混合气体)的声速由以下方程式给出：
[0079][0080]
其中γ是(混合)气体的绝热常数(也称为绝热指数或热容比)，r是气体常数，t是温度，并且m是(混合)气体的摩尔质量。一旦混合气体的声速已知，就可以推导出以下方程式：
[0081][0082][0083]
可以求解该方程式来计算x二元气体混合物：
[0084][0085]
其中x是第一种气体的摩尔分数。m用以下方程式计算的：
[0086]m混合物
＝xm1 (1-x)m2[0087]
其中m1和m2是混合物中第一和第二气体组分的摩尔质量。
[0088]
在一个实施方式中，气体的浓度可以以已知的比率混合并且在每个比率处测量声速。测量值可用于定义可将测量到的声速映射到气体浓度的表格和/或函数。该关系响应于上述方程，但不需要针对声速的每个测量值来求解方程本身。
[0089]
表1表示混合气体的速度vs。在此示例中，x＝0对应于纯氢气，而x＝1为纯甲烷(例如x＝0代表0％甲烷且x＝1代表100％甲烷)。如果速度等于606.5，则氢气的百分比为50％且天然气的百分比为50％。因此，可以确定每种气体的摩尔数。应当理解的是，x可以代表氢的百分比并且表1中的速度数字可以相应地重新排序。
[0090][0091]
表1
[0092]
图4是示出在声速vs和混合气体组成测量x之间的在如表1中所示0-1标度上绘制的关系(例如可由函数定义)的图表400。
[0093]
图5是根据一个实施方式的操作500(诸如处理单元122的操作)的流程图。在502，操作测量混合气体的压力和体积。在504，测量压缩因子(例如响应于理想气体定律)。在506，计算气体的摩尔数。
[0094]
在508，测量气体中的声速和温度。(应当理解的是，本文的操作可以被分成子操作)。在510，确定气体摩尔组成。输入512对于诸如绝热常数和摩尔质量等计算是有用的。输入512可以存储在存储装置126中。
[0095]
在514，使用操作510和506的输出确定每种气体的摩尔数。在516，计算气体混合物
的总能量。作为输入(518)的气体能量值是有用的并且可以存储在存储装置126中。
[0096]
在一个实施方式(未示出)中，操作500部分地由仪表组300(具有处理单元122)执行并且部分地由具有相应处理单元的位于远程的计算单元(未示出)执行。位于远程的计算单元与仪表组300通信。在一个实施方式中，仪表组300执行操作502和508以测量气体数据值(例如压力、流量、温度和声速)并且将此类气体数据传送到位于远程的计算单元以执行其他计算。处理单元122可以执行操作500的附加步骤并相应地发送结果，例如步骤504、506、510和514中的任何一个。
[0097]
实施例
[0098]
例如，对于包括甲烷和氢气的混合气体，表2提供了每立方英尺的各自的摩尔值，表3提供了每摩尔的各自btu值，并且表4提供了体积为100立方英尺下气体特定浓度的各自总摩尔值和btu值：
[0099]
摩尔f3[0100]
甲烷0.978
[0101]
氢气1.152
[0102]
表3
[0103]
btu/摩尔甲烷1007.3
[0104]
btu/摩尔氢气374.4
[0105]
表3
[0106][0107]
表4
[0108]
在一个实施方式中，预先存在的分配系统适合于使用本文中的声速技术来确定混合气体的浓度。在一个实施方式中，其被适配而无需向分配系统的现有分配部件添加在由波传感器测量声速的测量点处提供容器/测量室的任何附加分配部件。即，现有分配部件之一提供容器/测量室。
[0109]
在一个实施方式中，适配分配系统的步骤(例如方法)包括：
[0110]
a.选择分配系统的现有部件来限定测量室；
[0111]
b.使测量室适配超声波传感器(例如传感器波发生器和传感器波检测器)以产生
并检测波信号；
[0112]
c.如果未知，则确定波信号的行进距离；和
[0113]
d.配置超声波传感器装置或系统(例如处理单元)来响应于来自波传感器的波信号以确定和呈现混合气体的声速和由该声速确定的数据中的至少一者。
[0114]
配置可以包括例如用表示行进距离的数据来配置超声波传感器。
[0115]
步骤可以包括使测量室适配反射传感器202。步骤可以包括使测量室与耦合到处理单元的温度传感器相适配，以提供温度信号，利用该温度信号来确定从速度确定的数据(例如气体浓度/比率、总摩尔数(例如对于每种类型的气体或整体上)、总btu(例如对于每种类型的气体或整体上)等)。
[0116]
在一个实施方式中，例如在测量流速、压力、振动和温度中的任一个的情况下，步骤可以包括用测量室阈值配置处理单元，用于响应于分配系统超出阈值的操作来提供警报信号和控制信号中的至少一者。
[0117]
在替代实施方式中，使用添加限定具有已知体积的测量室的部件的步骤来替代上述步骤a。
[0118]
在一个实施方式中，部件102、108、110包括超声波传感器装置。在一个实施方式中，部件102、108、110和202包括超声波传感器装置。在一个实施方式中，具有控制器板(例如120)的超声波传感器装置包括超声波传感器系统。
[0119]
实际实现可以包括本文描述的任何或所有特征。这些和其他方面、特征和各种组合可以被表达为用于执行函数、程序产品的方法、装置、系统、机构以及以其他方式组合本文描述的特征。已经描述了多个实施方式。然而，应当理解的是，在不脱离本文描述的过程和技术的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。另外，可以提供其他步骤，或者可以从所描述的过程中消除步骤，并且可以向所描述的系统添加其他部件或从所描述的系统中去除其他部件。因此，其他实施方式在所附权利要求的范围内。
[0120]
在本说明书的整个描述和权利要求书中，词语“包括”和“含有”以及它们的变型意思是“包括但不限于”并且它们不旨在(并且不)排除其他部件、整体或步骤。贯穿本说明书，单数涵盖复数，除非上下文另有要求。特别地，在使用不定冠词的情况下，说明书应被理解为考虑复数以及单数，除非上下文另有要求。
[0121]
结合本发明的特定方面、实施方式或示例描述的特征、整数、特征或组应理解为适用于任何其他方面、实施方式或示例，除非与其不兼容。本文公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合进行组合，除了其中至少一些此类特征和/或步骤互斥的组合。本发明不限于任何前述示例或实施方式的细节。本发明延伸至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或者延伸至所公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合。