Способ замера объёма бака сложной геометрической формы, частично заполненного жидкостью известного объёма Российский патент 2025 года по МПК G01F17/00 

Изобретение относится к способам измерения объема бака сложной формы, частично заполненного жидкостью известного объема, и может быть использовано при проектировании и производстве летательных аппаратов (ЛА).

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

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

Известно устройство [1.] для измерения объема жидкости, содержащейся в емкости, которое включает емкости основные и контрольные, насосы, электронный блок управления, датчики уровня, измерительные устройства, трубопроводы.

Устройство [1.] предназначено для бытовых нужд и не может быть использовано для замера баков сложной формы: способ не предполагает высокой точности измерений из-за высокой погрешности устройства [1.], так как баки сложной формы имеют значительные незаполняемые контрольной жидкостью объемы, не учитываемые при подсчете.

Известен способ [2.], в котором используют устройство, производящее пульсации давления в жидкости, приборы для измерений пульсаций, датчики давления и подающую арматуру. Устройство позволяет производить замеры в баках, не имеющих узких, протяженных или тупиковых полостей, мембранных и упругих элементов, искажающих характер распространения и считывания пульсаций давления.

Существует оборудование для замера баков газовым способом при помощи создания разницы 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 технических решениях [3, 4, 5].

Устройство для определения объемов 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 способах [4, 5] перепускают газ известной порции из калиброванной герметичной 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 сравнительно высокое давление контрольного газа заданной величины, измеряемое преобразователем давления абсолютного действия, исходя из условия, что после перепуска газа в объединенном объеме должно установиться равновесное давление.

Недостатком вышеописанных технических решений [3, 4, 5] является необходимость иметь громоздкое и дорогостоящее оборудование: вакуумные насосы, дозаторы газа (натекатели), высоковакуумные регулирующие клапаны, широкодиапазонный манометрический преобразователь, турбомолекулярный высоковакуумный насос, контрольную емкость объемом, сопоставимым с измеряемым. Емкость, изготовленная для замера объема бака определенной вместимости, не может применяться для замера бака объемом, кратно отличающимся от контрольной емкости без потери точности замера.

Также известны способы, описанные в решениях [6, 7, 8], в которых замер объема производится повышением давления путем выдачи определенной дозы газа и последующим контролем давления. Методы позволяют решать задачу замера объема со значительной погрешностью, возникающей при температурных колебаниях атмосферы, и погрешностью измерения незначительного изменения давления в емкостях большого объема.

Известно техническое решение [9], выбранное за прототип. Способ измерения объема сосуда 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 [9] 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 геометрической формы должны иметь широкую горловину и достаточное внутреннее пространство для перемещения стержня с целью значительного изменения объема и, соответственно, давления или для введения тела известного объема. Это исключает его применение в баках с большим количеством монтажей агрегатов внутри, например, в конструкциях ЛА. В случае реализации данного технического решения с применением дополнительных полостей падает точность замеров, т.к. увеличивается общий объем и возрастает погрешность измерения.

В целом, замер газовым способом [3-5] 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 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.

Целью заявляемого изобретения является обеспечение точности замера объема бака сложной геометрической формы, частично заполненного жидкостью известного объема.

Схема установки для реализации заявляемого способа представлена на фиг. 1 и фиг. 2, где:

1 - бак;

2 - весовое устройство;

3 - трубопровод подачи жидкости;

4 - горловина заправки;

5 - горловина дренажа;

6 - термокамера;

7 - манометр.

Осуществление способа происходит следующим образом:

1. Замеряемый бак 1 выставляют на весовое устройство 2 (фиг. 1). Фиксируют массу m_пб пустого бака 1.

2. Бак 1 частично заполняют жидкостью объемом V_зж залитой жидкости через трубопровод 3 и горловину заправки 4. Объем незаполняемой части бака 1 - объем воздушной подушки.

3. Фиксируют массу т₃б заполненного бака 1.

4. Рассчитывают массу m_зж залитой жидкости как разницу между массой заполненного бака и массой пустого бака:

5. Фиксируют температуру Т₀, при начальном давлении Р₀ (1 атм).

6. Рассчитывают объем V_зж залитой жидкости как отношение массы m_зж залитой жидкости к плотности ρ_зж залитой жидкости при температуре Т₀:

7. Устанавливают бак 1 в термокамеру 6 (фиг. 2).

8. Бак 1 нагревают до температуры T₁.

9. После выдержки бака 1 в термокамере 6 для термостабилизации замеряют давление P₁ в баке 1 манометром 7. Давление Pi складывается из двух факторов:

1) давление в результате нагрева газа в воздушной подушке (Р_изох);

2) сжатия воздушной подушки от расширения жидкости после нагрева (Р_изот).

Для проведения дальнейших расчетов для каждого фактора применяют соответствующий изопроцесс:

- изохорный - для первого фактора;

- изотермический - для второго фактора.

10. Согласно закону Шарля

рассчитывают давление изохорное Р_изох:

11. Производят расчет объема V_ΔТ жидкости при температуре Т₁ после расширения:

где К - коэффициент объемного расширения заполняемой жидкости;

ΔT - изменение температуры в результате нагрева, рассчитываемое по формуле:

Давление изотермическое Р_изот рассчитывают по формуле:

Так как давление пропорционально изменению объема воздушной подушки, то Р_изох можно выразить как отношение давления после сжатия подушки к первоначальному давлению:

где V_б - искомый объем бака.

12. Выражают объем бака V_б через Р_изот:

Техническим результатом изобретения является обеспечение точности замера объема бака сложной геометрической формы, частично заполненного жидкостью известного объема.

Технический результат обеспечивается комбинацией жидкостного и газового способов замера объема бака с применением нагрева.

Способ повышает точность замера объема воздушной подушки, тем самым исключая влияние незаполняемых жидкостью полостей в баке.

Реализация заявляемого способа не требует:

- специально изготовленного 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.

Способ возможно реализовать на оборудовании отечественного производства. Таким образом, заявленное изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».

Источники, принятые во внимание

1. Патент 2672951 RU, МПК (2006.01) A47J 31/44. Устройство для измерения объема жидкости / Ван дер Вонинг М.Р. (NL) Холтен Х.Л.Й.Ф. (NL) - Заявл. 10.09.2015; опубл. 21.11.2018, Бюл. №33.

2. Патент 1744499 SU, МПК 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.2664769 RU, МПК (2006.01) G01F 17/00. Способ определения объема емкости / Щенятский Д.В. и др. - Заявл. 22.06.2017; опубл. 22.08.2018, Бюл. №24.

6. Пат.2001291791 AU, МПК G01F 22/02. Method for measuring volume by means of pressure surge determination / BlondeauJ. - Заявл. 22.08.2001, опубл. 13.12.2001.

7. Пат.20180299315 US, МПК G01F 22/02 и др. Liquid measurement system for a tank / Crowne D.H., Allred C.J. - Заявл. 18.04.2017; опубл. 18.10.2018.

8. Пат.1020210034673 KR, МПК G01F 17/00 и др. Method for determining residual empty volume, method for field calibration of fill level measuring device, and field calibration module / Jurgen A., Stefan В., Torsten Т. - Заявл. 16.08.2019; опубл. 30.03.2021.

9. 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.

10. Пат.2054164 RU, МПК (1995.01) G0117/00. Устройство для измерения внутреннего объема изделия / Панюхин А.И. и др. -Заявл. 02.07.1991; опубл. 10.02.1996.

11. Пат.2057296 RU, МПК (1995.01) G01F 17/00. Устройство для измерения объема / Брюханов Б.К. и др. - Заявл. 06.07.1992; опубл. 27.03.1996.

12. Пат.2117918 RU, МПК (2006.01) G01F 17/00. Способ определения внутреннего объема полых изделий / Палутин Ю.И. - Заявл. 23.07.1996; опубл. 20.08.1998.

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

14. Пат.2194951 RU, МПК (2000.01) G01F 17/00. Способ определения количества жидкого топлива в баке / Григоровский Б.К., Епифанцева О.А., Сергеев С.Е. - Заявл. 26.10.1998; опубл. 20.12.2002, Бюл. №36.

15. Пат.2292015 RU, МПК (2006.01) G01F 23/22. Способ определения уровня жидкости и сигнализатор уровня жидкости для его осуществления / Пергамент А. М. и др. - Заявл. 02.02.2004; опубл. 20.01.2007, Бюл. №2.

16. 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.

17. 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.

18. Пат.2456553 RU, МПК (2006.01) G01F 25/00. Способ и устройство формирования градуировочной диаграммы для подземных топливных баков / Кайа Ю. - Заявл. 16.10.2007; опубл. 20.07.2012, Бюл. №20.

19. 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.

20. Пат.6215 SU, МПК G01F 17/00. Объемомер / Сафонов В.В. -Заявл. 18.05.1927; опубл. 31.08.1928.

21. Пат.226188 SU, МПК G01F 17/00. Устройство для измерения объема / Измайлов Е.Е., Шноль С.Э., Пасечник В.И. - Заявл. 19.07.1967; опубл. 09.01.1969.

22. Пат.230445 SU, МПК G01F 17/00. Устройство для определения объема герметических сосудов / Андреев Г.Н. и др. - Заявл. 20.06.1967; опубл. 04.03.1969.

23. Пат.349900 SU, МПК G01F 17/00. Устройство для измерения объема емкости / Векшин В.Д. и др. - Заявл. 30.03.1971; опубл. 04.09.1972.

24. Пат.431402 SU, МПК G01F 17/00. Способ определения объема сосудов / Новиков Л.И. - Заявл. 17.04.1972; опубл. 10.12.1974, Бюл. №18.

25. Пат.591703 SU, МПК G01F 17/00. Способ определения объема сосудов / Розенталь М.Б., - Заявл. 08.07.1976; опубл. 05.02.1978.

26. Пат.787901 SU, МПК G01F 17/00. Смеситель объемов жидкости / Киясбейли A.M. и др. - Заявл. 26.02.1979; опубл. 15.12.1980.

27. Пат.982431 SU, МПК F28F 27/00, G01F 17/00. Способ определения емкости теплообменных агрегатов (варианты) и стенд для его осуществления / Ежикова В.М. и др. - Заявл. 29.04.1981; опубл. 20.05.2006, Бюл. №14.

28. 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. 30.09.1983, Бюл. №36.

29. Пат.1071074 SU, МПК F28F 27/00, G01F 17/00. Стенд для определения емкости теплообменных агрегатов / Малышев В.В. -Заявл. 14.07.1982; опубл. 27.05.2006, Бюл. №15.

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

31. Пат.103017850 CN, МПК G01F 17/00. Device and method for measuring volume ratio of vacuum container / Wei Wan Yin и др. - Заявл. 27.11.2012; опубл. 03.04.2013.

32. 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 R. - Заявл. 23.02.1998; опубл. 08.10.1999.

33. 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 K.-H. - Заявл. 06.07.1982; опубл. 15.05.1984.

34. Пат.4856343 US, МПК G01F 1/00, G01F 23/00, G01F 23/02. Monitoring liquid level infed tank and flow rate of liquid therefrom to point of use / Hon C.C. -Заявл. 24.11.1987; опубл. 15.08.1989.

35. Пат.20100286932 US, МПК G01F 17/00. Volume gauge / Caldwell W., PenticoC.A., Lee L.M. - Заявл. 06.05.2010; опубл. 11.11.2010.

36. Заявка на изобретение 5068051 RU, МПК (1995.01) G01F 17/00. Устройство для измерения объема жидкости / Брюханов Б.К. и др. -Заявл. 13.07.1992; опубл. 10.02.1995.

37. Заявка на изобретение 2006137534 RU, МПК (2006.01) G01F 17/00. Газодинамический способ определения объема тел / Алексеев А.Е., Бутаков С.В. - Заявл. 23.10.2006; опубл. 27.04.2008.

38. Заявка на изобретение 2008108569 RU, МПК (2006.01) G01F 17/00. Способ определения объема емкости / Безруких А.Д. - Заявл. 04.03.2008; опубл. 10.09.2009.

39. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика: Справ, пособие / Т.М. Башта. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1971. - 672 с.

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

Изобретение относится к способам измерения объема бака сложной геометрической формы, частично заполненного жидкостью известного объема, и может быть использовано при проектировании и производстве летательных аппаратов. Способ замера объема бака сложной геометрической формы, частично заполненного жидкостью известного объема, предполагает замер объема бака с помощью его нагрева вместе с предварительно залитой жидкостью известного объема, последующего расчета объема бака после выдержки в термокамере через изменение давления в его незаполненной части и учета объема залитой жидкости, рассчитанного по показаниям весового устройства с учетом ее плотности при известной температуре. Техническим результатом изобретения является обеспечение точности замера объема бака сложной геометрической формы, частично заполненного жидкостью известного объема. Технический результат обеспечивается комбинацией жидкостного и газового способов замера объема бака с применением нагрева. Способ повышает точность замера объема воздушной подушки, тем самым исключая влияние незаполняемых жидкостью полостей в баке. 2 ил.

Способ замера объема бака сложной геометрической формы, частично заполненного жидкостью известного объема, в котором фиксируют массу m_пб пустого бака, бак частично заполняют жидкостью объемом V_зж залитой жидкости, фиксируют массу m_зб заполненного бака, рассчитывают массу m_зж залитой жидкости как разницу между массой m_зб заполненного бака и массой m_пб пустого бака, фиксируют температуру Т₀ при начальном давлении Р₀ в 1 атм, рассчитывают объем V_зж залитой жидкости как отношение массы m_зж залитой жидкости к плотности ρ_зж залитой жидкости при температуре Т₀, отличающийся тем, что после расчета объема V_зж залитой жидкости бак устанавливают в термокамеру, нагревают до температуры Т₁, выдерживают бак в термокамере для термостабилизации, манометром замеряют давление Р₁ в баке, рассчитывают изохорное давление Р_изох по формуле:

производят расчет объема V_ΔT жидкости при температуре Т₁ после расширения:

где К - коэффициент объемного расширения залитой жидкости;

ΔT - изменение температуры в результате нагрева;

выражают изотермическое давление Р_изот по формулам:

где V_б - искомый объем бака;

выражают объем бака V_б через изотермическое давление Р_изот:

производят расчет объема бака V_б.