Способ определения свободного объема емкости

 

Использование: измерение свободного объема емкости, объема жидкого или твердого материала, находящегося в емкости. Сущность изобретения: в измеряемой емкости с наруж ным 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 открытые концом. Трубу предварительно помещают в измеряемую емкость. Объем рассчитывают по формуле. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5115 G 01 F 17/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО, СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4869669/10 (22) 21,09.90 (46) 15.02,93, Бюл, r+ 6 (71) Научно-исследовательский институт тЕпловых процессов (72) Н, Г. Альков и В. Н. Матвеев (56) Авторское свидетельство СССР

М 476451, кл. G 01 F 17/00, 1990.

Авторское свидетельство СССР

NI 907395, кл, G 01 F 17/00, 1982; (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОБОДНОГО ОБЪЕМА ЕМКОСТИ (57) Использование: измерение свободного объема емкости, объема жидкого или тверИзобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения величин свободного объема 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 обье„.5U„„1795297 А1 дого 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 емВ костей существенно усложняет конструкцию измерительной системы, а в случаях емкостей большого обьема делает систему О черезвычайно громоздкой. (Я

Указанный недостаток несвойственен Я способам, в которых в измеряемом обьеме . сО 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 емкости предлагается для определения реализующегося значения скорости звука в емкости после измерения собственной частоты газа, заполняющего емкость первоначально, вво1795297 дить 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 дозированного 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 возбу>кдения 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 характеристик

fmnk 2 F y Kmnk (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 flpocTpBHGTBeHHQA 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 дана схема распределения давления при продольных колебаниях между двумя жесткими стенками; 3 — первая мода, 4 — вторая мода;

5 5 — третья мода. На фиг. 3 дана схема четвертьволновой трубки: 6 — четвертьволно. вая трубка, 7 — распределение давления при собственных колебаниях в ней. На фиг. 4 показана амплитудно-частотная характеристика конкретной системы при реализации объемных колебаний. На фиг. 5 приведена экспериментальная зависимость собственной частоты объемных колебаний от длины соединительного канала для конкретной си15 стемы.

Для обоснования предлагаемого способа кратко рассмотрим особенности реализации в свободном объеме емкости различных форм колебаний и влияния вели20 чины скорости звука на собственные частоты этих форм, B первую очередь рассмотрим, что величина скорости звука в значительной степени зависит от состава газа и его температуры.

Существование объемных форм колебаний газа в свободном объеме скорости связано с условием наличия канала, соединяющего внутреннюю полость емкости с внешней средой, в виде, например, 3О горловины, патрубка, отверстия в крышке емкости или других устройств (фиг. 1), В этом случае организуется акустическая колебательная система, механическим аналогом которой является масса, подвешенная

35 на упругом элементе. В акустической системе роль массы выполняет столб газа, заполняющего канал, а упругим элементом является газ, заполняющий свободный объем емкости. Нетрудно показать, что частота

40 собственных колебаний газа в емкости этой формы определяется соотношением ьг=, (1)

2ю Ч 1

45 где f — собственная частота объемных колебаний газа;

F — площадь поперечного сечения на ружного патрубка;

L — эффективная длина наружного пат50 рубка

V — величина свободного объема емкости, с — скорость звука в газе, заполняющем патрубок и емкость, Заметим, что величина эффективной длины патрубка определяется суммой его геометрической длины и поправки, характеризующей присоединенные массы газа на торцах патрубка и зависящей от площади

1795297 проходного сечения пэтрубка. Эта величина может быть определена по известной,зависимости, Как видна из соотношения.(1), величина собственной частоты колебаний газа в ем- 5 кости зависит от величины ее свободного объема и геометрических параметров патрубка, Изменяя последние нужным образом, можно соответственно настраивать собственные колебания в емкости. Раэ- 10 решая соотношение (1) относительно величины свободного объема, получим сротношение, лежащее в основе способа определения этой величины по измеряемому значению собственной частоты колеба- 15 ний газа в емкости

=(— -)— с. 1 2.F

2л (2)

Другие формы колебаний газа в емкости связаны с распространением в газе акусти- 20 ческих волн, их взаимодействием между собой и отражением от стенок емкости.

Собственные частоты колебаний таких форм определяются геометрическими размерами емкости, Например, для емкости в 25 виде параллелепипеда со сторонами э, b, h реализуются пространственные колебания с собственными частотами fp, равными

c (m)z (п) kg 30

2 а b К где m,ï,k принимают значения 0,1,2,3,... и характеризуют соответствующие моды колебаний.

Это соотношение можно записать в ви- 35 де

fp= fmnk= C —, (4)

Kmnk

2л где fmnk — собственная частота пространственных колебаний газа; 40

Кп п — волновое число, конкретные значения параметров;

m,n,k опредгляют соответствующие собственные значения волнового числа; колебания, определяемые собственными зна- 4 -> чениями волнового числа Кп ль называются модой (m,п,k), а величина Kmnk для данной формы емкости вычисляется как

50 (5)

Разрешив соотношение (5) относительна скорости звука, можно воспользоваться им для определения ее величины на основе 55 измерений собственной частоты колебаний одной из мод. Подставив это значение в соотношение (3), получим возможность точна определить величину свободного объема с учетом реализованного в объеме состава газа и ега температуры. В этом случае соотношение имеет вид

В случае емкости цилиндрической или сферической формы появятся также другие моды колебаний (тангенциальные, радиальные) волновые числа которых определяются другими, но известными соотношениями, В любам случае возникает необходимость предварительного выбора опорной моды собственных колебаний, на основе измерений собственной частоты которой проводится определение величины скорости 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 направлении 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 плане целесообразно использовать такую форму колебаний, которая характеризуется существенным отличием значения собственной частоты от других. Например, в емкости, один иэ линейных размеров которой существенно превышает другие. возможно использование низких мод колебаний, в этом направлении. Если в соотношении (5)

a»b, h то при а-1 реализуется продольная форма колебаний первой моды с наименьшей частотой из возможных:

f= (7)

Такое колебание легко идентифицируется при измерениях.

Однако возможность использовать собственные колебания в емкости не всегда реалируется, например, в случах близких по значениям линейных размеров емкости, когда не известно, какая именно форма колебаний анализируется, или в случае емкости с очень сложной формой свободного объема, определяемой и формой стенок емкости, и формой размещенного в ней твердого материала, или при нарастании со временем на стенах емкости каких-либо отложений, что изменит ев опорный размер, или при измерении объемов однотипных, но разных емкостей, с незначительной точностью их изготовления, или, в конце концов, при реализации способа в автономном приборе, который можно использовать для измерения объемов любых емкостей. Поэтому в общем случае лучае использовать специальное устройство, размещаемое в свобод1795297 ном обьеме 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). ЛучLUMM, 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= fp) в L1, (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, отличающийся 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 формуле

ink )2, F

fv Kmnk где fv — собственная частота объемных колебаний газа; где fp1 — собственная частота продольных колебаний в емкости или патрубке, L< — характерный размер емкости или патрубка;

5. m — параметр, характеризующий моду реализующихся колебаний, а также условия взаимодействия акустических колебаний со стенками емкости или устройства (для каждой конкретной емкости или устройства

10 этот параметр заранее может быть задан или определен, так как является уточненным на граничные условия параметром,.обратно пропорциональным волновому числу для данной моды и например, для продоль15 ных колебаний между двумя жесткими стен.ками равен 2,4,6„.. в зависимости от реализующейся моды, для четвертьволновой трубки с жесткой стенкой он равен

4).

fmnk — собственная частота пространственных колебаний газа;

Кп — собственное значение волнового числа пространственной моды (m,n,k) колебаний;

F — площадь поперечного сечения наружного патрубка;

L — 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

Составитель Н.Альков

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор H.Êåøåëÿ

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент",.г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 423 Тираж Подписное

ЙНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5