Способ определения свободного объема емкости Советский патент 1993 года по МПК G01F17/00 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для изме- рдния величин свободного объема емкостей, объема жидкого или твердого материала, находящегося в емкости.

-Известны способы определения величины свободного объема емкости, в которой возбуждают звуковые колебания и определяют величину свободного объема путем сравнения параметров реализующихся колебаний в измеряемой емкости и дополнительной - эталонной емкости. Так, например, в одном способе определение величины объема емкости основано на сравнении амплитуд реализующихся колебаний в измеряемой и эталонной емкостях: В другом способе определение величины объема измеряемой емкости проводится путем изменения объема эталонной до значения, при котором реализуются тождественные параметры колебаний в обоих емкостях, что характеризуют равенство указанных объемов. Если параметры газов (состав и температура) в обоих емкостях идентичны, то таким образом достигается высокая точность измерений. Однако, наличие эталонных емкостей существенно усложняет конструкцию измерительной системы, а в случаях емкостей большого объема делает систему чрезвычайно громоздкой.

Указанный недостаток несвойственен способам, в которых в измеряемом объеме регистрируется частота собственных колебаний, квадрат которой обратно пропорционален величине объема. Коэффициентом пропорциональности, как это будет показано ниже, служит квадрат скорости звука в газе, заполняющем свободный объем емкости.

.В способе измерения объема емкости предлагается для определения реализующегося значения скорости звука в емкости после измерения собственной частоты газа, заполняющего емкость первоначально, ввоО

ел

ND Ю VI

дить заданное количество другого газа, отличающегося от первого удельным весом и показателем адиабаты. Повторное измерение собственной частоты колебаний новой газовой смеси в объеме дает возможность на основе сравнения определить скорость звука в первом случае. В рассматриваемом способе предлагается расчетная формула, косвенно содержащая эту поправку. Недостатком данного способа является необходимость использовать дополнительную систему дозированного напуска другого газа и знать точные значения термодинамических параметров газов, первоначально заполняющего емкость и напускаемого дополнительно.

Цель изобретения - упрощение системы измерения величины свободного объема емкости с соединительным каналом во вне при сохранении высокой точности измерения на основе использования одной и той же системы возбуждения и измерения собственных колебаний и исключения ряда операций с другими, неоднородными уже используемой, системами.

Указанная цель достигается тем, что для определения скорости звука в газе, заполняющем емкость, повторное измерение собственной частоты колебаний газа в емкости проводят на одной из пространственных мод колебаний, которую реализуют в свобо дном объеме емкости или в трубе, вводимой предварительно в свободный объем емкости. Это позволяет использовать только аппаратуру возбуждения и регистрации акустических колебаний.

Расчет свободного объема емкости производят по формулам на основе полученных при объемных и пространственных колебаниях характеристик

V

/ Irnnk 2 . г fv Kmnk L- соединительный канал. На фиг. 2 дана схема распределения давления при продольных колебаниях между двумя жесткими стенками; 3 - первая мода, 4 - вторая мода,

5 - третья мода. На фиг. 3 дана схема четвертьволновой трубки: 6 - четвертьволновая трубка, 7 - распределение давления при собственных колебаниях в ней. На фиг. 4 показана амплитудно-частотная характеристика конкретной системы при реализации объемных колебаний. На фиг. 5 приведена экспериментальная зависимость собственной частоты объемных колебаний от длины соединительного канала для конкретной системы.

Для обоснования предлагаемого способа кратко рассмотрим особенности реализации в свободном объеме емкости различных форм колебаний и влияния величины скорости звука на собственные частоты этих форм. В первую очередь рассмотрим, что величина скорости звука в значительной степени зависит от состава газа и его температуры.

Существование объемных форм колебаний газа в свободном объеме скорости связано с условием наличия канала, соединяющего внутреннюю полость емкости с внешней средой, в виде, например,

горловины, патрубка, отверстия в крышке емкости или других устройств (фиг. 1). В этом случае организуется акустическая колебательная система, механическим анало гом которой является масса, подвешенная на упругом элементе. В акустической системе роль массы выполняет столб газа, запол- няющего канал, а упругим элементом является газ, заполняющий свободный обь- ем емкости. Нетрудно показать, что частота собственных колебаний газа в емкости этой формы определяется соотношением

проходного сечения патрубка. Эта величина может быть определена по известной .зависимости.

Как видно из соотношения (1), величина собственной частоты колебаний газа в ем- кости зависит of величины ее свободного Объема и геометрических параметров патрубка. Изменяя последние нужным обра- з ом, можно соответственно настраивать собственные колебания в емкости. Раз- решая соотношение (1) относительно величины свободного объема, получим сротношение, лежащее в основе способа определения этой величины по измеряемому значению собственной частоты колеба- нИй газа а емкости

с .Ј V L

Другие формы колебаний газа в емкости связаны с распространением в газе акусти- ческих волн, их взаимодействием между собой и отражением от стенок емкости. Собственные частоты колебаний таких форм определяются геометрическими размерами емкости, Например, для емкости в виде параллелепипеда со сторонами a, b, h реализуются пространственные колебания с собственными частотами fp, равными

v-(Ј-.#.f

(2)

fp fVO2+(§)2+(f)2. О)

где m,n,k принимают значения 0,1,2,3,... и характеризуют соответствующие моды колебаний.

Это соотношение можно записать в ви- де

fp- fmnk- С ,(4)

где fmnk - собственная частота пространственных колебаний газа;

Kmnk - волновое число, конкретные зна- чения7лараметров;

m,n,k определяют соответствующие собственные значения волнового числа; колебания, определяемые собственными зна- чениями волнового числа Kmrik называются модой (m,n,k), а величина Kmnk для данной формы емкости вычисляется как

K,nk ф +ф + ф2

Разрешив соотношение (5) относительно скорости звука, можно воспользоваться им для определения ее величины на основе измерений собственной частоты колебаний одной из мод. Подставив это значение в соотношение (3), получим возможность точ-. но определить величину свободного объема с учетом реализованного в объеме, состава

5 10 .15

20 25

30

35

газа и его температуры. В этом случае соотношение имеет вид

fmnk

V- (7

(6)

fv Kmnk

В случае емкости цилиндрической или сферической формы появятся также другие моды колебаний (тангенциальные, радиальные) волновые числа которых определяются другими, но известными соотношениями.

В любом случае возникает необходимость предварительного выбора опорной моды собственных колебаний, на основе измерений собственной частоты которой проводится определение величины скорости звука. Такая форма должна быть легко воспроизводимой и не зависит от состояния емкости, меры ее заполнения и проч. Так, например, нецелеообразно использовать моду колебаний в вертикальном направлении емкости при её заполнении жидкостью, поскольку высота свободного объема емкости зависит от меры ее заполнения и требует дополнительного определения каким-либо независимым методом. В этом плане целесообразно использовать такую форму колебаний, которая характеризуется существенным отличием значения собственной частоты от других. Например, в емкости, один из линейных размеров которой существенно превышает другие, возможно использование низких мод колебаний, в этом направлении. Если в соотношении (5) , h то при реализуется продольная форма колебаний первой моды с наименьшей частотой из возможных:

г С

2а

(7)

40

45

50

55

Такое колебание легко идентифицируется при измерениях.

Однако возможность использовать собственные колебания в емкости не всегда реалируется, например, вслучах близких по значениям линейных размеров емкости, когда не известно, какая именно форма колебаний анализируется, или в случае емкости с очень сложной формой свободного объема, определяемой и формой стенок емкости, и формой размещенного в ней твердого материала, или при наростании со временем на стенах емкости каких-либо отложений, что изменит ее опорный размер, или при измерении объемов однотипных, но разных емкостей, с незначительной точностью их изготовления, или, в конце концов, при реализации способа в автономном приборе, который можно использовать для измерения объемов любых емкостей. Поэтому в общем случае лучше использовать специальное устройство, размещаемое в свободном объеме емкости, для реализации в нем собственных колебаний. Таким устройством могут служить просто две параллельные перегородки, установленные в свободном объеме на точно известном расстоянии друг от друга, между которыми возбуждают продольные колебания газа (см. рис. 2). Лучшим, с точки зрения уменьшения потерь на рассеяние акустической энергии, является возбуждение собственных продольных колебаний в отрезке трубы заданной длины с открытыми двумя или одним торцами (см. фиг. 2). При применении трубы с одним закрытым торцем весьма целесообразным является совмещение мембраны излучающего звук громкоговорителя с крышкой, закрывающей торец. Величина скорости звука определяется тем же соотношением:

с fpi m Li,(8)

где fpi - собственная частота продольных колебаний в емкости или патрубке.

LI - характерный размер емкости или патрубка;

m - параметр, характеризующий моду реализующихся колебаний, а также условия взаимодействия акустических колебаний со стенками емкости или устройства (для каждой конкретной емкости или устройства

этот параметр заранее может быть задан или определен, так как является уточненным на граничные условия параметром,.обратно пропорциональным волновому числу для данной моды и например, для продольных колебаний между двумя жесткими стенками равен 2,4,6,... в зависимости от реализующейся моды, для четвертьволновой трубки с жесткой стенкой он равен 4).

Использование: измерение свободного объема емкости, объема жидкого или твердого материала, находящегося в емкости. Сущность изобретения: в измеряемой емкости с наруж ным патрубком дважды возбуждают колебания газа, заполняющего емкость, и-каждый раз измеряют собственную частоту колебаний газа. Один раз возбуждают объемные колебания газа, а другой - пространственные, на одной из его пространственных мод. Колебание на пространственной моде можно реализовать в отрезке трубы по крайней мере с одним открытые концом. Трубу предварительно помещают в измеряемую емкость. Объем рассчитывают по формуле. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

Формула изобретения 1. Способ определения свободного объема емкости с наружным патрубком, заключающийся в возбуждении объемных колебаний газа, заполняющего емкость, и измерении собственной частоты объемных колебаний газа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения, повторно возбуждают звуковые колебания газа по одной из пространственных мод и измеряют собственную частоту пространственных колебаний газа, а свободный объем емкости вычисляют по формуле

V

/ Tmnk 2 „ F Ч Kmnk L

iv Kmnk

где fv - собственная частота объемных колебаний газа;

U

fmnk - собственная частота пространственных колебаний газа;

Kmnk - собственное значение волнового числа пространственной моды (m,n,k) колебаний;

F - площадь поперечного сечения наружного патрубка;

L - эффективная длина наружного патрубка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что возбуждение звуковых колебаний газа на одной из пространственных мод проводят в трубе по крайней мере с одним открытым торцем, которую предварительно помещают в емкость.