СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И/ИЛИ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ГАЗА ВНУТРИ ОБОЛОЧКИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

1. Способ измерения, по меньшей мере, одного физического параметра на оболочке (1), наполненной газом (2), причем измерения производят при помощи акустического датчика, содержащего, по меньшей мере, один преобразователь (5), электрическую систему (8), соединенную с преобразователем (5), и соединительный слой (6) для соединения преобразователя (5) с оболочкой (1), при этом способ включает в себя шаги, на которых:
- генерируют посредством преобразователя (5) возбуждающий акустический сигнал, вызывающий колебания оболочки (1) и газа (2) в широком диапазоне частот;
- регистрируют посредством преобразователя (5) ответный акустический сигнал, характеризующий колебания оболочки и газа;
- анализируют ответные электрические сигналы, поступающие от преобразователя (5), посредством системы (8),
отличающийся тем, что включает в себя шаги, на которых посредством системы (8):
- измеряют амплитуды ответных электрических сигналов, поступающих от преобразователя (5), для определения набора резонансных частот газа (2);
- выделяют резонансные частоты газа из набора резонансных частот датчика;
- измеряют промежуток между, по меньшей мере, двумя резонансными частотами газа;
- на основании указанного измеренного промежутка определяют скорость с распространения акустических волн в газе;
- вычисляют молярную массу М газа по формуле:
,
где R - газовая постоянная идеального газа, Т - температура, а γ - отношение удельных теплоемкостей для идеальных газов; и/или
- вычисляют интеграл J вещественного ответного акустического сигнала X(f) газа в оболочке, где X(f) - вещественная кривая, содержащая только восстановленные резонансы газа, причем резонансы преобразователя (5), слоя (6) и оболочки (1) удалены; и
- дополнительно на основании указанной скорости распространения, определенной на предшествующих шагах, определяют давление Р газа по вычисленному интегралу J с использованием предварительной калибровки, выраженной в виде зависимости J(P, с) для газа с известным давлением и свойствами.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, в случае возбуждения системой (8) преобразователя (5) посредством серии временных импульсов, включает в себя шаг преобразования временных электрических сигналов, поступающих от преобразователя (5) в частотную область посредством преобразования Фурье.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что включает в себя шаг использования для извлечения резонансных частот газа в оболочке свойства периодичности резонансных частот газа (2) в оболочке (1).
4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что
- если датчик содержит один преобразователь (5), работающий в режиме отражения, то скорость с распространения акустических волн в газе определяют по формуле
с=2DΔf,
где D - внутренний размер оболочки, a Δf - промежуток между двумя резонансными частотами газа; а
- если датчик содержит два преобразователя (5), работающих в режиме передачи, причем один из преобразователей генерирует акустический сигнал, распространяющийся в сторону оболочки (1), а второй преобразователь регистрирует ответный акустический сигнал, то скорость с распространения акустических волн в газе определяют по формуле
с=DΔf.
5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что интеграл J отклика датчика вычисляют по формуле
,
где Т - период основной гармоники резонанса газа, n - порядок выбранной гармоники, F - ширина частотного диапазона чувствительности датчика, a X(f) - вещественная кривая, содержащая только восстановленные резонансы газа, причем резонансы преобразователя (5), слоя (6) и оболочки (1) удалены,
при этом величина J зависит от давления, значение которого может быть получено при помощи калибровки.
6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что ширина диапазона частот позволяет генерировать, по меньшей мере, два, в предпочтительном варианте, порядка десяти резонансов газа.
7. Система, состоящая из акустического датчика и оболочки (1), содержащей газ (2), для осуществления способа по любому из пп.1-6 при соединении датчика с оболочкой, причем акустический датчик содержит
- по меньшей мере, один преобразователь (5), выполненный с возможностью, с одной стороны, генерирования акустического сигнала, вызывающего колебания оболочки (1) и газа (2), и, с другой стороны, регистрации ответного акустического сигнала, характеризующего колебания оболочки и газа;
- соединительный слой (6) для соединения преобразователя (5) с оболочкой (1);
- электрическую систему (8), соединенную с преобразователем (5) и обеспечивающую, с одной стороны, возбуждение указанного преобразователя (5), и, с другой стороны, анализ ответных сигналов;
причем указанный акустический датчик характеризуется тем, что его диапазон частот передачи акустических сигналов имеет такую ширину L, что
где с - скорость распространения акустических волн в газе внутри оболочки, a D - внутренний размер оболочки,
0
0
при этом центральная частота диапазона частот передачи равна f, где f - частота свободных колебаний стенки (10) оболочки (1), с которой датчик соединен во время проведения измерений.
6
6
8. Датчик по п.7, отличающийся тем, что соединительный слой (6) имеет акустический импеданс от 0,5·10 до 3·10 единиц СИ и акустическую толщину от 0,4λ до 0,6λ, где λ - длина волны с частотой свободных колебаний стенки (10) оболочки (1) в соединительном слое.
6
6
9. Датчик по п.7, отличающийся тем, что соединительный слой (6) имеет акустический импеданс от 3·10 до 15·10 единиц СИ и акустическую толщину от 0,2λ до 0,3λ, где λ - длина волны с частотой свободных колебаний стенки (10) оболочки (1) в соединительном слое.
10. Датчик по любому из пп.7-9, отличающийся тем, что преобразователь (5) относится к преобразователям пьезоэлектрического типа, а его акустическая толщина равна 0,5λ, где λ - длина волны с частотой свободных колебаний стенки (10) оболочки (1) в преобразователе.
11. Датчик по п.10, отличающийся тем, что преобразователь (5) имеет форму, концентричную с оболочкой (1).
12. Датчик по любому из пп.7-9, отличающийся тем, что дополнительно содержит несущую заднюю стенку (7) преобразователя (5), выполненную с возможностью отражения или поглощения акустических сигналов.