Способ определения объема негерметичной газонаполненной емкости

 

Использование: в измерительной технике при определении объемов емкостей крупногабаритных изделий в аэрокосмической, ядерной, химической и горной промышленности. Сущность изобретения: в контролируемую емкость вводят фиксированное количество индикаторного газа. Перед введением индикаторного газа в процессе всего измерения производят непрерывное перемешивание газа в емкости, измеряют фоновую концентрацию индикаторного газа в емкости, по величине нижнего предела индикации, характеризующего средство измерения, и ориентировочному объему емкости определяют количество индикаторного газа, рассчитывают максимальное значение концентрации, соответствующее условиям мгновенного введения в объем всего количества индикаторного газа без потерь, а при обработке результатов измерений находят значение объема емкости по приведенному в описании выражению. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике определения объемов емкостей, и может быть применено, например, при определении свободных объемов крупногабаритных изделий в аэрокосмической, ядерной, химической, горной и других отраслях промышленности.

Наиболее близким к заявленному решению по технической сущности является способ определения объема емкости, заключающийся в том, что в ампулу вводят газ-индикатор заданного объема и давления, герметизируют ампулу, доставляют ее в измеряемую емкость, вскрывают ампулу, отбирают пробу смеси газов, измеряют атмосферное давление вне емкости, определяют концентрацию газа-индикатора в пробе и по полученным данным определяют объем расчетным путем [1].

Данный способ принят авторами за прототип.

Недостатком способа-прототипа являются низкие точность определения объема и производительность измерений, а также невозможность обеспечения определения объема крупногабаритных негерметичных емкостей.

Целью изобретения является повышение точности определения и производительности измерений, а также расширение функциональных возможностей за счет обеспечения измерения объема крупногабаритных негерметичных емкостей.

Цель достигается тем, что в известном способе определения объема емкости, включающем ввод в контролируемую емкость известного количества P_г˙ V_г индикаторного газа, измерение давления P образовавшейся в емкости смеси газов, измерение концентрации индикаторного газа в контролируемой емкости и определение объема емкости с учетом измеренных величин, перед вводом индикаторного газа в емкость организуют непрерывное принудительное перемешивание газа в емкости и измеряют фоновую концентрацию C_ф индикаторного газа в емкости, количество P_г ˙V_г вводимого индикаторного газа выбирают из соотношения: P_г˙V_г=(5-10)х 10^-2C_мин xV, (1) где P_г - абсолютное давление индикаторного газа; V_г- объем индикаторного газа при давлении P_г; C_мин - величина нижнего предела индикации индикаторного газа в воздухе при помощи примененного средства индикации, об.%; V - ориентировочная величина объема контролируемой емкости, после ввода индикаторного газа в емкость во время принудительного перемешивания смеси газов непрерывно измеряют концентрацию индикаторного газа в емкости, причем измерение концентрации индикаторного газа производят до снижения ее до величины, составляющей 0,7-0,8 от максимального измеренного уровня концентрации индикаторного газа, по результатам измерений концентрации индикаторного газа, произведенных после достижения концентрацией индикаторного газа максимального измеренного уровня, вычисляют значение C_o концентрации индикаторного газа, соответствующее мгновенному перемешиванию индикаторного газа с содержащимся в емкости газом, а искомый объем V рассчитывают по формуле V=P_г˙V_г/(C_o-C_ф)p. (2) На фиг. 1 представлена схема определения объема емкости по предлагаемому способу; на фиг. 2 - зависимость от времени показаний средств индикации индикаторного газа в процессе измерения.

Схема определения объема емкости 1 (например, отсека крупногабаритного изделия аэрокосмической промышленности, или крупногабаритного авиаконтейнера для авиаперевозок изделия аэрокосмической промышленности, закрепленного снаружи транспортного широкофюзеляжного самолета, боксов АЭС, подземных хранилищ и т. п.) содержит дозирующее устройство (инъекционный шприц; баллон, содержащий пробный газ под избыточным давлением (бюретку) 2. Дозирующее устройство 2 должно обеспечивать ввод в емкость количества индикаторного газа (например, гелия или фтористых соединений), определяемого соотношением (1).

Вентиляционная установка 3 позволяет осуществлять принудительное перемешивание воздуха в емкости 1. В зависимости от конструкционных особенностей емкости 1 вентиляционная установка 3 может иметь внешнее или внутреннее исполнение: в первом случае она сообщается с емкостью 1 всасывающим и нагнетательным воздуховодами 4.1 и 4.2 соответственно; во втором случае она представляет собой систему технологических вентиляторов 5, размещенных в емкости 1. К емкости 1 в допустимом месте (например, к выходу вентиляционной установки 3) подключено средство 6 индикации индикаторного газа, например, масс-спектрометрический гелиевый течеискатель или газовый хроматограф в случае использования в качестве индикаторного газа соответственно гелия или фтористых соединений.

Предлагаемый способ осуществляется при выполнении следующих операций.

Перед вводом индикаторного газа в емкость 1 в ней организуют непрерывное принудительное перемешивание газа при помощи вентиляционной установки 3. Данная операция необходима для повышения точности определения объема, поскольку при крупных габаритах контролируемых емкостей концентрация индикаторного газа может значительно различаться по протяженности емкости за счет различия молекулярных весов индикаторного газа и воздуха, существования градиентов температуры воздуха и обусловленных данными градиентами конвективных потоков воздуха внутри контролируемой емкости. В результате этого измерение концентрации индикаторного газа в какой-либо одной точке емкости может дать значение, значительно (до 30-40%) отличающееся от средней интегральной концентрации индикаторного газа по всему объему емкости. Этим, в частности, обусловлена недостаточная точность определения объема емкости по способу-прототипу.

После организации непрерывного принудительного перемешивания газа в емкости измеряют фоновую концентрацию С_ф индикаторного газа в емкости, которая может быть отлична от нуля за счет загрязненности атмосферы производственного помещения индикаторным газом или за счет того, что индикаторный газ, например гелий, является постоянным компонентом атмосферы.

После измерения фоновой концентрации индикаторного газа вводят в контролируемую емкость известное количество индикаторного газа, определяющееся выражением (1), и измеряют давление образовавшейся в емкости смеси газов.

Если в соотношении (1) были подставлены соответствующие действительности оценки величины нижнего предела индикации индикаторного газа в воздухе при помощи средства индикации индикаторного газа и величины объема контролируемой емкости, то при пренебрежимо малой негерметичности контролируемой емкости и мгновенном перемешивании индикаторного газа с воздухом в емкости должна создаться концентрация индикаторного газа, в 5-10 раз превышающая нижний предел индикации индикаторного газа и таким образом уверенно регистрируемая средством индикации. При этом выходной сигнал средства индикации должен возрасти на величину, а 5--10 раз превышающую уровень флюктуаций фонового сигнала средства индикации.

Затем после ввода индикаторного газа в емкость во время принудительного перемешивания смеси газов непрерывно измеряют концентрацию индикаторного газа в емкости. При этом средство 6 индикации (фиг. 1) регистрирует увеличение концентрации индикаторного газа в оболочке 1 (см. участок 1 на фиг. 2) над ее начальным уровнем. По прошествии времени создания равномерной по объему емкости концентрации (длительность участка 1) начинается спад концентрации C (участок 2), обусловленный потерей индикаторного газа через негерметичности контролируемой жидкости. Данный процесс описывается уравнением материального баланса индикаторного газа: dC/dт=C/T_o , (3) где T_o - величина постоянной времени воздухообмена между объемом контролируемой емкости и внешней атмосферой, с начальным условием C/t=0=C_o, (4) где C_o - концентрация индикаторного газа, соответствующая мгновенному перемешиванию индикаторного газа с содержащимся в емкости газом.

Решением уравнения (3) с начальным условием ( 4 ) является экспоненциальная зависимость C(t)=C_oexp(-t/T_o) . (5)
Аппроксимируя результаты измерений концентрации индикаторного газа, произведенных после достижения концентрацией индикаторного газа максимального измеренного уровня, по методу наименьших квадратов при помощи математической зависимости известного вида, т. е. экспоненциальной зависимости (5), получают оценки параметров данной аппроксимации, т. е. оценку характерного времени T_o экспоненциального спада концентрации индикаторного газа и концентрации C_o индикаторного газа, соответствующей мгновенному перемешиванию индикаторного газа с содержащимся в емкости газом (см. аппроксимирующую кривую на фиг. 2).

С целью повышения производительности измерения за счет оптимального выбора их продолжительности требуемую длительность измерения концентрации индикаторного газа после достижения концентрацией индикаторного газа максимального измеренного уровня определяют из условия, чтобы в конце измерений концентрация составляла 0,7-0,8 от своего максимального измеренного уровня. Для этого осуществляют следующие действия: регистрируют максимальный измеренный уровень концентрации индикаторного газа; вычисляют отношение текущего фактически измеренного (меньшего) значения концентрации и максимальному измеренному уровню концентрации; сравнивают величину вычисленного отношения с вышеупомянутым пороговым значением (0,7-0,8);
по достижении вычисленным отношением порогового значения прекращают измерение концентрации индикаторного газа в объеме контролируемой емкости.

Величины вышеупомянутых пороговых значений (т. е. 0,7-0,8) избраны, как, с одной стороны, позволяющие с достаточной точностью (до 10%) определить величины параметров экспоненциальной зависимости T_o и C_o. Если в конце измерений концентрация составляет свыше 0,8 от своего максимального измеренного уровня, т. е. одной и той же негерметичной емкости измерения производятся в течение меньшего времени, то точность определения параметров экспоненциальной зависимости снижается (до 20 и более %). Если же в конце измерений концентрация составляет менее 0,7 от своего максимального измеренного уровня, т. е. для одной и той же негерметичной емкости измерения производятся в течение большего времени, то точность определения параметров экспоненциальной зависимости остается практически неизменной (на уровне 10% ) и определяющейся точностью средства индикации индикаторного газа. При этом вышеупомянутые пороговые значения не требуют чрезмерно длительного процесса измерения. Например, величина отношения текущего фактически измеренного (меньшего) значения концентрации к максимальному измеренному уровню концентрации достигает пороговое значение (0,7-0,8) за времена соответственно (0,22-0,36)xT_o. Для крупногабаритных объемов (до 500 м³) с ориентировочным значением T_o= 4 ч длительность калибровки составит таким образом 53,6-85,6 мин.

При пренебрежимо малой негерметичности контролируемой емкости и мгновенном перемешивании индикаторного газа с воздухом в емкости должна была бы создаться вычисленная вышеизложенным образом концентрация индикаторного газа C_ф индикаторного газа в емкости, исходя из реальной величины объема контролируемой емкости, определяется соотношением
C_o-C_ф=100хP_г˙V_г/(P˙V), из которого следует соотношение (2).

Таким образом, по прекращении измерения концентрации индикаторного газа в объеме контролируемой емкости согласно соотношению (2) рассчитывают искомый объем V.

Предлагаемое изобретение обеспечивает положительный эффект, поскольку по сравнению с прототипом предложенный способ позволяет повысить точность определения объема и производительность измерений, а также расширить функциональные возможности за счет обеспечения измерения объема крупногабаритных негерметичных емкостей.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА НЕГЕРМЕТИЧНОЙ ГАЗОНАПОЛНЕННОЙ ЕМКОСТИ, при котором в контролируемую емкость вводят фиксированное количество P_г· V_г индикаторного газа, измеряют давление P смеси, концентрацию в нем индикаторного газа и обрабатывают результаты измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет проведения измерения в однородной среде, перед введением индикаторного газа и в процессе всего определения непрерывно перемешивают газ в емкости, перед введением индикаторного газа измеряют его фоновую концентрацию в емкости C_ф, по величине C_мин нижнего предела индикации, характеризующего средство измерения и предварительно определенному ориентировочному объему V контролируемой емкости определяют фиксированное количество индикаторного газа, отвечающее соотношению
P_г˙V_г = (0,05 - 0,1)C_мин˙P˙V ,
где P - абсолютное давление индикаторного газа;
V - объем индикаторного газа при абсолютном давлении P_г,
после начала введения индикаторного газа в контролируемую емкость непрерывно измеряют его концентрацию и продолжают измерения после окончания введения до достижения уровня концентрации, составляющего 0,7 - 0,8 от ее максимального расчетного значения соответствующего условиям мгновенного введения в объем V всего количества индикаторного газа без потерь, а при обработке результатов измерений находят значение объема емкости V_емк из выражения
V_емк= .

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2