Способ измерения внутреннего объема сосудов различных объемов со сложной внутренней поверхностью и устройство для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК G01F17/00 

Изобретение относится к неразрушающим методам измерения и может быть использовано для измерения в воздушной среде объема внутренней полости сосудов со сложной внутренней поверхностью в различных отраслях промышленного производства.

Известен способ измерения объема сосудов путем замещения искомого объема жидкостью, заливаемой в сосуд и последующего измерения объема этой жидкости мерниками, в качестве которых используются измерительные колбы, бюретки, мензурки и другие измерительные сосуды различного класса точности. К недостаткам данного способа измерения относятся низкая производительность процесса измерения и большая погрешность измерения, так как сосуд приходиться заполнять жидкостью, а затем ее сливать, при этом жидкость остается на стенках сосуда и мерников, возникает необходимость очистки сосуда от жидкости после измерения. К тому же данный способ невозможно применять для сосудов, когда контакт с жидкостью имеет вредные последствия в виде впитывания ее в поверхность сосуда, набухания, коррозии, заполнения микропор и в итоге ведет к изменению первоначального объема сосуда. Все вышеперечисленные недостатки указанного способа не позволяют применять его в условиях поточного производства сосудов и при необходимости производственного контроля объема сосуда на операциях, вызывающих его изменение и влияющих на ход последующих операций по изготовлению сосуда, например, нанесение на него покрытий или внесения во внутренний объем сосуда других конструктивных изменений, существенно меняющих объем сосуда, который в итоге должен иметь заданную контролируемую величину.

Для устранения недостатков с применением жидкости при проведении измерений объема необходимо процесс измерений проводить в воздушной среде, при этом необходимо учитывать зависимость давления Р от объема V, которая присутствует в уравнении идеального газа Клайперона-Менделеева: PV=(M/μ)RT, где: М - масса газа, μ - молярная масса газа, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура (Физическая энциклопедия, Т2, под редакцией A.M. Прохорова, стр. 371; Большая Российская энциклопедия, 2009 г., Т14, стр. 215).

Это усложняет решение задачи по определению объема сосуда V в воздушной среде, поскольку могут изменяться условия проведения измерения объема сосуда: газовый состав воздушной среды (М/μ), ее температура (Т), а также соблюдение обеспечения герметичности сосудов при их измерении. Отсутствие хотя бы небольшой герметичности и изменения состояния газовой среды приводит к изменению давления во времени, что в итоге требует непрерывный контроль за их значениями и учета в формуле расчета объема.

Известен целый ряд технических решений, позволяющих измерять объемы сосудов в воздушной среде.

Одним из способов измерения объемов сосудов является способ, основанный на измерении резонансной частоты сосуда (пат. USA 4.640.130, публ. 03.02.1987 г., МПК⁴ G01N 29/00, G01F 17/00; пат. RU 2131590, публ. 10.06.1999 г. МПК⁶ G01F 23/28), при котором определяется объем сосудов в воздушной среде. Сущность способа заключается в том, что в измеряемом внутреннем объеме сосуда возбуждают акустические колебания путем размещения внутри сосуда акустических элементов возбуждения (громкоговорителей). При этом возбуждаются акустические колебания с частотой, равной резонансной частоте измеряемого объема. По значению этой частоты по определенным формулам определяется искомый объем. Однако зависимость объема от частоты имеет сложный вид и имеет нелинейный характер и для сосудов сложной формы точность измерения резонансной частоты колеблется в широких пределах. К тому же для расчета нужно знать плотность воздушной среды, которая зависит от температуры и состава среды. Эти данные не известны, поскольку они не контролируются в данном способе измерения и поэтому не могут быть учтены, что в итоге приводит к невысокой точности измерений объема сосуда. Также существенным недостатком данного способа является сложность его технической реализации, продолжительность процесса измерения, так как для определения резонансной частоты нужно изменять частоту возбуждения акустических колебаний с определенным интервалом в определенном диапазоне частот с выдержкой времени до установления резонансных колебаний и необходимость учитывать температуру среды, которая имеет тенденцию к нагреву вследствие работы возбудителя акустических колебаний, выраженного в виде активного сопротивления обмоток возбуждения.

Известны способы измерения объема в замкнутых емкостях большого объема, основанных на измерении параметров истекаемого газа (пат. RU 2079112, публ. 10.05.1997 г. МПК⁶ G01F 17/00, пат. RU 2217721, публ. 27.11.2003 г. МПК⁷ G01M 3/26, G01F 17/00) и позволяющие измерять объемы сосудов сложной формы в воздушной среде. Сущность способов заключается в подаче в сосуд воздуха избыточного давления, измерении давления в сосуде и температуры среды в сосуде, выполнении операции по истечению воздуха через калибровочные отверстия, измерении интервалов падения давления и расчете на основе измерения времен, давлений и температур среды сосуда. При этом необходимо отметить, что существует зависимость объема сосуда от времени падения давления, и она не линейна. Недостатком данного способа является его использование в основном для объемов большой емкости, низкая точность измерения и достаточно длинная по времени процедура измерения, а также необходимость проведения дополнительных испытаний процесса выпускания воздуха через калиброванные отверстия с эталонным объемом и известным составом воздушной среды, характеристика которой близка к измеряемой. К недостатку данного способа также относится необходимость выполнения условий герметичности при высоких давлениях в процессе выпускания воздуха через калибровочные отверстия. Но высокие давления могут привести, при определенных условиях, к разрушению уплотняющих элементов и, в итоге, к потере герметичности. Высокая длительность процедуры измерения параметров воздушной среды, например, температура - может изменяться, а также неравномерно распределяться внутри сосуда большого объема, что сказывается на условия истечения воздуха через калибровочные отверстия и вносит неконтролируемую погрешность в результат измерения. В итоге формула для расчета объема сосуда большого объема достаточно сложна и ее составляющие зависят от многих параметров, одни из которых контролируются в процессе измерения, а другие нет. К недостатку данного способа относится также невозможность объективной оценки степени точности измерения объема.

Известен также способ определения объема емкости в воздушной среде по авторскому свидетельству №300766, публ. 07.04.1971 г, бюллетень №13, МПК⁶ G01F 5/00. В данном способе для измерения объема используют эталонную емкость. Суть этого способа измерения объема заключается в том, что создают избыточное давление в эталонной емкости, определяют массу газа в ней путем взвешивания до и после создания избыточного давления, соединяют ее с исследуемой емкостью и по измеренным начальным и конечным параметрам газа (давление и температура) и его весу определяют искомый объем по фомуле:

где

P_O, T_O, V_O - параметры нормального состояния газа;

Р, Т - начальные значения давления и температуры в исследуемой емкости;

P₁, T₁ - конечные значения давления и температуры в исследуемой емкости;

G - вес газа в эталонной емкости после создания в ней избыточного давления.

Процесс измерения объема емкости по данному способу весьма продолжителен по времени и технически сложен. Необходимо для каждой измеряемой емкости проходить процедуру взвешивания эталонной емкости с газом до и после создания в ней избыточного давления, перепускания газа с заданной скоростью из эталонной емкости в исседуемую, последующих измерений начальных и конечных давлений и температур в исследуемой емкости с достаточно высокой точностью и расчет искомого объема по указанной формуле. При этом в данном способе не предъявляются требования ни к герметичности соединений исследуемой емкости с эталонной емкостью, ни к необходимости контроля герметичности. Отсутствие герметичности соединений исследуемой емкости с эталонной емкостью ведет к различным значениям давлений во временном интервале в процессе измерения нескольких исследуемых емкостей, а отсутствие контроля герметичности соединений не позволяет оперативно обнаружить утечки газа, а, следовательно, падение давления повлечет существенную погрешность в измерении объема исследуемой емкости. К тому же необходимость перепускать газ из эталонной емкости в исследуемую с определенной заданной скоростью усложняет и увеличивает время процесса измерения объема. Процесс взвешивания эталонной емкости с начальными параметрами газа и после создания в ней избыточного давления также увеличивает время измерения объема.

Контроль за точностью измерения при данном способе также отсутствует и все зависит от точности приборов измерения давлений, температур и внимательности обслуживающего персонала, проводящего снятие данных с соответствующих приборов.

Низкая производительность процесса измерения, техническая сложность и вероятно высокая погрешность измерения не позволяет применить данный способ измерения объема в условиях поточного производственного контроля, когда требуется высокая производительность измерения и время на проведение измерений ограничено.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ определения объема емкостей различной конфигурации в воздушной среде по авторскому свидетельству №152078, опубликованному в «Бюллетене изобретений» №23 за 1962 г., класс G01F; 42е5, принятому авторами за прототип.

Данный способ основан на сравнении параметров измеряемого и эталонного объемов, частично решающий поставленную задачу, так как позволяет измерять объем сосуда со сложной внутренней поверхностью с достаточной чувствительностью, заключающийся в том, что из калиброванной емкости с известным объемом и давлением газа последний перепускают в испытуемую емкость и после установления равновесия давлений в них математическим путем рассчитывают объем испытуемой емкости по формуле, предварительно сняв показания давлений с соответствующих приборов в обеих емкостях:

;

где V_O - объем газа в калиброванной емкости;

P_O - давление газа в калиброванной емкости;

P₁ - давление газа после перепуска газа в испытуемую емкость.

Основным недостатком этого способа является низкая точность измерений, обусловленная тем, что состав воздушной среды и ее температура в обеих емкостях не контролируются и могут быть различны, то есть в данном случае сравниваются давления для различных исходных значений состава воздушной среды и ее температуры, которая соответствует другим условиям состояния и объемам в уравнении Клайперона-Менделеева, что приводит к довольно высокой погрешности измерения искомого объема.

Для измерения объемов испытуемых емкостей различных объемов необходимо иметь фиксированный объем калибровочной емкости, равный объему самой большой по размерам испытуемой емкости, при этом чем больше разница в объемах обеих емкостей, тем больше возрастает погрешность измерения, а в некоторой степени увеличивается и время измерения. К тому же необходимо отметить, что при данном способе измерения объема испытуемой емкости манипулируют большими объемами газа (воздухом), находящиеся в калиброванной и испытуемой емкостях и в пневмосистеме в целом, а абсолютное давление в емкостях измеряют манометрами, что приводит к снижению чувствительности и точности измерений.

Также к недостаткам данного способа необходимо отнести отсутствие контроля герметичности соединений испытуемой емкости в устройстве, на котором проводятся измерение объемов, и отсутствие возможности контроля точности проведения операций по измерению объемов искомых емкостей, а также достаточно большое время измерения, связанное со сбором информации с манометров, показывающих величину давлений в калибровочной и испытуемых емкостях с последующим внесением этих данных в соответствующую формулу для расчета объема испытуемой емкости и в итоге исключает возможность измерения объема испытуемой емкости в условиях поточного производственного контроля при серийном производстве емкостей (сосудов).

В предлагаемом авторами способе измерения внутреннего объема сосудов различных объемов со сложной внутренней поверхностью исключены недостатки, отраженные в описании способа измерения объема, выбранного авторами за прототип, то есть техническим результатом изобретения является: возможность измерения объема сосудов различных типоразмеров; возможность проводить измерение объема сосудов в условиях поточного производственного контроля; обеспечение герметичности соединений и контроль герметичности соединений устройства; упрощение процесса измерения; обеспечение возможности проверки точности измерения; сокращение времени измерения; повышение точности и достоверности измерения; обеспечение высокой чувствительности и надежности измерения.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема пневмосистемы устройства, реализующего предлагаемый способ измерения, а на фиг. 2, 3, 4, 5 и 6 показаны общий вид устройства и упрощенные общие виды его основных узлов. Показанная на фиг. 1 структурная схема пневмосистемы устройства включает в себя блок управления 1 с комплектом пневмоклапанов 2, подающий сжатый воздух стабилизированного давления 2…2,2 кг/см² в измерительную ветвь 3, включающую в себя питающую емкость 4, измерительный блок 5 с регулируемой емкостью и измеряемый или эталонный сосуд 6, а также эталонную ветвь 7, включающую в себя питающую емкость 8 и регулируемую контрольную емкость 9 произвольного объема. Кроме этого от блока управления подается сжатый воздух в эжекционный контур 10, включающий в себя эжектор 11 с мановакууметром 12, и объединяющий участок измерительной ветви с измеряемым или эталонным сосудом и измерительным блоком с участком эталонной ветви, включающий в себя регулируемую контрольную емкость. Обе пневматические ветви устройства, измерительная и эталонная, объединены дифференциальным манометром 13, позволяющим с высокой точностью определить разницу ΔV в объемах эталонного и измеряемого сосудов и по формуле Vu=Vэ±ΔV см³ определить объем измеряемого сосуда.

При данном способе измерения объема в качестве эталонных сосудов используют любой сосуд из числа измеренных и взятых из производственного потока каждого типоразмера и измеренного с высокой точностью (погрешность не более 0,04%) его внутреннего объема методом заполнения сосуда жидкостью с измерением ее объема мерниками высокого класса точности или другим способом при соблюдении равного температурного режима жидкости и измеряемого эталонного сосуда. Это исключает необходимость создания специального эталонного сосуда необходимого типоразмера, являющегося неотъемлемой частью устройства, а при условиях измерения большой номенклатуры типоразмеров сосудов, обусловленных спецификой технологического процесса операционного изготовления сосудов, например, измерение внутреннего объема сосуда после механической обработки и затем последовательного измерения объемов после нанесения разнотолщинного изоляционного покрытия с обеспечением выполнения заданного объема, вызывает необходимость создания эталонных сосудов различных размеров и конструктивную возможность их оперативной установки в устройство. Это усложняет конструкцию устройства и увеличивает трудоемкость его изготовления.

В предлагаемом авторами устройстве, реализующем разработанный способ измерения, вместо всех эталонных сосудов предлагается использовать регулируемую в процессе измерения контрольную емкость произвольного объема, при этом объем контрольной емкости должен быть равен или больше максимальному внутреннему объему единичного измеряемого сосуда из всей номенклатуры объемов измеряемых сосудов.

К тому же по окончанию обработки партии сосудов одного типоразмера, либо промежуточной операции в ходе технологического процесса, сосуд, взятый из производственного потока с измерением его внутреннего объема и используемый в качестве эталонного сосуда, может быть изъят из числа эталонных и передан по окончанию работ в число плановой партии изготавливаемых сосудов, либо для последующей обработки на следующую операцию по ходу технологического процесса изготовления сосуда данного типоразмера.

В предлагаемом авторами способе измерения внутреннего объема сосудов различных объемов со сложной внутренней поверхностью предлагается сравнивать известный объем эталонного сосуда Vэ, в качестве которого используется сосуд, взятый из производственного потока и объем которого измерен с погрешностью не более 0,04%, сравнивается с объемом измеряемого сосуда Vu путем фиксации (переноса) величины внутреннего объема эталонного сосуда Vэ в регулируемую контрольную емкость Vк произвольного размера. При этом объем эталонного сосуда переводят и фиксируют его в регулируемую контрольную емкость Vк произвольного размера.

После фиксации величины внутреннего объема эталонного сосуда последний в процессе измерения объемов измеряемых сосудов не принимает участия, а используется впоследствии только для периодической плановой проверки величины объема эталонного сосуда в контрольной емкости и для корректировки этой величины.

Перенос величины внутреннего объема эталонного сосуда Vэ и его фиксация в регулируемой контрольной емкости Vк осуществляется следующим образом.

Устанавливают эталонный сосуд на устройство в измерительную ветвь пневмосистемы, вводят в сосуд компенсаторы, герметизируют сосуд в процессе его закрепления, устанавливают указатель измерительного блока на ноль шкалы измерения, подают сжатый воздух стабилизированного давления порядка 2…2,2 кг/см², который вначале попадает в эжектор, в результате в эжекционном контуре измерительной и эталонной ветвях и соответственно регулируемой емкости измерительного блока и эталонном сосуде, а также в регулируемой контрольной емкости создается вакуум порядка -0,7 кг/см² на непродолжительное время (около 4…5 с), достаточное для полного удаления воздуха из обеих ветвей. При этом блок управления устройства одновременно отрабатывает команду на наполнение воздухом стабилизированного давления обеих питающих емкостей 4 и 8 в измерительной и эталонной ветвях. Обе емкости имеют абсолютно одинаковые объемы.

Процесс вакуумирования эжекционного контура, его окончание и процесс полного заполнения воздухом питающих емкостей отслеживает оператор по показаниям мановакуумметра.

По окончанию процесса вакуумирования и заполнения питающих емкостей оператор дает команду на подачу сжатого воздуха из питающих емкостей в обеих ветвях пневмосистемы в эталонный сосуд и в регулируемую емкость измерительного блока, а также в регулируемую контрольную емкость измерительного блока Vк эталонной ветви. Для надежного заполнения сжатым воздухом эталонного сосуда и регулируемых емкостей в обеих ветвях блоком управления устройства осуществляется выдержка по времени заполнения 6…8 с, после чего оператор плавно открывает клапан выходов дифманометра, объединяющего обе ветви, для исключения возможного гидроудара и выплеска жидкости в одну из ветвей пневмосистемы. Это неминуемо приведет к разборке и механической чистки с высушиванием полостей сети пневмосистемы, куда попала жидкость. Если оператор начнет открывать клапан раньше указанной выдержки времени, то в пневмосистеме, в обеих ветвях, не установится равное давление, что покажет дифманометр. В этом случае процесс вакуумирования эжекционного контура и заполнения питающих емкостей необходимо выполнить повторно.

Оператор перемещением плунжера в регулируемой контрольной емкости эталонной ветви выравнивает давление в измерительной и эталонной ветвях пневмосистемы, что очень хорошо видно по уровням жидкости в трубках дифманометра. При равенстве давлений в обеих ветвях пневмосистемы оба столбика жидкости в трубках дифманометра должны располагаться на одном уровне друг с другом. Убеждаются, что с течением непродолжительного отрезка времени уровни жидкости в трубках дифманометра не изменяются друг относительно друга, после чего фиксируют положение плунжера в регулируемой контрольной емкости эталонной ветви и не нарушают эту фиксацию на протяжении измерения всей партии сосудов за исключением плановой проверки устройства или при применении другого эталонного сосуда. При невозможности выровнять давление в измерительной и эталонной ветвях говорит о том, что в пневмосистеме идет утечка сжатого воздуха, которую необходимо найти и устранить. Это исключает возможность появления ошибки при проведении измерений объемов сосудов по предлагаемому способу измерений и позволяет контролировать герметичность соединений в измерительной и эталонной ветвях пневмосистемы, включая и герметизацию измеряемых сосудов, что отсутствует в способе, принятом за прототип.

Таким образом объем регулируемой контрольной емкости Vк будет равен объему Vэ эталонного сосуда с учетом объема компенсатора произвольного размера, являющегося постоянной величиной и не учитываемой при расчете объема измеряемого сосуда Vu.

После достижения равных давлений в измерительной и эталонной ветвях закрывают клапан выходов дифманометра, стравливают воздух из пневмосистемы, выводят компенсаторы из эталонного сосуда и снимают эталонный сосуд с устройства.

Таким образом устройство готово к замеру внутреннего объема партии сосудов, аналогичных эталонному сосуду.

Процесс измерения сосуда на подготовленном устройстве, то есть с зафиксированным в регулируемой контрольной емкости эталонной ветви объемом эталонного сосуд, осуществляется следующим образом.

Вместо эталонного сосуда в измерительную ветвь пневмосистемы устройства устанавливают измеряемый сосуд. Вводят в сосуд компенсаторы, имеющие произвольный объем, но постоянный для данного устройства. Герметизируют измеряемый сосуд в процессе его закрепления. Устанавливают указатель измерительного блока в измерительной ветви на ноль шкалы измерения измерительного блока. Подают сжатый воздух стабилизированного давления 2…2,2 кг/см² в эжекционный контур, который вначале попадает в эжектор, в результате чего в эжекционном контуре измерительной и эталонной ветвей пневмосистемы и соответственно в регулируемой емкости измерительного блока и измеряемом сосуде, а также в регулируемой контрольной емкости создается вакуум порядка -0,7 кг/см² на небольшой отрезок времени 4…6с. Этого времени достаточно для полного удаления воздуха из обеих ветвей эжекционного контура и входящих в них емкостей и измеряемого сосуда.

Одновременно с подачей воздуха в эжекционный контур воздух стабилизированного давления подается в питающие емкости измерительной и эталонной ветвей и наполняет их.

Процесс вакуумирования, его окончание и процесс полного заполнения воздухом питающих емкостей отслеживает оператор по показаниям мановакуумметра

По окончанию процесса вакуумирования и заполнения питающих емкостей оператор дает команду на подачу сжатого воздуха стабилизированного давления из питающих емкостей в обеих ветвях пневмосистемы уже в измеряемый сосуд, помещенный в измерительную ветвь, и в регулируемую емкость измерительного блока, а также в регулируемую контрольную емкость измерительного блока Vк эталонной ветви.

Для надежного заполнения сжатым воздухом измеряемого сосуда и регулируемых емкостей в обеих ветвях пневмосистемы системой автоматического управления устройства осуществляется выдержка по времени заполнения порядка 6…8с после чего оператор плавно открывает клапан выходов дифманометра. При этом в зависимости от точности изготовления измеряемого сосуда по отношению к эталонному сосуду дифманометр может показать равенство давлений в измерительной и эталонной ветвях, то есть жидкость в трубках дифманометра будет располагаться на одном уровне. Если объемы измеряемого и эталонного сосудов будут отличаться друг от друга, то в трубках дифманометра жидкость будет располагаться на разных уровнях. Необходимо выровнять давления в измерительной и эталонной ветвях. Для этого оператор перемещением калибровочного стержня в регулируемой емкости измерительного блока в одну либо в другую сторону уменьшает или увеличивает давление в измерительной ветви, уравнивая с давлением в эталонной ветви, при этом изменяется объем воздуха в измерительной ветви и по величине перемещения калибровочного стержня в регулируемой емкости измерительного блока на шкале измерений показывается разница в объемах ±ΔV измеряемого и эталонного сосудов. В результате объем измеряемого сосуда можно легко определить по простой формуле: Vu=Vэ±ΔV см³.

Во всех известных способах измерения объемов сосудов снимают показания давлений с манометров, точность показаний которых и чувствительность значительно хуже, чем у дифференциальных манометров, а особенно по сравнению с дифманометром трубчатого типа с трубками для жидкостей маленького диаметра порядка 3…4 мм.

В предлагаемом авторами способе измерения не происходит никаких считываний данных по давлению или температуре измеряемых и эталонных сосудов и внесение их в формулы для расчетов.

Все сводится к тому, что для определения объема измеряемого сосуда снимают с линейки шкалы измерений величину ±ΔV со знаком плюс или минус. Величину ΔV снимают в линейном размере в мм, так как диаметр калибровочного стержня рассчитан таким образом, что при его перемещении на 1 мм вытесняется объем воздуха 1 см³. Точность измерения ΔV составляет 0,1 см³. Это позволяет проводить измерение объемов сосудов в условиях поточного производственного контроля с большой точностью и достоверностью.

Для увеличения точности и чувствительности измерений перед проведением измерений объем эталонного и измеряемого сосудов уменьшают на произвольную величину путем использования компенсаторов и введения их внутрь сосудов в процессе проведения измерения объемов. Это позволяет при измерениях использовать меньший объем воздуха и кроме увеличения точности и чувствительности измерений существенно снизить время измерений. По предлагаемому способу измерений с введением компенсаторов время измерения одного сосуда составляет от 1 до 1,5 минут с учетом загрузки и выгрузки измеряемого сосуда.

Уменьшение объема воздуха, участвующего в измерениях, за счет использования компенсаторов примерно на 80…85% от истинного общего объема измеряемого сосуда и небольшой разности объемов эталонного и измеряемого сосудов позволяет соблюсти постоянство упругости воздуха в сосудах и возможность применения дифференциального манометра трубчатого типа, чувствительность измерения которого очень высокая.

Компенсаторы выполнены произвольной величины и нет необходимости измерять их объем и затем вводить в формулу по определению объема измеряемого сосуда, поскольку при переносе величины объема эталонного сосуда с введенными в него компенсаторами в регулируемую контрольную емкость эталонной ветви присутствует объем компенсаторов, а при измерении величины измеряемого сосуда в него также вводятся при измерении те же компенсаторы, то есть их объем является величиной постоянной, поэтому получаемую разницу AV при измерении измеряемого сосуда просто прибавляем либо вычитаем из истинного объема эталонного сосуда.

Небольшое время измерения объемов сосудов, отсутствие необходимости считывать результаты давлений, температур и других параметров для внесения их в формулы по расчету измеряемых сосудов, простота выполняемых операций при измерениях и объективно полученный результат измерений позволяет проводить измерения объемов сосудов различных объемов в условиях поточного производственного контроля с достаточно высокой производительностью и с высокой точностью.

Применение данного способа измерения внутреннего объема сосудов различных объемов со сложной внутренней поверхностью и устройство для его реализации позволяет выполнить проверку точности измерения объема. Для этого увеличивают объем компенсатора установкой на него съемного аттестационного элемента, выполненного в виде кольца и объем Va которого предварительно определен с высокой точностью одним из известных способов.

Процесс проведения контроля точности измерения осуществляется следующим образом.

Подготавливают эталонный сосуд, одевают на компенсатор аттестационный элемент, тем самым увеличивая объем компенсатора на известную величину Va.

Устанавливают эталонный сосуд на устройство в измерительную ветвь пневмосистемы, вводят в эталонный сосуд компенсаторы на одном из которых установлен аттестационный элемент и выполняют все операции по фиксации величины внутреннего объема эталонного сосуда в регулируемой контрольной емкости эталонной ветви пневмосистемы, как было описано выше по тексту. Стравливают воздух из пневмосистемы устройства и выводят компенсаторы с аттестационным элементом из эталонного сосуда.

Снимают с компенсатора аттестационный элемент с известным объемом Va и вновь вводят компенсаторы уже без аттестационного элемента в эталонный сосуд. Герметизируют сосуд в процессе его закрепления и повторяют предыдущие операции без изменения объема контрольной емкости эталонной ветви при этом при выравнивании давлений в эталонной и измерительной ветвях путем перемещения калибровочного стержня в регулируемой емкости измерительного блока измерительной ветви пневмосистемы, по величине перемещения указателя калибровочного стержня по шкале измерений определяют разницу ΔV в объемах воздуха в измерительной ветви относительно эталонной ветви пневмосистемы, которая должна быть равна объему Va аттестационного элемента, то есть ΔV=Va, с допускаемой точностью. Получение ΔV выше допускаемых величин говорит о наличии в ветвях пневмосистемы инородных тел в виде накопления окислов солей или мелких частиц неудержанных системой подготовки воздуха и о необходимости проведения профилактических работ по очистке пневмосистемы устройства или повышения требований к качеству подаваемого к устройству сжатого воздуха.

Ни один из выше описанных известных способов измерений не может обеспечить возможность проведения контроля точности измерений объемов с достаточно высокой степенью.

Для обеспечения достоверности измерений и в итоге точности измерений необходимо обеспечить равенство температур измеряемых сосудов и эталонного сосуда, то есть сохранить неизменность параметров среды (одинаковый состав воздушной среды и температуру), для чего температуру сосудов уравнивают с температурой помещения, где находится измеряющее устройство и эталонный сосуд, путем выдержки измеряемых сосудов в этом помещении в течение не менее двух часов.

Для обеспечения герметичности соединений в эталонной и измерительной ветвях пневосистемы, что сложно выполнить при высоких давлениях, а также для исключения неожиданных скачков давлений особенно в сторону его увеличения, предусмотрено подавать в указанные ветви пневмосистемы стабилизированное давление порядка 2…2,2 кг/см². Это позволяет создать в эжекторном контуре достаточное вакуумирование не выше -0,7 кг/см² и позволяет обеспечить надежную работу дифманометра, то есть при плавном открывании клапана выходов дифманометра, соединяющего обе ветви, столбцы жидкостей в трубках дифманометра от перепадов давлений в эталонной и измерительной ветвях плавно без «выстреливаний» перетекают из одной трубки в другую до достижения условно нулевой отметки, а именно до совмещения уровней жидкостей в обеих трубках в горизонтальной плоскости.

На фиг. 2 показан упрощенный общий вид устройства, реализующего разработанный способ измерения внутреннего объема сосудов различных объемов со сложной внутренней поверхностью, на котором показаны отдельные узлы устройства: станина 14, механизм для установки и закрепления измеряемого или эталонного сосуда 15, измерительный блок 5, манометр дифференциальный 13, питающие емкости 4 и 8, регулируемая контрольная емкость 9 и система предварительной подготовки воздуха 16, осуществляющая очистку сжатого воздуха и выравнивание температуры сжатого воздуха, подаваемого в устройство, с температурой помещения.

На фиг. 3 показана упрощенная схема механизма установки и закрепления измеряемого сосуда. Для выполнения операций по установке, герметизации и собственно закреплению измеряемого сосуда на станине 14 установлены передние 17 и задние 18 опоры призматической формы для размещения на них измеряемого сосуда. По обе стороны опор на направляющих 19 станины размещены каретки 20 и 21 со смонтированными на них компенсаторами 22 и 23. На заднем компенсаторе 23 могут быть установлены аттестационные кольца 24 известного объема, которые используются для проверки точности измерения и для аттестации устройства при ежеквартальных поверках. В переднем компенсаторе 22 выполнены каналы для вакуумирования и последующей подачи сжатого воздуха стабилизированного давления внутрь измеряемого сосуда. На обоих компенсаторах у их оснований размещены уплотнительные кольца 25, герметизирующие измеряемый сосуд при полном смыкании компенсаторов друг с другом. На задней опоре выполнен упор 26 по которому устанавливается измеряемый сосуд, при этом для передней каретки устанавливается скорость несколько выше чем для задней каретки. Это выполнено для того чтобы при одновременном движении кареток навстречу друг другу измеряемый сосуд постоянно был прижат к упору и не смог сойти с задней опоры 18, а при подходе задней каретки 21 к измеряемому сосуду, когда передняя каретка 20 закончила движение, компенсатор 23 своим уплотнительным кольцом входит в измеряемый сосуд и при своем дальнейшем движении вперед своим торцем у основания компенсатора отодвигает измеряемый сосуд от упора и надежно досылает сосуд вперед на компенсатор 22 передней каретки 20. Этим самым сосуд надежно герметизируется, закрепляясь при этом на компенсаторах, и не зажимается по своим торцам, что исключает возможность коробления, вспучивания сосуда, то есть любое малейшее изменение формы измеряемого сосуда.

Каждая каретка, перемещающаяся по направляющим 19 станины 14, жестко закреплена к тяговым цепям 27 цепных мультипликаторов посредством зажимов 28, а каждая тяговая цепь кинематически связана с двумя парами звездочек 29, которые закреплены на станине, и одной парой звездочек 30, которые смонтированы на движке 31 со скалкой 32. При этом скалка смонтирована подвижно в направляющем корпусе 33, закрепленном на станине, а скалка 32, в свою очередь, размещена соосно со штоком пневмоцилиндра 34, осуществляющего собственно перемещение движка 31. При этом передаточное отношение данного мультипликатора равно i=3, что позволяет выполнить устройство в целом компактным и конструктивно более рациональным.

На фиг. 4 представлен упрощенный общий вид измерительного блока, который состоит из регулируемой емкости 35 и корпуса 36 со сквозным отверстием и пазом для размещения визира 37 с указателем 38 и с калибровочным стержнем 39. На корпусе, в его верхней части, смонтирована тарированная шкала 40 с нулевой отметкой в центре шкалы. При этом на шкале нанесена разметка с ценой деления 0,5 мм, а указатель 38 визира 37 оснащен оптическим элементом, обеспечивающим комфортное и точное снятие показаний визуально. Визир с калибровочным стержнем кинематически соединен с ходовым винтом 41 при вращении которого посредством маховичка 42 калибровочный стержень 39 имеет возможность перемещаться внутри регулируемой емкости 35, в которой он установлен герметично посредством уплотнительных колец 43. К тому же диаметр калибровочного стержня выполнен таким, чтобы при перемещении стержня внутри регулируемой емкости и визира с указателем вдоль тарированной шкала на 1 мм обеспечивалось изменение объема регулируемой емкости на 1 см³.

На фиг. 5 представлен упрощенный общий вид дифференциального манометра, состоящего из подставки 44, двух стеклянных трубок 45, заполненных жидкостью, например, хромпиком для четкого различия границ уровней, тарированной шкалы 46 с нанесенной разметкой для оценки разгерметизации устройства на текущий момент времени при неустанавливающихся друг относительно друга уровнях жидкости в трубках, и запорного клапана 47, соединяющего обе трубки в местах их выходов в нижней части манометра. В верхней части манометра, на входах трубок, смонтирована бобышка 48 с герметизирующими поджимными втулками 49 и входными отверстиями для соединения с эталонной и измерительной ветвями пневмосистемы устройства. Длина трубок выбрана такой, чтобы имелась возможность обеспечения показания максимального перепада давлений в эталонной ветви относительно измерительной ветви с учетом возможного выплеска жидкости из трубок в каналы пневмосети при резком неконтролируемом открывании запорного клапана, соединяющего или объединяющего выходы трубок дифманометра друг с другом.

Для обеспечения точности измерения питающие емкости в эталонной и измерительной ветвях выполнены абсолютно одинакового объема, а также длина питающих трубок в обеих ветвях также должна быть одинаковой, то есть объемы эталонной и измерительной ветвей должны быть максимально одинаковыми, а их разность должна вписываться в поле допуска точности измеряемого сосуда.

Контрольная емкость, упрощенная схема которой показана на фиг. 6, и в которой фиксируется объем эталонного сосуда, выполнена с возможностью его регулировки для того, чтобы в ней мог поместиться максимальный единичный объем из всего ряда предполагаемых к измерению сосудов, причем емкость выполнена из двух емкостей 50 и 51 одна из которых имеет больший размер, равный максимальному единичному объему измеряемых сосудов, это емкость 50, а другая емкость 51 имеет меньший объем и значительно меньшие размеры в поперечнике, то есть диаметр. Это необходимо для более тонкой регулировки фиксируемого объема эталонного сосуда. Эта регулировка осуществляется путем перемещения плунжера 52 при вращении за маховичок 53 ходового винта 54. Для фиксации плунжера в нужном положении имеется контргайка 55, сидящая на ходовом винте.

Указанный выше по тексту описания положительный эффект подтвержден опытными работами при отработке способа измерения внутреннего объема сосудов различных объемов со сложной внутренней поверхностью и устройства для его осуществления.

В настоящее время данный способ измерения и устройство для его реализации используется для измерения внутреннего объема сосудов различных объемов со сложной внутренней поверхностью в условиях поточного производственного контроля, обеспечивая высокую точность и достоверность измерения, возможность контроля герметичности соединений устройства и возможность проверки точности измерения, а также упрощение процесса измерения и в результате сокращение времени измерения, что позволяет также встраивать данное устройство, в котором реализован предлагаемый авторами способ измерения внутреннего объема сосудов, в технологический цикл изготовления сосудов.

Изобретение относится к неразрушающим методам измерения в воздушной среде объема внутренней полости сосудов различных типоразмеров со сложной внутренней поверхностью. Сущность заключается в том, что в качестве эталонного сосуда используют любой сосуд из производственного потока данного типоразмера, предварительно определив его объем Vэ, при этом сравнивается известный объем эталонного сосуда Vэ с объемом измеряемого сосуда Vu. Устанавливают эталонный сосуд на устройство в измерительную ветвь пневмосистемы, герметизируют сосуд и вакуумируют эжекционный контур измерительной и эталонной ветвей устройства. Затем выравнивают давление в обеих ветвях путем перемещения плунжера в регулируемой контрольной емкости. При достижении равенства давлений в обеих ветвях фиксируют положение плунжера. Фиксируют объем эталонного сосуда в регулируемой контрольной емкости. Устанавливают измеряемый сосуд на устройство в измерительную ветвь, повторяют операции без изменения объема контрольной емкости эталонной ветви. Выравнивают давление перемещением калибровочного стержня в регулируемой емкости измерительного блока. По величине перемещения калибровочного стержня определяют разницу ΔV в объемах эталонного и измеряемого сосудов, а искомый объем сосуда Vu определяют по формуле: Vu=Vэ±ΔV см³. Технический результат – обеспечение точности и достоверности измерения. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения внутреннего объема сосудов различных объемов со сложной внутренней поверхностью, заключающийся в том, что используют эталонный сосуд для измерения объема, уравнивают давление газа в эталонном и измеряемом сосудах, отличающийся тем, что в качестве эталонного сосуда используют любой сосуд из производственного потока данного типоразмера, предварительно определив с высокой точностью его объем Vэ путем налива и слива жидкости, с измерением ее объема мерниками, при этом сравнивается известный объем эталонного сосуда Vэ с объемом измеряемого сосуда Vu путем фиксации величины внутреннего объема эталонного сосуда в регулируемой контрольной емкости произвольного объема эталонной ветви пневмосистемы устройства, для чего устанавливают эталонный сосуд на устройство в измерительную ветвь пневмосистемы, вводят в сосуд компенсаторы и герметизируют сосуд, устанавливают указатель калибровочного стержня регулируемой емкости измерительного блока на ноль шкалы измерения в измерительной ветви, подают сжатый воздух стабилизированного давления в эжекционный контур измерительной и эталонной ветвей пневмосистемы и вакуумируют регулируемую емкость измерительного блока с эталонным сосудом в измерительной ветви и регулируемую контрольную емкость в эталонной ветви, после чего сжатый воздух стабилизированного давления подают из питающих емкостей в обеих ветвях пневмосистемы в эталонный сосуд и в регулируемую емкость измерительного блока, а также в регулируемую контрольную емкость и одновременно ко входам дифманометра, затем открывают клапан выходов дифманометра, выравнивают давление в измерительной и эталонной ветвях пневмосистемы перемещением плунжера в регулируемой контрольной емкости эталонной ветви, убеждаются в отсутствии изменения давления в показаниях дифманометра в течение непродолжительного времени, фиксируют достигнутое положение плунжера, закрывают клапан выходов дифманометра, стравливают воздух из пневмосистемы, выводят компенсаторы из эталонного сосуда, снимают эталонный сосуд и на его место, в измерительную ветвь пневмосистемы, устанавливают измеряемый сосуд, повторяют предыдущие операции без изменения объема контрольной емкости эталонной ветви, а изменение давлений, наличие которых показывает дифференциальный манометр после открытия клапана его выходов, выравнивают перемещением калибровочного стержня уже в регулируемой емкости измерительного блока, при этом изменяется объем воздуха в измерительной ветви, и по величине перемещения калибровочного стержня определяют разницу ΔV в объемах эталонного и измеряемого сосудов, а искомый объем сосуда Vu определяют по формуле: Vu=Vэ+ΔAV см³, при этом перемещают калибровочный стержень на 1 мм, изменяя объем измеряемого сосуда на 1 см³ со знаком плюс или минус, и снимают показания со шкалы измерения измерительного блока.

2. Способ измерения внутреннего объема сосудов различных объемов со сложной внутренней поверхность по п. 1, отличающийся тем, что перед проведением измерения объем измеряемого и эталонного сосуда уменьшают на произвольную величину путем введения внутрь сосуда компенсаторов.

3. Способ измерения внутреннего объема сосудов различных объемов со сложной внутренней поверхностью по п. 1, отличающийся тем, что проводят проверку точности измерения, выполняемого на устройстве, для чего увеличивают объем компенсатора съемным аттестационным элементом на известную величину Vа, устанавливают эталонный сосуд на устройство в измерительную ветвь пневмосистемы, вводят в сосуд компенсаторы с аттестационным элементом и выполняют все операции по фиксации величины внутреннего объема эталонного сосуда в регулируемой контрольной емкости эталонной ветви пневмосистемы, стравливают воздух из пневмосистемы устройства, выводят компенсаторы с аттестационным элементом, снимают с компенсатора аттестационный элемент, вводят в эталонный сосуд компенсаторы без аттестационного элемента, герметизируют сосуд и повторяют предыдущие операции, при этом по величине перемещения калибровочного стержня в регулируемой емкости измерительного блока измерительной ветви пневмосистемы определяют разницу ΔV, которая должна быть равна объему Va аттестационного элемента.

4. Способ измерения внутреннего объема сосудов различных объемов со сложной внутренней поверхностью по п. 1, отличающийся тем, что температуру измеряемых сосудов и эталонного сосуда уравнивают путем выдержки в помещении, где находится измеряющее устройство, в течение не менее двух часов, а сжатый воздух, поступающий в устройство, имеет температуру, равную температуре в помещении.

5. Способ измерения внутреннего объема сосудов различных объемов со сложной внутренней поверхностью по п. 1, отличающийся тем, что в эталонной и измерительной ветвях пневмосистемы устанавливают стабилизированное давление 2…2,2 кгс/см², в эжекционном контуре обеих ветвей устанавливают давление не выше -0,7 кгс/см², а в ветвях для закрепления измеряемого сосуда устанавливают давление 4…6 кгс/см².

6. Устройство для измерения внутреннего объема сосудов различных объемов со сложной внутренней поверхностью, содержащее станину, калиброванную емкость, клапаны входа и выхода, прецезионный манометр, отличающееся тем, что на станине смонтированы измерительный блок, питающие емкости, контрольная емкость, дифманометр, а также передние и задние опоры призматической формы, по обе стороны которых на направляющих станины размещены каретки с компенсаторами, при этом на задней опоре выполнен упор, фиксирующий измеряемый сосуд при установке внутрь него компенсаторов, причем у оснований компенсаторов размещены уплотнительные кольца, а в одном из компенсаторов выполнены каналы для подачи сжатого воздуха внутрь измеряемого сосуда, к тому же на одном из компенсаторов установлены съемные аттестационные элементы, выполненные в виде колец, с известными величинами их объемов.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что для передней каретки устанавливают скорость перемещения больше, чем для задней каретки.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что каждая каретка жестко закреплена к тяговым цепям цепных мультипликаторов, причем каждая тяговая цепь кинематически связана с двумя парами звездочек, которые закреплены на станине, и одной парой звездочек, которые смонтированы на движке со скалкой, при этом скалка смонтирована подвижно в направляющем корпусе, закрепленном на станине, и размещена соосно со штоком пневмоцилиндра.

9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что измерительный блок содержит корпус со сквозным отверстием и пазом с возможностью перемещения визира с калибровочным стержнем и с указателем вдоль тарированной шкалы с нулевой отметкой в центре шкалы и регулируемую емкость, при этом визир с калибровочным стержнем соединен с ходовым винтом, а калибровочный стержень посредством винта, при его вращении маховичком, имеет возможность перемещаться внутри регулируемой емкости, причем емкость и калибровочный стержень герметично установлены в корпусе посредством уплотнительных колец, к тому же калибровочный стержень регулируемой емкости выбирают диаметром, при котором перемещение визира с указателем по тарированной шкале на 1 мм обеспечивает вытеснение в регулируемой емкости объема воздуха в 1 см³.

10. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что питающие емкости в эталонной и измерительной ветвях выполнены одинакового объема, а питающие трубки в обеих ветвях выполнены одинаковой длины, к тому же контрольная емкость, в которой фиксируется объем эталонного сосуда, выполнена произвольного объема с возможностью его регулировки.

11. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что дифференциальный манометр выполнен в виде двух стеклянных трубок, заполненных хромпиком, вход одной из которых соединен посредством клапанов с эталонной ветвью пневмосистемы, а вход другой соединен с измерительной ветвью пневмосистемы, при этом выходы трубок соединены друг с другом посредством запорного клапана, а длина трубок дифманометра обеспечивает показания максимального перепада давлений в эталонной ветви относительно измерительной ветви без выплеска жидкости в каналы пневмосистемы.