CN114252119A - 一种高精度超低流量气泡流量仪及流量标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度超低流量气泡流量仪及流量标定方法，该流量仪包括依次连通的气体流量超限保护单元、进气及校正单元、气泡产生单元；气泡产生单元外侧设置有气泡监测单元，气泡监测单元连接有流量计算和记录单元以及数据输出单元；气体流量超限保护单元用于控制所述进入进气及校正单元的气体流量，进气及校正单元能够测量气泡的体积，气泡产生单元用于产生能够被气泡监测单元监测到的气泡。基于上述流量仪的流量标定方法用于精确标定气泡的体积，通过在进气及校正单元的透明管中注入一定液体，记录气泡产生过程液体流动的距离并结合透明管的半径最终计算气泡的体积。本发明能够满足科学实验装置中涉及的高精度超低流量气体流量计量的需要。

Description

一种高精度超低流量气泡流量仪及流量标定方法

技术领域

本发明涉及测量超低气体流量的装置技术领域，特别是涉及一种高精度超低流量气泡流量仪及流量标定方法。

背景技术

在非常规油气包括天然气水合物的开发过程中，需要对其岩心开展气体流动和气液两相流动的实验研究。由于这些岩心样品渗透率极低，因此，实验过程中气体的流量微小，所需测量的体积流量可能每十分钟仅1毫升甚至每天仅1毫升。目前，缺乏实验室精确计量气体流量的精密仪器，尤其缺少测量超低气体流量的仪器，而对此类型仪器的需求在逐渐上升，比如使用稳态法测定气体在致密页岩或水合物岩心样品中的渗透率时，因此需要一种准确测量超低气体流量的仪器，常用的气体检测装置包括气泡流量计。然而目前的气泡流量计主要应用于气体的检漏，主要目的是计数气泡产生的数量以检测阀门等管件的气体泄露，而不需要也不能精确计量气体的流量，因此现有的气泡流量计无法满足高精度超低流量气体流量计量的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度超低流量气泡流量仪及流量标定方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够满足科学实验装置中涉及的高精度超低流量气体流量计量的需要。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种高精度超低流量气泡流量仪，包括依次连通的气体流量超限保护单元、进气及校正单元、气泡产生单元；所述气泡产生单元外侧设置有气泡监测单元，所述气泡监测单元连接有流量计算和记录单元以及数据输出单元；所述气体流量超限保护单元用于控制进入所述进气及校正单元的气体流量，所述进气及校正单元能够测量气泡的体积，所述气泡产生单元用于产生能够被所述气泡监测单元监测到的气泡。通过准确标定气泡的体积并记录产生两个气泡的时间间隔，从而计算气体的体积流量。理论上可以测定的气体流量为无穷小；气体流量及累计体积在流量计算和记录单元中处理，并通过数据输出单元传输到其他电子设备。其中数据输出单元可以通过数据线或者通过无线方式向其他设备输出实时和历史流量数据及累计体积数据。

可选的，所述气体流量超限保护单元包括与所述进气及校正单元连通的管线，所述管线上设置有泄流阀和电磁切断阀，所述电磁切断阀位于所述泄流阀和所述进气及校正单元之间，当流量超过仪器上限时，气体被电磁阀切断不进入气泡产生单元而是通过泄流阀排空，同时，超限保护单元使用发光装置或者发声装置提示报警。

可选的，所述进气及校正单元包括流体加入部件、透明管与接口，所述透明管一端与所述气体流量超限保护单元的管线出气端相连接，所述透明管的内外径精确标定且沿着透明管长度方向有精确的尺寸刻度；所述流体加入部件为三通管道，所述三通管道的两个水平通道分别连接气体流入部与气体流出部，所述三通管道的竖直通道一端与所述透明管连通，另外一端通过螺纹塞子封闭设置，所述螺纹塞子处能够通过针筒向透明管内注入液体。透明管与气泡产生单元中的气泡产生管可以使用不同直径，用于不同流量量程，可以接入不同的无毒气体包括氦气、甲烷、氮气、二氧化碳等。

可选的，所述气泡产生单元包括透明容器、气泡产生管、气体流出透明管，所述气泡产生管一端与所述透明管通过接口相连，所述透明容器内设置有透明液体，气泡产生单元中气泡在透明液体中产生，其使用的透明液体可以为水或根据需要定制的具有不同表面张力的无毒无害液体，所述气泡产生管另一端的管嘴在透明容器底部并完全浸泡在透明液体中，所述气体流出透明管与所述透明容器顶部连通。气泡随着气体从管嘴里面进入而不断增大，气泡到一定体积后，浮力增加至脱离管嘴，然后气体浮出透明液体表面并破裂，通过气体流出透明管流出，气体流出透明管可以置于空气中或者通过排空管线排往室外。

可选的，所述气泡监测单元设置于能够监测到气泡产生的位置处，气泡监测可以使用光电监测法包括激光、红外线等方式，此时监测单元置于气泡产生单元透明容器之外；或可以使用触碰式监测方式，此时监测单元的探头安装在透明容器中气泡运移的通道上，电子元件部分安装在透明容器之外；或可以使用高速摄像设备结合图像处理的方式，此时摄像设备安装在透明容器之外，摄像设备与电脑相连，通过电脑中相应的图像处理软件计算流量；所述流量计算和记录单元能够通过气泡监测单元记录气泡产生的时间，通过气泡监测单元记录气泡产生的时间，通过气泡的体积V以及产生两个气泡的时间间隔Δt，计算体积流量为Q＝V/Δt。记录单元记录流量和总体积，并保存一段时间的数据；所述数据输出单元能够将流量计算和记录单元的数据传输到其他电子设备。

本发明还提供一种高精度超低流量气泡流量仪的流量标定方法，包括如下步骤：

(1)在进气及校正单元中的液体注入部件中使用针筒注入与气泡监测单元中相同种类的少量液体；

(2)液体注入部件继续缓慢注入标定的目标气体，通过气泡监测单元监测气泡产生的过程以及液体在进气及校正单元的透明管中的移动过程；

(3)精确计算气泡在一个产生周期中，液体在进气及校正单元透明管中的移动距离L，并通过进气及校正单元的透明管内径r，计算得到一个气泡的体积为πr²L；

(4)重复上述过程，通过统计获得在室温和大气压下所测气体在所用液体中的气泡体积的平均值和方差；

(5)针对不同的气体和流体组合以及不同的温度测定单个气泡体积，并将气泡体积的数据存储在流体计算单元，在计算流量的时候选择并自动采用。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明针对不同的气体和流体组合以及不同的温度测定单个气泡体积，并将气泡体积的数据存储在流体计算单元，在计算流量的时候选择并自动采用。能够满足科学实验装置中涉及的高精度超低流量气体流量计量的需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明高精度超低流量气泡流量仪结构示意图；

图2为本发明气泡体积测量过程原理示意图；

其中，1为气体流量超限保护单元、101为管线、102为泄流阀、103为电磁切断阀、2为进气及校正单元、201为流体加入部件、202为透明管、203为接口、3为气泡产生单元、301为透明容器、302为气泡产生管、303为气体流出透明管、4为气泡监测单元、5为流量计算和记录单元、6为数据输出单元、7为气泡、8为液柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种高精度超低流量气泡流量仪及流量标定方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够满足科学实验装置中涉及的高精度超低流量气体流量计量的需要。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种高精度超低流量气泡流量仪，如图1和图2所示，包括依次连通的气体流量超限保护单元1、进气及校正单元2、气泡产生单元3；气泡产生单元3外侧设置有气泡监测单元4，气泡监测单元4连接有流量计算和记录单元5以及数据输出单元6；气体流量超限保护单元1用于控制进入进气及校正单元2的气体流量，进气及校正单元2能够测量气泡的体积，气泡产生单元3用于产生能够被气泡监测单元4监测到的气泡7。通过准确标定气泡7的体积并记录产生两个气泡7的时间间隔，从而计算气体的体积流量。理论上可以测定的气体流量为无穷小；气体流量及累计体积在流量计算和记录单元中处理，并通过数据输出单元传输到其他电子设备。其中数据输出单元可以通过数据线或者通过无线方式向其他设备输出实时和历史流量数据及累计体积数据。

具体的，气体流量超限保护单元1包括与进气及校正单元2连通的管线101，管线101上设置有泄流阀102和电磁切断阀103，电磁切断阀103位于泄流阀102和进气及校正单元2之间，当流量超过仪器上限时，气体被电磁切断阀103切断不进入气泡产生单元而是通过泄流阀102排空，同时，超限保护单元使用发光装置或者发声装置提示报警。

进气及校正单元2包括流体加入部件201、透明管202与接口203，透明管202一端与气体流量超限保护单元1的管线出气端相连接，透明管202的内外径精确标定且沿着透明管202长度方向有精确的尺寸刻度；流体加入部件201为三通管道，三通管道的两个水平通道分别连接气体流入部与气体流出部，三通管道的竖直通道一端与透明管连通，另外一端通过螺纹塞子封闭设置，螺纹塞子处能够通过针筒向透明管202内注入液体，并形成液柱8。透明管202与气泡产生单元中的气泡产生管可以使用不同直径，用于不同流量量程，可以接入不同的无毒气体包括氦气、甲烷、氮气、二氧化碳等。

气泡产生单元3包括透明容器301、气泡产生管302、气体流出透明管303，气泡产生管302一端与透明管202通过接口203相连，透明管202以及右边的气泡产生管302都是毫米级的细管，透明容器301内设置有透明液体，气泡产生单元中气泡7在透明液体中产生，其使用的透明液体可以为水或根据需要定制的具有不同表面张力的无毒无害液体，气泡产生管302另一端的管嘴在透明容器301底部并完全浸泡在透明液体中，气体流出透明管303与透明容器顶部连通。气泡随着气体从管嘴里面进入而不断增大，气泡到一定体积后，浮力增加至脱离管嘴，然后气体浮出透明液体表面并破裂，通过气体流出透明管303流出，气体流出透明管可以置于空气中或者通过排空管线排往室外。

气泡监测单元4设置于能够监测到气泡产生的位置处，气泡监测可以使用光电监测法包括激光、红外线等方式，此时监测单元置于气泡产生单元透明容器之外；或可以使用触碰式监测方式，此时监测单元的探头安装在透明容器中气泡运移的通道上，电子元件部分安装在透明容器之外；或可以使用高速摄像设备结合图像处理的方式，此时摄像设备安装在透明容器301之外，摄像设备与电脑相连，通过电脑中相应的图像处理软件计算流量；流量计算和记录单元能够通过气泡监测单元记录气泡产生的时间，通过气泡监测单元记录气泡产生的时间，通过气泡的体积V以及产生两个气泡的时间间隔Δt，计算体积流量为Q＝V/Δt。记录单元记录流量和总体积，并保存一段时间的数据；数据输出单元能够将流量计算和记录单元的数据传输到其他电子设备。

本发明还提供一种高精度超低流量气泡流量仪的流量标定方法，包括如下步骤：

(1)在进气及校正单元2中的液体注入部件201中使用针筒注入与透明容器中相同种类的少量液体，在透明管202中形成液柱8；

(2)液体注入部件201继续缓慢注入标定的目标气体，通过气泡监测单元监测气泡产生的过程以及液体形成的液柱8在进气及校正单元2的透明管202中的移动过程；

(3)精确计算气泡在一个产生周期中，液柱8在进气及校正单元2的透明管202中的移动距离L，并通过进气及校正单元2的透明管202内径r，计算得到一个气泡的体积为πr²L；

(4)重复上述过程，通过统计获得在室温和大气压下所测气体在所用液体中的气泡体积的平均值和方差；

(5)针对不同的气体和流体组合以及不同的温度测定单个气泡体积，并将气泡体积的数据存储在流体计算单元，在计算流量的时候选择并自动采用。

实施例一

本实施例中，以气体在低渗透水合物岩心样品中的流动实验中测量超低气体流量为例，所用气体为甲烷，气泡流量仪中所加的液体为去离子水，实验设备为使用稳态法测量水合物岩心样品渗透率的设备，在岩心样品上游施加一定的压力，比如3MPa，由于渗透率极低，样品下游气体出口端为大气压。

1.高精度超低流量气泡流量仪的安装

将本流量仪与上述渗透率实验设备的出气端相连接。因为使用的是甲烷气体，气体流量超限保护单元的出气端通过连接管线通往室外；

气泡产生单元中填充去离子水至规定的刻度。因为使用的是甲烷气体，出气端通过粗管线通往室外；

2.气泡体积的标定

通过进气与校正单元的流体注入部件注入少量去离子水，然后通过渗透率实验设备缓慢注入甲烷气体，通过一个高速摄影设备拍摄气泡产生过程以及去离子水在透明管中的流动，通过图像处理获得形成一个气泡时去离子水在透明管中运移的距离L，最终，通过公式πr²L计算一个气泡的体积V。重复测量5次以获得气泡体积平均值及其方差。

3.开展流量测试

当渗透率实验设备开始开展实验的时候，流量仪记录气泡产生的时间间隔，然后通过公式Q＝V/Δt计算流量。

4.实验过程中的维护

由于水分容易挥发，需要及时在气泡产生单元中添加液体以维持液面高度在刻度范围之内，从而确保气泡产生的体积稳定。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种高精度超低流量气泡流量仪，其特征在于：包括依次连通的气体流量超限保护单元、进气及校正单元、气泡产生单元；所述气泡产生单元外侧设置有气泡监测单元，所述气泡监测单元连接有流量计算和记录单元以及数据输出单元；所述气体流量超限保护单元用于控制进入所述进气及校正单元的气体流量，所述进气及校正单元能够测量气泡的体积，所述气泡产生单元用于产生能够被所述气泡监测单元监测到的气泡。

2.根据权利要求1所述的高精度超低流量气泡流量仪，其特征在于：所述气体流量超限保护单元包括与所述进气及校正单元连通的管线，所述管线上设置有泄流阀和电磁切断阀，所述电磁切断阀位于所述泄流阀和所述进气及校正单元之间。

3.根据权利要求2所述的高精度超低流量气泡流量仪，其特征在于：所述进气及校正单元包括流体加入部件、透明管与接口，所述透明管一端与所述气体流量超限保护单元的管线出气端相连接，所述透明管的内外径精确标定且沿着透明管长度方向有精确的尺寸刻度；所述流体加入部件为三通管道，所述三通管道的两个水平通道分别连接气体流入部与气体流出部，所述三通管道的竖直通道一端与所述透明管连通，另外一端通过螺纹塞子封闭设置，所述螺纹塞子处能够通过针筒向透明管内注入液体。

4.根据权利要求3所述的高精度超低流量气泡流量仪，其特征在于：所述气泡产生单元包括透明容器、气泡产生管、气体流出透明管，所述气泡产生管一端与所述透明管通过接口相连，所述透明容器内设置有透明液体，所述气泡产生管另一端的管嘴在透明容器底部并完全浸泡在透明液体中，所述气体流出透明管与所述透明容器顶部连通。

5.根据权利要求1所述的高精度超低流量气泡流量仪，其特征在于：所述气泡监测单元设置于能够监测到气泡产生的位置处；所述流量计算和记录单元能够通过气泡监测单元记录气泡产生的时间；所述数据输出单元能够将流量计算和记录单元的数据传输到其他电子设备。

6.一种高精度超低流量气泡流量仪的流量标定方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)在进气及校正单元中的液体注入部件中使用针筒注入与气泡监测单元中相同种类的少量液体；

(2)液体注入部件继续缓慢注入标定的目标气体，通过气泡监测单元监测气泡产生的过程以及液体在进气及校正单元的透明管中的移动过程；

(3)精确计算气泡在一个产生周期中，液体在进气及校正单元透明管中的移动距离L，并通过进气及校正单元的透明管内径r，计算得到一个气泡的体积为πr²L；

(4)重复上述过程，通过统计获得在室温和大气压下所测气体在所用液体中的气泡体积的平均值和方差；

(5)针对不同的气体和流体组合以及不同的温度测定单个气泡体积，并将气泡体积的数据存储在流体计算单元，在计算流量的时候选择并自动采用。

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