Способ определения свободного объема емкости

(ГОСПАТЕНТ СССР) ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ дног тверваей ости зую ости газа вво АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССРМ 476451, кл. О 01 Р 17/00, 1990,Авторское свидетельство СССРМ 907395, кл, 6 01 Р 17/00, 1982;(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОБОДНГО ОБЪЕМА ЕМКОСТИ(57) Использование: измерение саобообъема емкости, объема жидкого или Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения величин свободного обьема емкостей, объема жидкого или твердого материала, находящегося в емкости.Известны способы определения величины свободного объема емкости, в которой возбуждают звуковые колебания и определяют величину свободного объема путем сравнения параметров реализующихся колебаний в измеряемой емкости и дополнительной - эталонной емкости. Так, например, в одном способе определение величины объема емкости основано на сравнении амплитуд реализующихся колебаний в измеряемой и эталонной емкостях; В другом способе определение величины объема измеряемой емкости проводится путем изменения объема эталонной до значения, при котором реализуются тождественные параметры колебаний в обоих емкостях, что характеризуют равенство указанных объедого материала, находящегося в емкости, Сущность изобретения; в измеряемой емкости с наружным патрубком дважды возбуждают колебания газа, заполняющего емкость, и.каждый раз измеряют собственную частоту колебаний газа. Один раз возбуждают объемные колебания газа, а другой - пространственные, на одной из его пространственных мод. Колебание на пространственной моде можно реализовать в отрезке трубы по крайней мере с одним открытым концом. Трубу предварительно помещают в измеряемую емкость. Объем рассчитывают по формуле, 1 з. и. ф-лы,5 ил. мов. Если параметры газов (состав и температура) в обоих емкостях идентичны, то таким образом достигается высокая точность измерений. Однако, наличие эталонных емкостей существенно усложняет конструкцию измерительной системы, а в случаях емкостей большого объема делает систему чрезвычайно громоздкой.Указанный недостаток несвойственен способам, в которых в измеряемом обьеме регистрируется частота собственных колебаний, квадрат которой обратно пропорционален величине объема. Коэффициентом пропорциональности, как это будет показано ниже, служит квадрат скорости звука в газе, заполняющем свободный обьем емкости..В способе измерения объема ем предлагается для определения реал щегося значения скорости звука в ем после измерения собственной частоть заполняющего емкость первоначальнодить заданное количество другого газа, отличающегося от первого удельным весом и показателем адиабаты. Повторное измерение собственной частоты колебаний новой газовой смеси в обьеме дает возможность на основе сравнения определить скорость звука в первом случае. В рассматриваемом способе предлагается расчетная формула, косвенно содержащая эту поправку. Недостатком данного способа является необходимость использовать дополнительную систему дозировэнного напуска другого газа и знать точные значения термодинамических параметров газов, первоначально заполняющего емкость и напускаемого дополнительно,Цель изобретения - упрощение системы измерения величины свободного объема емкости с соединительным каналом во вне при сохранении высокой точности измерения на основе использования одной и той же системы возбуждения и измерения собственных колебаний и исключения ряда операций с другими, неоднородными уже используемой, системами.Указанная цель достигается тем, что для определения скорости звука в газе, заполняющем емкость, повторное измерение собственной частоты колебаний газа в емкости проводят на одной из пространственных мод колебаний, которую реализуют в свободном объеме емкости или в трубе, вводимой предварительно в свободный объем емкости. Это позволяет использовать только аппаратуру возбуждения и регистрации акустических колебаний,Расчет свободного объема емкости производят по формулам на основе полученных при объемных и пространственных колебаниях характеристиктпй )2 Гхпгй 1(Расшифровка входящих в формулу обозначений дана ниже).Таким образом, весь процесс измерения величинь свободного объема сводится к двукратному возбуждению собственных колебаний; первый раз на частоте объемной моды и второй раз на частоте одной, заранее выбранной пространственной моды. Предлагаемый способ основан на том, что величина скорости звука в достаточно широком диапазоне частот не зависит от значения частоты, по крайней мере дпя колебаний малой амплитуды (звуковых колебаний, в диапазоне звуковых и инфразвуковых частот, и реализуется одинаковой при колебаниях различных форм,На фиг. 1 приведена схема реализации колебаний обьемной формы: 1 - емкость, 2- соединительный канал, На фиг. 2 данасхема распределения давления при продольных колебаниях между двумя жесткимистенками; 3 - первая мода, 4 - вторая мода,5 5 - третья мода. На фиг. 3 дана схема четвертьволновой трубки: 6 - четвертьволно. вая трубка, 7 - распределение давления присобственных колебаниях в ней. На фиг, 4показана амплитудно-частотная характери 1 О стика конкретной системы при реализацииобъемных колебаний. На фиг. 5 приведенаэкспериментальная зависимость собственной частоты обьемных колебаний от длинысоединительного каналадля конкретной си 15 стемы.Для обоснования предлагаемого способа кратко рассмотрим особенности реализации в свободном объеме емкостиразличных форм колебаний и влияния вели 20 чины скорости звука на собственные частоты этих форм, В первую очередьрассмотрим, что величина скорости звука взначительной степени зависит от составагаза и его температуры,25 Существование объемных форм колебаний газа в свободном объеме скорости связано с условием наличия канала,соединяющего внутреннюю полость емкости с внешней средой, в виде, например,3 О горловины, патрубка, отверстия в крышкеемкости или других устройств (фиг. 1), Вэтом случае организуется акустическая колебательная система, механическим аналогом которой является масса, подвешенная35 на упругом элементе. В акустической системе роль массы выполняет столб газа, заполняющего канал, э упругим элементомявляется газ, заполняющий свободный объем емкости. Нетрудно показать, что частота40 собственных колебаний газа в емкости этойформы определяется соотношениемт,= , р)2 т Ч 145 где 1 ч - собственная частота объемных колебаний газа;Р - площадь поперечного сечения наружного патрубка;- эффективная длина наружного пат 50 рукаЧ - величина свободного обьема емкости,с - скорость звука в газе, заполняющемпатрубок и емкость,Заметим, что величина эффективнойдлины патрубка определяется суммой егогеометрической длины и поправки, характеризующей присоединенные массы газа наторцах патрубка и зависящей от площади)2 + п)2 + к)2Ьмают значения 0,1,2,3, и соответствующие моды когде щ,п,Ехарактеризуюлебаний,Это соотн шение можно записать в в Кво1 р=бпп 1= с2 лгде Ьа - собственная частовенных колебаний газа;Кпа - волновое число, кчения параметров;в,п,1 определяют соособственные значения волнолебания, определяемые собсчениями волнового числа Кпмодой (гп,п,к), а величина Кформы емкости вычисляется Такое колебание легко идентифициру(4)пространст- ется при измерениях.40 Однако возможность использовать соба- ственные колебания в емкости не всегдареалируется, например, в случах близких по значениям линейных размеров емкости, когда не известно, какая именно форма ко 45 лебаний анализируется, или в случае емкости с очень сложной формой свободного обьема, определяемой и формой стенок емкости, и формой размещенного в ней твердого материала, или при наростании со-- бб,бетам, тб,.(5) ложений, что изменит ев опорный размер,или при измерении объемов однотипных, но разных емкостей, с незначительной точностью их изготовления, или, в конце концов,55 при реализации способа в автономном приборе, который можно использовать для измерения обьемов любых емкостей. Поэтому в общем случае лучае использовать специальное устройство, размещаемое в свободкретные зн тветствующие вого числа; ко твенными знам называются вм для данной как ошение (5) относительможно воспользоваться ее величины на основе ной частоты колебаний ставив это значение в учим возможность точину свободного обьема ного в обьеме состава Разрешив соотн но скорости звука, им для определения измерений собствен одной из мод. Под соотношение (3), по . но определить вели с учетом реализова проходного сечения пэтрубка. Эта величина может быть определена по известной,завиСимОСти,Как видно из соотношения.(1), величина собственной частоты колебаний газа в емкости зависит от величины ее свободного объема и геометрических параметров патрубка, Изменяя последние нужным образом, можно соответственно настраивать собственные колебания в емкости. Разрешая соотношение (1) относительно величины свободного объема, получим сротношение, лежащее в основе способа определения этой величины по измеряемому значению собственной частоты колебаний газа в емкостич= ( -- )С. 12 Е2 д(2)Другие формы колебаний газа в емкости связаны с распространением в газе акустических волн, их взаимодействием между собой и отражением от стенок емкости, Собственные частоты колебаний таких форм определяются геометрическими размерами емкости, Например, для емкости в виде параллелепипеда со сторонами э, Ь, й реализуются пространственные колебания с Собственными частотами 1 р, равными газа и его температуры. В этом случае соотношение имеет вид5 В случае емкости цилиндрической илисферической формы появятся также другие моды колебаний (тангенциальные, радиальные) волновые числа которых определяются другими, но известными соотношениями, 10 В любом случае возникает необходимость предварительного выбора опорной моды собственных колебаний, на основе измерений собственной частоты которой проводится определение величины скорости 15 звука. Такая форма должна быть легко воспроизводимой и не зависит от состояния емкости, меры ее заполнения и проч, Тэк, например, нецелеообразно испольэовать моду колебаний в вертикальном направле нии емкости при ее заполнении жидкостью,поскольку высота свободного объема емкости зависит от меры ее заполнения и требует дополнительного определения каким-либо независимым методом, В этом 25 плане целесообразно использовать такуюформу колебаний, которая характеризуется существенным отличием значения собственной частоты от других, Например, в емкости, один иэ линейных размеров которой 30 существенно превышает другие, возможноиспользование низких мод колебаний, в этом направлении. Если в соотношении (5) аЬ, Ь то при ареализуется продольная форма колебаний первой моды с наимень шей частотой из возможных:Р)1795297 ном объеме емкости, для реализации в нем собственных колебаний. Таким устройством могут служить просто две параллельные перегородки, установленные в свободном объеме на точно известном расстоянии друг от друга, между которыми возбуждают продольные колебания газа (см. рис, 2). Лучшим, с точки зрения. уменьшения потерь на рассеяние акустической энергии, является возбуждение собственных продольных колебаний в отрезке трубы заданной длины с открытыми двумя или одним торцами (см. фиг. 2). При применении трубы с одним закрытым торцем весьма целесообразным является совмещение мембраны излучающего звук громкоговорителя с крышкой, закрыва. ющей торец, Величина скорости звука определяется тем же соотношением;с= Гр 1 п 1 О, (8) Формула изобретения 1. Способ определения свободного объема емкости с наружным патрубком, заключающийся в возбуждении объемных колебаний газа, заполняющего емкость, и измерении собственной частоты объемных колебаний газа, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и упрощения, повторно возбуждают звуковые колебания газа по одной из пространственных мод и измеряют собственную частоту пространственных колебаний газа, а свободный объем емкости вычисляют по формулеппй )2, Е1 чКпий 1.где Ь - собственная частота объемных колебаний газа;где 1 р 1 - собственная частота продольныхколебаний в емкости или патрубке,1 - характерный размер емкости илипатрубка;5. гп - параметр, характеризующий модуреализующихся колебаний, а также условиявзаимодействия акустических колебаний состенками емкости или устройства (для каждой конкретной емкости или устройства10 этот параметр заранее может быть заданили определен, так как является уточненным на граничныеусловия параметром,.обратно пропорциональным волновому числудля данной моды и например, для продоль 15 ных колебаний между двумя жесткими стен.ками равен 2,4,6 в зависимости отреализующейся моды, для четвертьволновой трубки с жесткой стенкой он равен4),20 Ьм - собственная частота пространственных колебаний газа;Кпм - собственное значение волнового числа пространственной моды (щ,п,Е) колебаний;Г - площадь поперечного сечения наружного патрубка;- эффективная длина наружного патрубка,2.Способ поп.1,отлича ю щийся тем, что возбуждение звуковых колебаний газа на одной из пространственных мод проводят в трубе по крайней мере с одним открытым торцем, которую предварительно помещают в емкость.1795297 9 Ъ,Составитель Н,АльковТехред М.Моргентал Корректор Н.Кеше едактор Заказ 423 Тираж Подписное ЙНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101