Спосіб вимірювання внутрішніх об’ємів замкнутих ємностей

Спосіб вимірювання об'єму ємності, оснований на перепуску газу, наприклад повітря, з еталонної ємності в вимірювану, який включає створення надмірного тиску газу в еталонній ємності, потім підключення до неї вимірюваної ємності, вимірювання початкових та кінцевих параметрів газу в ємностях і математичний розрахунок за їх значеннями об'єму вимірюваної ємності, який відрізняється тим, що розраховують оптимальне значення надмірного тиску газу в еталонній ємності таким чином, щоб після перепуску газу у обох ємностях встановлювався тиск, близький до атмосферного, окрім того, додатково розташовують вимірювану ємність у вакуумній камері, здійснюють одночасно вакуумування камери та вимірюваної ємності, а після перепуску газу у вакуумну камеру подають атмосферне повітря, і після стабілізації тиску та температур у порожнинах обох ємностей визначають об'єм вимірюваної ємності за формулою: Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може використовуватися для визначення об'єму ємностей у машинобудуванні, ракетно-космічній, хімічній, нафтовій та інших галузях промисловості. В ряді галузей промисловості, зокрема, в ракетно-космічній, вимірювання з великою точністю значення внутрішніх об'ємів ємностей (наприклад, паливних баків) забезпечує надійність функціонування конструкції чи системи в цілому. В силу конструктивних особливостей для цілого ряду ємностей немає можливості визначити внутрішні об'єми шляхом їх обмірювання чи заповнення технологічною рідиною. В цих випадках застосовують газові методи вимірювання. Відомий спосіб, викладений у галузевому стандарті Міністерства загального машинобудування СРСР ОСТ 92-1039-82 «Изделия отрасли. Типовые технологические процессы измерения объё мов ёмкостей газами», сутність якого полягає в перепуску газу з еталонної ємності в вимірювану та вимірюванні тиску у цій ємності до і після перепуску газу. Об'єм вимірюваної ємності визначають за формулою, заснованою на законі БойляМаріотта: Па; де Vx - об'єм вимірюваної ємності, м3; VE - об'єм еталонної ємності, м3; Р0 - початковий тиск в еталонній ємності, Па; Р0Х - початковий тиск в вимірюваній ємності, Р - тиск у еталонній та вимірюваній ємностях після їх з'єднання, Па. Недоліком цього відомого способу є недостатня достовірність в зв'язку з використанням для (13) 87355 (11) UA æ P -P ö ÷ VX = VE × ç 0 çP -P ÷ , 0X ø è (19) де VX - об'єм вимірюваної ємності, м3; 3 VE - об'єм еталонної ємності, м ; TO - початкова температура в еталонній ємності, К; TE - температура в еталонній ємності після вирівнювання тиску, К; TX - температура в вимірюваній ємності після вирівнювання тиску, К; PO - початковий надмірний тиск в еталонній ємності, Па; P - тиск в еталонній та вимірюваній ємностях після стабілізації, Па. C2 P × T - P × TO VX = VE × TX × O E , P × TO × TE 3 вимірювання об'ємів розрахункових формул, що описують перепускання газу з еталонної ємності в вимірювану на підставі закону Бойля-Маріотта як ізотермічний процес, тобто такий, який протікає при постійній температурі, що здається некоректним. Відсутність врахування зміни температури в порожнинах при перепусканні газу може привести як до невірних результатів обчислення повного об'єму, так і до недооцінки (заниження) фактичної похибки вимірювань. Відомі газові способи визначення об'єму контейнера [патент Німеччини №102004036133, МПК7 G01F1/88, 2006; патент Японії №2004117153, МПК7 G01F22/0, 2004], які включають встановлення визначеного тиску повітря або газу в системі декількох еталонних ємностей, потім перепуск газу до вимірюваної ємності, при цьому здійснюють вимірювання змін тиску по особливим алгоритмам. Основним недоліком цих відомих способів є недостатня точність вимірювання та необхідність використання складних схем перепуску газу з великої кількості еталонних ємностей, що значно підвищує собівартість робіт. Найбільш близьким за технічною суттю являється спосіб визначення об'ємів ємностей [авт. свід. СРСР №300766, МПК G01F5/00, 1971], оснований на перепуску газу із еталонної ємності у вимірювану з заміром початкових та кінцевих параметрів газу, при цьому з метою підвищення точності вимірювання створюють надлишковий тиск в еталонній ємності, визначають масу газу в ній шляхом зважування до і після створення надмірного тиску, з'єднують її з дослідною ємністю і за виміром початкових та кінцевих параметрів газу та його ваги визначають об'єм вимірюваної ємності. Основним недоліком цього відомого способу вимірювання об'єму ємностей являється необхідність зважування маси газу у порожнині еталонної ємності, що не дає змоги повністю автоматизувати процес вимірювань, збільшує його трудомісткість, а також створює певні труднощі при вимірюванні великих об'ємів із-за необхідності створення в еталонній ємності високого тиску та забезпечення безпеки вимірювань. Крім того, при визначені об'єму вимірюваної ємності необхідно враховувати похибки, які виникають внаслідок деформації ємності під тиском газу після перепускання. В основу винаходу поставлено завдання вдосконалення способу вимірювання об'єму ємностей шляхом використання оптимального алгоритму перепуску газу, наприклад, повітря, з еталонної ємності в вимірювану, який дозволяє виключити залежність результатів від деформації ємності під тиском газу після його перепускання при зменшенні вимірювань необхідних параметрів. Поставлене завдання вирішується тим, що у способі вимірювання об'єму ємності, основаному на перепуску газу, наприклад, повітря, з еталонної ємності в вимірювану, який включає створення надмірного тиску газу у еталонній ємності, потім підключення до неї вимірюваної ємності, вимірювання початкових та кінцевих параметрів газу в ємностях і математичний розрахунок за їх значеннями об'єму вимірюваної ємності, згідно винаходу, розраховують оптимальне значення надмірного 87355 4 тиску газу в еталонній ємності таким чином, щоб після перепуску газу у обох ємностях встановлювався тиск, близький до атмосферного, окрім того, додатково розташовують вимірювану ємність в вакуумній камері, здійснюють одночасно вакуумування камери та вимірюваної ємності, а після перепуску газу в вакуумну камеру подають атмосферне повітря, і після стабілізації тиску та температур в порожнинах обох ємностей об'єм вимірюваної ємності визначають за формулою: P × T - P × T0 VX = VE × TX × 0 E P × T0 × TE де VX - об'єм вимірюваної ємності, м3; 3 VE - об'єм еталонної ємності, м ; T0 - початкова температура в еталонній ємності, К; TE - температура в еталонній ємності після вирівнювання тиску, К; TX - температура в вимірюваній ємності після вирівнювання тиску, К; P0 - початковий надмірний тиск в еталонній ємності, Па; P - тиск в еталонній та вимірюваній ємностях після стабілізації, Па. Використання заявленого способу забезпечує підвищення точності, зниження трудомісткості, забезпечення безпеки та можливості автоматизації процесу вимірювання. Причинно-наслідковий зв'язок між отриманим результатом та суттєвими ознаками винаходу реалізується шляхом визначення повітря як калібрувального газу, вибором залишкового тиску, рівного атмосферному, та оптимізації алгоритму перепуску повітря між еталонною та вимірюваною ємностями. Використання повітря забезпечує безпеку та знижує трудомісткість робіт. При цьому підвищення точності визначення об'єму вимірюваної ємності досягається тим, що: - зменшується кількість контрольованих параметрів за рахунок попереднього вакуумування вимірюваної ємності, що виключає необхідність вимірювання (з їх похибками) початкових параметрів - тиску та температури газу; - виключаються похибки за рахунок деформації вимірюваної ємності надлишковим тиском у ній після перепуску газу, які можуть залежати від міцносних характеристик конструкції ємності і досягати значних величин, поскільки деформації знімаються шляхом вирівнювання величини тиску всередині і назовні ємності, - при розрахунках об'єму враховується зміна температури всередині еталонної і вимірюваної ємностей, що дозволяє на основі рівняння Менделєєва - Клапейрона більш точно описувати умови газового стану в порожнинах. Суть винаходу пояснюють креслення, які приведені на Фіг.1 та 2, на яких зображені схематично: на Фіг.1 - алгоритм виконання вимірювань, на Фіг.2 - блок-схема установки для їх реалізації, де 1 - еталонна ємність, 2 - вимірювана ємність, 3 - вакуумна камера, 4 - вакуумний насос, 5 датчик тиску, 6 та 7 - датчики температури, 8-12 газові вентилі. 5 Спосіб здійснюються таким чином. Вимірювану ємність розміщують в вакуумній камері. Вакуумують порожнини камери і вимірюваної ємності. Еталонну ємність надувають сухим стисненим повітрям до тиску, величина котрого визначається розрахунковим шляхом таким чином, щоб після з'єднання еталонної ємності з вимірюваною тиск в них був близьким до атмосферного. Далі, після стабілізації тиску та температури повітря в еталонній ємності і вимірювання їх величин, з'єднують еталонну ємність з, вимірюваною, а в порожнину вакуумної камери напускають атмосферне повітря. Після стабілізації тиску та температур у вимірюваній та еталонній ємностях вимірюють їх величини і визначають об'єм вимірюваної ємності за формулою: P × T - P × T0 VX = VE × TX × 0 E P × T0 × TE В тому випадку, коли тиск в еталонній і вимірюваній ємностях після їх з'єднання значно відрізняється від атмосферного, вимірювання повторюють з уточненням величини надмірного тиску у еталонній ємності за обчисленим значенням об'єму вимірюваної ємності. Заявлений спосіб був опробуваний у умовах експериментального виробництва при вимірюванні об'єму ємностей. Початкові дані: Фактичний об'єм вимірюваної ємності разом з технологічним оснащенням, яке підключено до неї, визначений гідравлічним методом з погрішністю 0,1%) - 2345 літрів. 87355 6 Об'єм еталонної ємності разом з технологічним оснащенням, підключеним до неї, визначений гідравлічним методом з похибкою 0,1% -523літри; Тиск попереднього наддуву еталонної ємності РO визначався з формули : VE × P0 = (VX + VE ) × P , звідкіля P0 = (VX + VE ) × P . VE Величиною тиску в еталонній і вимірюваній ємностях після перепуску прийнято значення атмосферного тиску - 760мм рт.ст. або 101325Па. Розрахунковий тиск попереднього наддуву Р0 склав 555640Па. Фактично зафіксований (з похибкою 0,15%) тиск попереднього наддуву склав 556500Па. Усереднена температура повітря (вимірена з похибкою 0,1К) в еталонній ємності перед перепуском - 295,3К. Після перепуску тиск в ємностях склав 101400Па, температура в еталонній ємності дорівнювала 295,0К, у вимірюваній - 294,5К. Розрахункова величина об'єму вимірюваної ємності склала: VХ = 523 × 294,5 × (556500 × 295 - 101400 × 295,3) =2340,4 101400 × 295,3 × 295 літри, тобто відрізняється від об'єму, визначеного гідравлічним методом всього на 0,2%. Таким чином, використання заявленого способу дозволяє забезпечити необхідну точність вимірювання об'ємів різного типу закритих ємностей, при забезпеченні високого рівня безпеки та економічної ефективності. 7 Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 87355 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601