Способ замера объёма бака сложной геометрической формы Российский патент 2024 года по МПК G01F17/00 

Изобретение относится к способам замера объема бака сложной геометрической формы и может быть использовано при проектировании и производстве новых образцов техники.

В настоящее время для замера объема баков используются газовый или жидкостный способы.

Для замера объема жидкостным способом применяется оборудование для наполнения измеряемого объема жидкостью и контроля массы бака, при этом значение объема высчитывается как разница незаправленного и заправленного бака, отнесенная к плотности жидкости.

Данный способ реализован в следующих технических решениях.

Устройство для измерения объема жидкости [1.] включает основные и контрольные емкости, насосы, электронный блок управления, датчики уровня, измерительные устройства, трубопроводы.

Устройство позволяет производить замеры в относительно простых по форме баках, не имеющих значительных не заполняемых контрольной жидкостью объемов, не учитываемых при подсчете.

Способ измерения объема емкости [2.] включает возбуждение в измеряемой емкости колебаний давления за счет периодического изменения ее объема и измерения величины амплитуды этих колебаний. При этом в измеряемую емкость предварительно подают сжатый газ до заданного давления и поддерживают это давление. Величину объема определяют по соотношению величин давления в емкости и амплитуды колебания давления.

Способ позволяет производить замеры в относительно простых по форме баках, не имеющих узких, протяженных или тупиковых полостей, мембранных и упругих элементов, искажающих характер распространения и считывания пульсаций давления.

Также существует газовый способ измерения объема, при реализации которого создается разница давлений в измеряемом баке и контрольной емкости с последующим объединением их и контролем конечного давления. При этом измеряемый объем определяется расчетом по общеизвестным формулам Менделеева-Клапейрона с учетом всего измеряемого объема.

Этот способ реализован в следующих технических решениях.

Устройство для определения замкнутых полостей [3.] содержит измерительный и калиброванный объемы, два манометра, высоковакуумные регулирующие клапаны, систему откачки. Объемы соединены между собой через один или более вспомогательные объемы. В качестве манометров используются образцовые манометрические преобразователи абсолютного действия. Система откачки включает высоковакуумный и форвакуумный насосы, регулирующие клапаны, широкодиапазонный манометрический преобразователь, датчик низкого вакуума и дозатор газа, который подключен к системе газонапуска.

В способе определения объемов замкнутых полостей [4.], являющихся герметизированными жесткими конструкциями, перепускают газ известной порции из калиброванной емкости в измерительную с последующим осуществлением обратного перепуска газа, при котором давление в измерительной емкости перед обратным перепуском поддерживают равным давлению в калиброванной емкости перед прямым перепуском, вакуумируют объединенный объем, состоящий из последовательно подсоединенных измеряемого объема, одного или более вспомогательных объемов и калиброванного объема, разделяемых посредством регулирующих клапанов. В калиброванном объеме создают давление контрольного газа сравнительно высокого давления заданной величины, измеряемого преобразователем давления абсолютного действия, исходя из условия, что после перепуска газа в объединенном объеме должно установиться равновесное давление.

Недостатком вышеописанных технических решений [3., 4.] является необходимость иметь громоздкое и дорогостоящее оборудование (вакуумные насосы, дозаторы газа; высоковакуумные регулирующие клапаны, широкодиапазонный манометрический преобразователь, турбомолекулярный высоковакуумный насос и т.п.). Кроме того, для точности замера необходима контрольная емкость объемом, сопоставимым с измеряемым, то есть емкость, изготовленная для замера объема бака определенной вместимости.

Известно техническое решение [5.], в котором применяется электронное оборудование, контроллер и видеоустройство. Заявленный способ предлагает измерять объем жидкости в емкости известного объема путем создания повышенного давления в незаполненной полости.

Недостатки этого метода:

- наличие сложного и дорогостоящего оборудования;

- ограничение по объему измеряемых сосудов;

- зависимость точности измерения от объема газовой полости: чем она больше, тем больше влияние относительной погрешности измерения на конечный результат измерения.

Известен способ измерения объема сосуда и устройство для его осуществления [6.], выбранный за прототип. Способ заключается в том, что изменяют объем сосуда на величину ΔV и определяют изменение давления газа в сосуде до и после изменения объема, на основании которых определяют искомый объем сосуда V₀. При этом предварительно выравнивают давление в герметично закрытом сосуде с окружающей средой. Искомый объем сосуда V₀ определяют по формуле:

где k=1, если объем сосуда уменьшают, и k=-1, если увеличивают;

ΔV - величина изменения объема сосуда;

ΔV₁ - величина начального изменения объема сосуда;

ΔV₂ - величина повторного изменения объема сосуда;

ΔР₁ - давление внутри сосуда по отношению к внешней среде после начального изменения объема сосуда;

ΔР₂ - давление внутри сосуда по отношению к внешней среде после повторного изменения объема сосуда.

Изменение давления происходит путем введения цилиндрического стержня в полость сосуда.

Недостаток технического решения заключается в том, что для замера сосуда большого объема необходимы стержень большого размера и крупногабаритное устройство для приведения этого стержня в движение.

Применение данного технического решения ограничено тем, что измеряемые сосуды сложной формы должны иметь широкую горловину и достаточное внутреннее пространство для перемещения стержня с целью значительного изменения объема и, соответственно, давления. Это исключает его применение в баках с большим количеством монтажей агрегатов внутри, например, в конструкциях летательных аппаратов.

В целом, замер газовым способом [3.-6.] имеет меньшую точность по сравнению с жидкостным из-за погрешностей при измерении давления объемов газа и влияния температурных колебаний на показания приборов (±0,2% от измеряемого объема, что при объеме бака в 300 л составит ±0,6 л). Для проведения замеров необходимо иметь помещение с контролируемым микроклиматом, чтобы предохранять измеряемый объем от солнечного нагрева и влияния сквозняков.

Кроме того, при заполнении газами сосудов, у которых произведение значений давления на значения вместимости превышает 0,02 МПа⋅м³, возникает необходимость контроля оборудования специальными надзорными органами.

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение точности замера объема бака сложной геометрической формы.

Схема установки для реализации заявляемого способа замера объема бака сложной геометрической формы представлена на фиг. 1, где:

1 - пневмоцилиндр;

2 - поршень пневмоцилиндра 1;

3 - исполнительный механизм;

4 - бак;

5 - манометр;

6 - весовое устройство;

7 - трубопровод.

Пневмоцилиндр 1, содержащий поршень 2, соединен с исполнительным механизмом 3. Бак 4 снабжен манометром 5 и установлен на весовом устройстве 6. Жидкость подается в бак 4 через трубопровод 7.

Осуществление способа происходит следующим образом.

1. Бак 4 выставляют на весовое устройство 6. Замеряют массу бака 4.

2. В бак 4 через трубопровод 7 подают жидкость до максимального заполнения.

3. Замеряют массу бака 4, заполненного жидкостью, а затем вычисляют массу залитой жидкости как разницу между массой незаполненного и массой заполненного бака 4. Рассчитывают объем залитой жидкости У_ж как отношение массы к плотности при данной температуре.

4. Бак 4 герметизируют, после чего в него за счет перемещения поршня 2 пневмоцилиндра 1 подается газ известного объема V_пц путем передавливания известным давлением Р_пц. Перемещение поршня 2 происходит с помощью исполнительного механизма 3. Согласно закону Паскаля, давление в газовой и жидкой средах будет одинаковым.

5. Бак 4 выдерживают для термостабилизации.

6. В баке 4 манометром 5 замеряют давление Р₂.

7. Рассчитывают объем незаполненной части V_н бака 4 по формуле:

8. Истинный объем V бака 4 рассчитывают как сумма объема залитой жидкости V_ж и объема незаполненной части V_н бака 4 по формуле:

Техническим результатом изобретения является обеспечение точности замера объема бака сложной геометрической формы.

Технический результат обеспечивается сочетанием жидкостного метода замера объема бака с газовым, который позволяет учесть не заполняемые жидкостью полости и тем самым уменьшить погрешность замера объема бака сложной геометрической формы.

Реализация заявляемого способа не требует:

- сложного, крупногабаритного и дорогостоящего оборудования;

- помещений с контролируемым микроклиматом;

- контроля задействованного оборудования специальными надзорными органами, поскольку произведение значений давления на значения вместимости (P⋅V) находится в безопасных пределах.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью простого стандартного оборудования отечественного производства. Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость».

Источники, принятые во внимание

1. Пат. 2672951 RU, МПК (2006.01) A47J 31/44. Устройство для измерения объема жидкости / Ван дер Вонинг М.Р. (NL), Холтен Х.Л.И.Ф. (NL) - Заявл. 10.09.2015; опубл. 21.11.2018, Бюл. №30.

2. Пат. 1744499 SU, МПК (1990.01) G01F 17/00. Способ измерения объема емкости / Толстопят А.П., Меркулов Э.Г., Елисеев В.И. - Заявл. 08.08.1990; опубл. 30.06.1992, Бюл. №24.

3. Пат. 2679476 RU, МПК (2006.01) G01F 17/00 и др. Устройство для определения объемов замкнутых полостей / Бушин С.А., Галкин С.С., Ревазов В.О. - Заявл. 29.01.2018; опубл. 11.02.2019, Бюл. №5.

4. Пат. 2680159 RU, МПК (2006.01) G01F 17/00 и др. Способ определения объемов замкнутых полостей / Бушин С.А. - Заявл. 29.01.2018; опубл. 18.02.2019, Бюл. №5.

5. Пат.104807518 CN, МПК G01F 22/02. Measuring device, container and method of liquid volume in container / Li Xiaoliang - Заявл. 24.04.2015; опубл. 29.07.2015.

6. Пат. 2494352 RU, МПК (2006.01) G01F 17/00. Способ измерения объема сосуда и устройство для его осуществления / Казаков В.В. - Заявл. 03.05.2012; опубл. 27.09.2013, Бюл. №27.

7. Пат. 2344381 RU, МПК (2006.01) G01F 23/04. Измеритель топлива в баке транспортного средства / Ложкин А.П., Лысанов Н.Г. - Заявл. 25.05.2007; опубл. 20.01.2009, Бюл. №2.

8. Пат. 2344380 RU, МПК (2006.01) G01F 23/00. Способ измерения объема жидкости в закрытом резервуаре / Новиков М.Г. и др. - Заявл. 14.05.2007; опубл. 20.01.2009, Бюл. №2.

9. Пат. 2456553 RU, МПК (2006.01) G01F 25/00. Способ и устройство формирования градуировочной диаграммы для подземных топливных баков / Кайа Ю. (TR) - Заявл. 16.10.2007; опубл. 27.11.2011, Бюл. №33.

10. Пат. 202126292 CN, МПК G01F 17/00. A high-precision device for measuring the volume of a container / Ye Xinglin - Заявл. 05.07.2011; опубл. 25.01.2012.

11. Пат. 2569065 RU, МПК (2006.01) G01F 22/00, G01F 23/00, G01F 1/52. Способ замера объема нефтепродукта в резервуаре / Фищенко П.А., Шестаков Я.И. - Заявл. 29.07.2014; опубл. 20.11.2015, Бюл. №32.

12. Пат. 2292015 RU, МПК (2006.01) G01F 23/22. Способ определения уровня жидкости и сигнализатор уровня жидкости для его осуществления / Пергамент A.M. и др. - Заявл. 02.02.2004; опубл. 10.07.2005, Бюл. №2.

13. Пат. 349900 SU, МПК G01F 17/00. Устройство для измерения объема емкости / Николаев В.М. и др. - Заявл. 30.03.1971; опубл. 04.09.1972, Бюл. №26.

14. Пат. 787901 SU, МПК G01F 17/00. Смеситель объемов жидкости / Киясбейли А.Ш. и др. - Заявл. 26.02.1979; опубл. 15.12.1980, Бюл. №46.

15. Пат. 1044993 SU, МПК G01F 17/00. Устройство для измерения испарения с поверхности водоема / Букреев Ю.Н., Бейлинсон М.М. Литвинюк А.Ф. - Заявл. 19.11.1979; опубл. 30.11.1983, Бюл. №36.

16. Пат. 2777084 FR, МПК G01B 11/00, G01F 17/00, G01F 23/02. Procedure for determination of the volume of the contents of a tank corresponding to a height of liquid or granular material / Vinci Rene - Заявл. 23.02.1998; опубл. 08.10.1999.

17. Пат. 4448065 US, МПК F02F 1/00, G01F 17/00. Method and apparatus for pneumatically measuring the volume of combustion chamber spaces in cylinder heads and the like / Meurer Karl-Heinz - Заявл. 06.07.1982; опубл. 15.05.1984.

18. Пат. 4856343 US, МПК G01F 1/00, G01F 23/00, G01F 23/02. Monitoring liquid level in fed tank and flow rate of liquid therefrom to point of use / Hon Clarence С. - Заявл. 24.11.1987; опубл. 15.08.1989.

19. Пат. 2126529 RU, МПК (1995.01) G01F 23/64, G01F 23/292. Жидкостный уровнемер / Бодик М.К. и др. - Заявл. 06.08.1997; опубл. 20.02.1999.

20. Пат. 103017850 CN, МПК G01F 17/00. A device and method for measuring the volume ratio of a vacuum container / Wei Wanyin и др. - Заявл. 27.11.2012; опубл. 03.04.2013.

21. Пат. 2004104524 WO, МПК G01F 17/00, G01F 22/02, G01F 23/14. Hod for measuring the free volume of a tank and measuring device therefore / Martini Silla-Заявл. 21.05.2003; опубл. 02.12.2004.

22. Пат. 591703 SU, МПК G01F 17/00. Способ определения объема сосудов / Розенталь М.Б. - Заявл. 08.07.1976; опубл. 05.02.1978, Бюл. №5.

23. Пат. 2602588 FR, МПК G01F 17/00. Apparatus for measuring the internal volume of a hollow body and method for by means of this apparatus / Fremont Andre, Macquet Jean - Заявл. 08.08.1986; опубл. 12.02.1988.

24. Пат. 20190275239 US, МПК A61M 5/168 и др. Liquid measurement system for a tank / Rene Richter и др. - Заявл. 30.10.2017; опубл. 12.09.2019.

25. Пат. 3392623 ЕР, МПК G01F 17/00 и др. Volume measuring arrangement / Crowne David H., Allred Charles - Заявл. 17.04.2018; опубл. 24.10.2018.

26. Пат. 20100286932 US, МПК G01F 17/00. Volume gauge / Caldwell Walt, Pentico Clark A., Lee Lee M. - Заявл. 06.05.2010; опубл. 11.11.2010.

27. Пат. 204594529 CN, МПК G01F 17/00. A device for automatically detecting the capacity of the oil tank truck based on the quality method / Xie Jiasheng, Jiang Shulian и др. - Заявл. 17.04.2015; опубл. 26.08.2015.

28. Пат. 2020026764 WO, МПК G01F 17/00. Residual gas volume measuring device, residual gas volume measuring method, and puncture member / Aoyama Kazuhiro, Naruko Ryoma, Sato Yutaka - Заявл. 12.07.2019; опубл. 06.02.2020.

29. Башта T.M. Машиностроительная гидравлика: Справ, пособие [Текст] / Т.М. Башта. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1971. - 672 с.

30. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам: [Текст] / П.Г. Киселев. - 2-е изд. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1957. - 352 с.

Изобретение относится к способам замера объема бака сложной геометрической формы и может быть использовано при проектировании и производстве новых образцов техники. Осуществление способа происходит следующим образом. Замеряют массу бака, подают в него жидкость до максимального заполнения. Затем замеряют массу бака, заполненного жидкостью, вычисляют массу залитой жидкости, рассчитывают объем залитой жидкости V_ж. После этого бак герметизируют, в него подают газ известного объема V_пц путем передавливания известным давлением Р_пц. Бак выдерживают для термостабилизации, после чего в нем замеряют давление Р₂. Объем незаполненной части V_н бака рассчитывают по формуле V_н=V_пц⋅P_пц/P₂, истинный объем V бака рассчитывают по формуле V=V_ж+V_н. Техническим результатом изобретения является обеспечение точности замера объема бака сложной геометрической формы. 1 ил.

Способ замера объема бака сложной геометрической формы, характеризующийся тем, что замеряют массу бака; в бак подают жидкость до максимального заполнения; замеряют массу бака, заполненного жидкостью, вычисляют массу залитой жидкости, рассчитывают объем залитой жидкости V_ж; бак герметизируют, в него подают газ известного объема V_пц путем передавливания известным давлением Р_пц; бак выдерживают для термостабилизации; в баке замеряют давление Р₂; рассчитывают объем незаполненной части V_н бака по формуле V_н=V_пц⋅P_пц/P₂; истинный объем V бака рассчитывают по формуле V=V_ж+V_н.