Способ определения внутреннего объема полых изделий

 

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано для измерения внутреннего объема кабин и салонов транспортных средств и сельскохозяйственной техники. Способ определения внутреннего объема полых изделий позволяет повысить точность измерения негерметичных изделий путем подачи в них непрерывно с постоянным заданным расходом воздуха и жидкости так, чтобы давление внутри изделия стало выше наибольшего внешнего давления на любую его часть. Величину внутреннего объема изделия определяют по формуле. При этом величина расхода подаваемого в изделие воздуха или жидкости определяется из условия: давление внутри изделия должно быть выше наибольшего внешнего давления на любую его часть.

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано для измерения внутреннего объема кабин и салонов транспортных средств и сельскохозяйственных машин.

В настоящее время в машиностроении довольно остро стоит вопрос измерения внутреннего объема кабин и салонов транспортных средств и сельскохозяйственных машин. Трудность данного вопроса заключается в сложной форме таких изделий, наличии в них различного оборудования, в том числе съемных мягких сидений, а также в не очень высокой герметичности их кузовов.

Близким к изобретению и потому выбранному в качестве аналога является "Способ определения объема подземных полостей" (авт. св. N 958863 кл. G 01 F 17/00, 1982). В соответствии с данным способом в специальную ампулу заданного объема закачивается газ-индикатор под определенным давлением. Затем ампулу опускают в подземную полость, газ-индикатор выпускают и через промежуток времени, соответствующий перемешиванию газа с воздухом полости, которое происходит за счет диффузии газа, берут пробу. Кроме того, при испытании фиксируется давление воздуха в полости.

Объем полости определяют по формуле где V₀ - объем полости; V_H - объем ампулы; P_A - давление в ампуле; P_H - давление в измеряемой полости; C - концентрация газа-индикатора в полости.

Недостатком данного способа является его невысокая точность. Во-первых, это объясняется тем, что при заполнении газом-индикатором ампулы учитывается только его давление и, значит, при разных температурах в нее может быть закачено разное количество газа. Во-вторых, при сложной внутренней форме измеряемого объема газ за счет диффузии может заполнить не весь объем изделия. В-третьих, перед испытанием не замеряется начальная концентрация индикатора в полости. В-четвертых, в данном способе не учитываются возможные утечки газа из измеряемого объема.

Наиболее близким к заявляемому способу и потому выбранному в качестве прототипа является "Способ определения объема емкости" (авт. св. 1695135 кл. G 01 F 17/00, 1991), при котором в нее подается индикаторный газ, в процессе подачи индикаторного газа осуществляется его перемешивание с воздухом в емкости. Подачу осуществляют с постоянным массовым расходом, концентрацию газа измеряют в процессе его подачи дважды с интервалом времени между измерениями, а объем измеряемой емкости определяют по формуле где
C( τ₁ ) - относительная объемная концентрация индикаторного газа в емкости в момент времени τ₁ , начала подачи индикаторного газа в емкость;
C( τ₂ ) - та же величина в последующий момент времени τ₂ ;
γ - плотность индикаторного газа при давлении и температуре, имеющейся в измеряемой емкости.

Недостатком данного способа является его невысокая точность из-за того, что в нем неучтены следующие возможные утечки индикаторного газа из измеряемой емкости в период испытаний.

1. В данном способе ничего не предусмотрено для предотвращения неуправляемого воздухообмена через неплотности негерметичного объекта, которое возможно, если снаружи оцениваемого объекта возникает неодинаковое по всей его поверхности наружное давление, например, из-за перепада температур, динамического воздействия внешних потоков и т.п.

2. Из-за непрерывной подачи в емкость индикаторного газа из нее с таким же расходом будет утекать через неплотности воздух, унося с собой индикаторный газ. Из предлагаемого уравнения 2, с помощью которого рассчитывается объем изделия, не видно, что данная утечка газа из объема учтена.

Задачей предлагаемого способа является повышение точности проведения измерения внутреннего объема изделия. Достигается это тем, что в изделие непрерывно с постоянным заданным расходом подают воздух или жидкость для повышения в нем давления, затем в момент времени τ₀ = 0 измеряют начальную концентрацию индикаторного вещества в изделии и в подаваемом в изделие воздухе или жидкости и начинают подавать в него индикаторное вещество, в момент времени τ повторно измеряют концентрацию индикаторного вещества в изделии. Объем измеряемой емкости определяют по формуле

где
V_c - внутренний объем измеряемого изделия м³;
Q - расход индикаторного вещества, г/с;
W - расход подаваемого в изделие воздуха или жидкости, м³/с;
K₀ - концентрация индикаторного вещества в вентиляционном воздухе или жидкости, подаваемого в изделие, об. %;
K_Б - концентрация индикаторного вещества, подаваемого в изделие, об. %;
K_x - концентрация индикаторного вещества в изделии в момент повторного определения, об. %;
K_н - начальная концентрация индикаторного вещества в изделии в момент времени τ₀ = 0, об. %.

При этом величина расхода подаваемого в изделие воздуха или жидкости определяется из условия, чтобы давление внутри изделия стало выше наибольшего внешнего давления на любую его часть.

Уравнение 3 для определения величины внутреннего объема измеряемого негерметичного изделия получено исходя из следующих условий. Принимается, что внутрь изделия непрерывно подается воздух или жидкость с расходом W, которые имеют внутри себя какую-то концентрацию индикаторного вещества K₀. В момент начала подачи в объект индикаторного газа, соответствующий моменту времени τ₀ = 0, внутри него концентрация индикаторного вещества находилась на уровне, равном K_н. Индикаторное вещество концентрации K_б подается в изделие с расходом, равным 0. Индикаторное вещество после поступления в изделие очень быстро равномерно перемешивается с находящимся в нем воздухом или жидкостью.

Так как изменение общего количества индикаторного вещества в объеме изделия зависит от разности между его потоком, непрерывно поступающем в изделие и удаляемом из него вместе с воздухом или жидкостью, то можно написать следующее дифференциальное уравнение, описывающее данный процесс:

Учитывая, что объем изделия постоянный, перепишем уравнение 4 следующим образом:

Решением его является следующее уравнение:

где
C - постоянная интегрирования.

Учитывая, что в момент времени τ = 0 концентрация индикаторного вещества в изделии из условия задачи была равна K_н, то, исходя из уравнения 6, величина постоянной интегрирования равна

В результате из выражений 6 и 7 получаем следующее окончательное конкретное уравнение, позволяющее определять величину концентрации индикаторного вещества внутри изделия в любой момент времени после начала его поступления

Следует отметить, что данное уравнение показывает концентрацию индикаторного вещества в изделии с учетом его утечек вместе с воздухом или жидкостью, вытекающих из него через неплотности. Из данного уравнения, заменив величину τ на величину τ - τ₀ в показателе степени основания натурального логарифма, путем логарифмирования получаем уравнение 3 для определения величины внутреннего объема измеряемого изделия.

При патентном поиске способа определения внутреннего объема более близкого к предлагаемому, чем взятый в качестве прототипа, не было найдено. В предлагаемом способе по сравнению с прототипом повышена точность измерения за счет того, что в нем учтены потери индикаторного вещества из оцениваемого объекта, происходящие в результате его утечек через неплотности. Это достигается тем, что неучтенное натекание воздуха или жидкости внутрь измеряемого изделия в процессе эксперимента заменяется на учитываемый обмен, который создается в объекте искусственно путем повышения внутри него давления за счет подачи внутрь воздуха или жидкости с строго заданным расходом. Внесенные изменения позволяют считать, что предлагаемый способ имеет существенное отличие от известного.

Осуществляется способ следующим образом.

Перед измерением внутри изделия устанавливают какие-либо турбулизаторы, например вентиляторы. Их устанавливают последовательно так, чтобы поток, выходящий из одного, попадал в зону всасывания другого последовательно расположенного вентилятора. В целом данные вентиляторы должны создать единый циркуляционный поток, охватывающий весь внутренний объем изделия. Если в изделии имеются какие-либо глухие карманы, то в обязательном порядке организуют принудительную подачу части воздуха из общего циркуляционного потока в карман и принудительное, с помощью дополнительного вентилятора, удаление этого потока из кармана. Причем поток из кармана должен в обязательном порядке влиться в общий циркуляционный поток.

При испытании внутрь изделия непрерывно принудительно начинают подавать воздух или жидкость. Их расход увеличивают до тех пор, пока давление внутри изделия не станет больше наибольшего наружного давления на любую часть изделия. После этого его расход стабилизируют. Затем внутри изделия и в подаваемом внутрь него воздухе или жидкости измеряется концентрация индикаторного вещества и в этот же момент, который принимается за начало отсчета времени ( τ = 0), в изделие начинают подавать с постоянным расходом индикаторное вещество. При этом измеряют температуру и давление внутри и снаружи изделия. Через определенный фиксируемый интервал времени в изделии повторно измеряют концентрацию индикаторного вещества. По результатам измерений по формуле 3 высчитывают его внутренний объем.

Пример. С помощью предлагаемого способа было проведено измерение внутреннего объема сложного по конфигурации объекта, имеющего ряд неплотностей в различных его частях. Для выравнивания концентрации углекислого газа, который использовался в качестве индикатора, внутри изделия были установлены вентиляторы. С помощью них было создано интенсивное перемешивание воздуха внутри измеряемого изделия. В изделие через расходомерное устройство, выполненное в виде нормального сопла, непрерывно подавался воздух с расходом, равным 0,007 м³/с. Углекислый газ подавался с расходом, равным 1 г/с. Анализ газа проводился с помощью газоанализатора ГИАМ-5. В результате эксперимента было определено, что внутренний объем изделия равен 20,6 м³. Приблизительная оценка объема данного изделия с помощью измерения его геометрических размеров показала, что внутренний объем изделия равен приблизительно 21 м³. Данные испытания показали, что способ может быть использован для измерения внутреннего объема очень сложных по форме изделий, например салонов автомобилей.

Применение изобретения позволит повысить точность измерения внутренних объемов сложных по форме негерметичных изделий.

При этом величина расхода подаваемого в объект воздуха или жидкости определяется из условия, чтобы давление внутри изделия стало выше наибольшего внешнего давления на любую его часть.

Формула изобретения

Способ определения внутреннего объема полого изделия, включающий в себя непрерывную с постоянным расходом подачу в него индикаторного вещества, перемешивания его с воздухом или жидкостью внутри изделия, двукратное измерение концентрации индикаторного вещества в изделии и определение внутреннего объема изделия, отличающийся тем, что в изделие непрерывно с постоянным заданным расходом подают воздух или жидкость для повышения в нем давления, затем в момент времени τ₀= 0 измеряют начальную концентрацию индикаторного вещества в изделии и в подаваемом в изделие воздухе или жидкости и начинают подавать в него индикаторное вещество, в момент времени τ > τ₀ повторно измеряют концентрацию индикаторного вещества в изделии, а внутренний его объем определяют по формуле

где V_c - внутренний объем измеряемого изделия, м³;
Q - расход индикаторного вещества, г/с;
W - расход, подаваемого в изделие воздуха или жидкости, м³/с;
K_о - концентрация индикаторного вещества в воздухе или жидкости подаваемого в изделие, об.%;
K_б - концентрация индикаторного вещества, подаваемого в изделие, об.%;
K_x - концентрация индикаторного вещества, подаваемого в изделие в момент повторного определения, об.%;
K_н - начальная концентрация индикаторного вещества, подаваемого в изделие в момент времени τ₀= 0 об.%,
при этом величина расхода подаваемого в изделие воздуха или жидкости определяется из условия: давление внутри изделия должно быть выше наибольшего внешнего давления на любую его часть.