СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЁМА ЁМКОСТИ
METHOD OF DETERMINING CONTAINER VOLUME

Изобретение относится к машиностроительной промышленности, а именно, к способам измерения объемов емкостей, в особенности с полостями сложной конфигурации, технических изделий в условиях промышленного производства, при их эксплуатации и при проведении опытных работ.
Известен способ для определения объема емкостей, который реализуется в "Способе определения объема емкости" (SU 1492219, 07.07.1989, G01F 17/00). В известном способе сообщают контролируемую емкость с калиброванной емкостью, имеющей заданную концентрацию индикаторного газа, определяют концентрацию индикаторного газа в обеих емкостях, перед сообщением емкостей устанавливают давление в калиброванной емкости равным давлению газа в контролируемой емкости при равной температуре, а искомый объем V рассчитывают по формуле
к
2
к
V=(Δn/Δn)V,
к
2
где Δn, Δn - изменение концентрации индикаторного газа соответственно в калиброванной и контролируемой емкостях после их сообщения;
к
V - объем калиброванной емкости.
Известна также "Установка измерения объемов емкостей газом" (RU 131155, 10.08.2013, G01F 17/00). В способе, описанном в данном патенте, мерные емкости имеют суммарный объем, соответствующий объему измеряемой емкости, и эти емкости сообщают между собой через вентили, в мерных емкостях создают и измеряют атмосферное давление, а измеряемое изделие (емкость) вакуумируют до давления, которое принимают равным нулю, осуществляют перепуск газа из мерных емкостей в измеряемое изделие (емкость), измеряют установившееся давление в системе, рассчитывают объем измеряемого изделия (емкости) в результате прямого процесса, а затем в измеряемом изделии создают атмосферное давление, а мерные емкости вакуумируют до давления, которое принимают равным нулю, после чего осуществляют обратный перепуск газа из измеряемого изделия (емкости) в мерные емкости, измеряют установившееся давление в системе, рассчитывают объем измеряемого изделия (емкости) в результате обратного процесса, определяют объем измеряемого изделия (емкости) как среднее двух измерений.
Оба описанных способа имеют недостатки, заключающиеся в сложности процесса измерения объемов, низкой производительности и низкой точности измерения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является патент на изобретение "Способ определения объема емкости" (SU 1492219, 07.07.1989, G01F 17/00), которой и взят за прототип.
Признаки известного технического решения (SU 1492219, 07.07.1989, G01F 17/00), совпадающие с признаками заявляемого изобретения, заключаются в том, что контролируемая емкость и калиброванная емкость сообщены между собой.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении (SU 1492219, 07.07.1989, G01F 17/00) технического результата, который достигается заявляемым изобретением, состоит в том, что, во-первых, процесс измерения сложен из-за большого количества операций и применения специальных веществ, во-вторых, необходимость выполнения большого количества функциональных и измерительных операций в их технологической последовательности и во взаимоувязке приводит к низкой производительности процесса измерения объема емкости, и, в-третьих, наличие принципа косвенного измерения объема емкости (через концентрацию специального газа и последующие математические расчеты).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение сложности процесса измерения объемов, повышение производительности и точности измерения.
Технический результат, обеспечивающий решение указанной задачи, состоит, во-первых, в снижении количества операций в процессе измерения объема емкости и исключения из процесса специальных веществ, во-вторых, в упрощении взаимоувязки функциональных и измерительных операций, и, в-третьих, в замене принципа косвенного измерения на прямой принцип измерения объема емкости.
Снижение количества операций в процессе измерения объема емкости и исключения из процесса специальных веществ достигается тем, что калиброванную и контролируемую емкости заполняют любым газом, например, воздухом, без примеси специальных веществ.
Упрощение взаимоувязки функциональных и измерительных операций достигается тем, что заполнение обеих емкостей газом осуществляют до определенного любого давления и измеряют это давление без всяких дополнительных переходов, а затем весь объем газа из калиброванной емкости вводят в контролируемую емкость, измеряют установившееся давление газа в контролируемой емкости. При этом нет необходимости следить за изменением концентрации газа в емкостях, потому что в него не введено никаких специальных добавок, и его химический состав остается неизменным при всех операциях.
Замена принципа косвенного измерения на принцип прямого измерения объема емкости достигается тем, что измеряют установившееся давление газа в контролируемой емкости, и по возросшей величине которого определяют искомый объем контролируемой емкости, что становится возможным в связи с тем, что в калиброванной емкости не остается никакого газа, потому что он весь введен в контролируемую емкость.
Технический результат достигается тем, что в способе определения объема емкости, включающем в себя сообщение контролируемой емкости с калиброванной емкостью известного объема, калиброванную и контролируемую емкости заполняют газом, например воздухом до определенного любого давления, измеряют это давление, затем весь объем газа из калиброванной емкости вводят в контролируемую емкость, измеряют установившееся давление газа в контролируемой емкости и по возросшей величине этого давления определяют искомый объем контролируемой емкости.
Технический результат достигается также и тем, что:
- весь объем газа из калиброванной емкости вводят в контролируемую емкость путем вытеснения его из калиброванной емкости посредством движения поршня;
- весь объем газа из калиброванной емкости вводят в контролируемую емкость путем вытеснения его из калиброванной емкости посредством деформирования (смятия) самой калиброванной емкости, которую выполняют, например, в виде мешка или рукава из эластичного материала;
- в случае введения всего объема газа из калиброванной емкости в контролируемую емкость путем вытеснения его из калиброванной емкости посредством деформирования (смятия) самой калиброванной емкости, которую выполняют, например, в виде мешка или рукава из эластичного материала, деформирование калиброванной емкости осуществляют путем прокатывания жесткого ролика по всей ее длине и ширине;
- весь объем газа из калиброванной емкости вводят в контролируемую емкость путем вытеснения его из калиброванной емкости посредством заполнения калиброванной емкости водой;
- при введении газа из калиброванной емкости в контролируемую емкость обеспечивают постоянство температуры газа в контролируемой емкости, например, путем поддержания соответствующей (малой) скорости введения газа, в частности, за счет соответствующей (малой) скорости перемещения поршня;
- во всех описанных выше случаях - все действия совершают два или более раз с последующим вычислением среднеарифметического значения измеренного давления в контролируемой емкости после введения в нее газа, а затем по этому значению определяют объем контролируемой емкости.
В итоге сформулированный и описанный выше технический результат обеспечивает решение задачи заявляемого изобретения, а именно, снижение сложности процесса измерения объемов, повышение производительности и точности измерения.
Новые признаки заявляемого технического решения заключаются в том, что калиброванную и контролируемую емкости заполняют газом, например воздухом, до определенного любого давления, измеряют это давление, затем весь объем газа из калиброванной емкости вводят в контролируемую емкость, измеряют установившееся давление газа в контролируемой емкости и по возросшей величине этого давления определяют искомый объем контролируемой емкости.
Новые признаки заявляемого технического решения заключаются также и в том, что:
- весь объем газа из калиброванной емкости вводят в контролируемую емкость путем вытеснения его из калиброванной емкости посредством движения поршня;
- весь объем газа из калиброванной емкости вводят в контролируемую емкость путем вытеснения его из калиброванной емкости посредством деформирования (смятия) самой калиброванной емкости, которую выполняют, например, в виде мешка или рукава из эластичного материала;
- в случае введения всего объема газа из калиброванной емкости в контролируемую емкость путем вытеснения его из калиброванной емкости посредством деформирования (смятия) самой калиброванной емкости, которую выполняют, например, в виде мешка или рукава из эластичного материала, деформирование калиброванной емкости осуществляют путем прокатывания жесткого ролика по всей ее длине и ширине;
- весь объем газа из калиброванной емкости вводят в контролируемую емкость путем вытеснения его из калиброванной емкости посредством заполнения калиброванной емкости водой;
- при введении газа из калиброванной емкости в контролируемую емкость обеспечивают постоянство температуры газа в контролируемой емкости, например, путем поддержания соответствующей (малой) скорости введения газа, в частности, за счет соответствующей (малой) скорости перемещения поршня;
- во всех описанных выше случаях - все действия совершают два или более раз с последующим вычислением среднеарифметического значения измеренного давления в контролируемой емкости после введения в нее газа, а затем по этому значению определяют объем контролируемой емкости.
Изобретение иллюстрируется чертежом.
На чертеже изображена схема системы осуществления способа определения объема емкости (один из вариантов заявляемого изобретения).
В состав системы входит контролируемая емкость 1, калиброванная емкость 2 в виде цилиндра с поршнем 3 и штоком 4, датчик (измеритель) давления 5, расположенный в контролируемой емкости 1. При этом обеспечена герметичность самой контролируемой емкости 1, калиброванной емкости 2 и стыка 6 этих емкостей.
В исходном состоянии системы поршень 3 со штоком 4 находится внутри калиброванной емкости 2, например, в крайнем правом положении (на чертеже он показан в промежуточном положении - в начале движения). Объем калиброванной емкости 2 при этом положении поршня 3 известен (заранее измерен). Полости контролируемой емкости 1 и калиброванной емкости 2 сообщены между собой через стык 6 и заполнены газом, например, воздухом при определенном исходном (начальном) давлении, значение которого измерено датчиком 5, установленном в контролируемой емкости 1.
Определение объема контролируемой емкости производится следующим образом.
Покажем это на условном (не образмеренном) примере.
1
2
1
2
нач
Имеем контролируемую емкость объемом V, калиброванную емкость объемом V. Совмещенная полость двух емкостей в исходном (начальном) состоянии имеет объем (V+V),. Давление в совмещенной полости двух емкостей в исходном (начальном) состоянии Р.
2
нач
кон
кон
нач
1
Усилием F начинают медленно перемещать поршень 3 (см. чертеж), например, со скоростью не более 1 см/с, из его начального положения в сторону стыка 6, вытесняя тем самым газ, например воздух, из калиброванной емкости 2 в контролируемую емкость 1, и доводят поршень 3 до его конечного положения, то есть до стыка 6, тем самым вытеснив весь объем V газа из калиброванной емкости 2 в контролируемую емкость 1. При этом процессе происходит повышение давления в совмещенной емкости от его начального значения Р до конечного Р, которое снимается с датчика 5. Превышение конечного давления Р над начальным давлением Р, то есть ΔР, и позволяет нам определить объем V контролируемой емкости при условии, что температура Т газа не меняется, то есть, процесс - изотермический (PV=Const).
1
Для определения объема V контролируемой емкости 1, используем приведенную выше формулу изотермического процесса (Закон Бойля - Мариотта)
PV=Const
В нашем примере это запишется так:
нач
нач
кон
кон
Р⋅V=Р⋅V
Впишем в формулу соответствующие значения параметров:
нач
1
2
нач
кон
1
2
кон
Р⋅(V+V)=Р⋅(V+V).
2
Путем преобразований и с учетом того, что в конце процесса V=0, получаем:
нач.
1
нач
2.
кон
1
Р⋅V+Р⋅V=Р⋅V
и далее
1
нач
2
кон
нач
V=(Р⋅V)/(Р-Р)
После перестановок имеем:
1
2
нач
V=(V⋅Р)/ΔР и окончательно
1
2
нач.
V=V⋅(Р/ΔР),
кон
нач
где ΔР=(Р-Р) - превышение конечного давления над начальным.
А теперь проиллюстрируем определение объема емкости условным образмеренным примером.
1
2
1
нач.
кон
1
2
Имеем контролируемую емкость с неизвестным объемом V, калиброванную емкость с известным объемом V=1,0 л. Совмещенная полость двух емкостей в исходном (начальном) состоянии имеет объем (V+1,0) л. Давление в совмещенной полости двух емкостей в исходном (начальном) состоянии - атмосферное Р=1,0 атм. (кгс/см). Осуществляем описанный выше процесс с движением поршня 3 (см. чертеж). Снимаем показание датчика 5. Пусть это показание будет Р=1,1 атм. По имеющимся и полученным данным производим вычисление искомого объема V контролируемой емкости 1 по полученной выше формуле
1
2
нач
V=V⋅(P/ΔР),
1
V=1,0⋅(1,0/0,1)=10,0 л.
2
нач
кон
Возьмем для сравнения другие исходные данные, например, V=1,0 л, Р=1,0 атм, Р=1,2 атм и при этом получим
1
V=1,0⋅(1,0/0,2)=5,0 л.
2
нач
кон
Продолжим вычисление с еще одним набором исходных данных, например, V=1,0 л, Р=1,0 атм., Р=1,5 атм и при этом получим
1
V=1,0⋅(1,0/0,5)=2,0 л.
1
Если в трех приведенных выше примерах вычислений принять, что полученный результат V=10,0 л относится к контролируемой емкости 1, ничем не заполненной, то два последующих вычисления показывают, что контролируемая емкость 1 уже находится в другом состоянии, а именно заполненной, например, жидкостью, при этом свободный объем в контролируемой емкости в одном случае составляет 5,0 л, а в другом случае - 2,0 л.
нач
нач
С целью повышения точности определения объема емкостей возможно проводить описанный выше процесс не при атмосферном давлении (Р=1,0 атм), а при повышенном, например, при Р=5,0 атм, что позволяет расширить шкалу измерительного прибора (датчика, манометра и т.п.) с 0,1 и выше, например, до ΔР=2,5 атм. Повторим проведенные выше вычисления с названными изменениями исходных данных.
1
-V=1,0⋅(5,0/0,5)=10,0 л;
1
-V=1,0⋅(5,0/1,0)=5,0 л;
1
-V=1,0⋅(5,0/2,5)=2,0 л.
кон
нач
1
На практике нет необходимости после каждого замера производить вычисления, если заранее произвести тарировку системы определения объема емкостей по всей шкале возможных показаний, и составить соответствующую таблицу, в которой каждому превышению конечного давления Р над начальным Р(ΔР) будет свое значение искомого объема V контролируемой емкости, что исключит необходимость пользоваться формулами для непосредственных исполнителей работ.
2
2
Возможны и другие вариации заявляемого способа при его практической реализации в зависимости от решаемой проблемы. Возможно варьирование объема V калиброванной емкости 2, например, при необходимости его уменьшении - посредством использования неполного хода поршня 3, или же, наоборот - с целью увеличения вводимого объема V возможно многократное движение поршня, например, так же, как это делается (делалось) при накачивании колес велосипедов или автомашин ручным насосом.
Заявляемый способ позволяет определять объем полостей сложной конфигурации, в том числе, в труднодоступных местах изделий и систем в различных областях техники, как при ее производстве, так и при эксплуатации, диагностировании и ремонте.
Описанное выше осуществление изобретения подтверждает возможность получения технического результата, который состоит, во-первых, в снижении количества операций в процессе измерения объема емкости и исключения из процесса специальных веществ, во-вторых, в упрощении взаимоувязки функциональных и измерительных операций, и, в-третьих, в замене принципа косвенного измерения на прямой принцип измерения объема емкости.
Названный технический результат обеспечивает решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, а именно, снижение сложности процесса измерения объемов, повышение производительности и точности измерения.