CN105115559A - 基于二次微变容差压原理的容器容积测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于设备测量技术领域，特别是涉及一种基于二次微变容差压原理的容器容积测量装置及方法，该测量装置包括被测容器，通过管路将被测容器与差压传感器及等温参考容器（4）相连；在被测容器与差压传感器（3）间设精密活塞，左阀门接入差压传感器与精密活塞间；右阀门接入等温参考容器与差压传感器间。利用该测量装置进行容器容积的测量，该装置可用于各类复杂结构容器容积的快速、精确、无损测量。

Description

基于二次微变容差压原理的容器容积测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于设备测量技术领域，特别是涉及一种基于二次微变容差压原理的容器容积测量装置及方法，可用于各类复杂结构容器容积的快速、精确、无损测量。

背景技术

容积是容器的基本物理量之一。由于各类容器具有不同的容积精度、应用场合、贮存介质、密封状态、结构形式等技术特点，其容积的测量方法也差异很大。目前，在复杂结构容器容积的各种测量方法中，较为常用的是衡量法。所谓衡量法，是先对容器所能容纳介质(通常为液体)的质量及其密度进行测量，然后计算容积的方法，但是衡量法存在由于容器内部存在各种死空间而无法保证液体完全注满、液体被注入后无法完全排出等缺点。

第二种测量容器容积的方法是静态膨胀法。静态膨胀法通常是外接一个预先标定容积的容器或外接一个内部置放已知体积实心物的未知容积容器，通过开启阀门使被测容器与外接容器内部气体的绝对压力发生改变，进而通过求解理想气体状态方程获得被测容器容积。受绝对压力传感器的精度限制，外接容积与被测容积不能相差太大，否则绝对压力传感器无法分辨微小的压力变化。同时，由于气体膨胀容积较大，热平衡时间较长。

第三种方法是流量累积法，即对容器充放气并测得容器充放气前后的绝对压力、累积质量流量，进而计算容器容积的方法。这种方法需要在充放气时尽可能使流量较小，从而克服因充放气使容器内部气体温度发生变化而带来测量误差的不足。

此外，还有使用声速放气(充气)法来测量容器容积的方法。当容器在声速流状态下放气或者充气时，分析该过程中气体的状态参数变化，可以获得容器容积与参数变化的关系。但是，这种方法不仅需要在管路中接入一个已知有效截面积的节流阀，而且还需要多次重复实验获得容器容积与容器内部的气体压力、多变指数之间的函数关系，从而确定容积计算公式。

综上所述，受种种技术条件所限，上述测量方法均存在工艺复杂、过程缓慢、精度不高等缺点，无法实现对复杂结构容器容积的快速、精确、无损测量。

发明内容

本发明的目的是：设计一种适用于复杂结构容器容积测量的新装置以及利用该装置实现容积的快速、精确、无损测量新方法。

本发明的技术方案：基于二次微变容差压原理的容器容积测量装置，包括被测容器，通过管路将所述的被测容器依次与差压传感器及内部均布填充细铜丝的等温参考容器相连；在被测容器与差压传感器之间的管路中设置着精密活塞，左阀门一端与针阀的左端相连，另一端则接入差压传感器与精密活塞之间的管路中；右阀门的一端与针阀的右端相连，另一端则接入等温参考容器与差压传感器之间的管路中。

该装置中被测容器1个，用于容积的测试；等温参考容器1个，内部填充细铜丝，用于提供稳定的参考压力；差压传感器1个，用于测试被测容器与等温参考容器之间的压差；精密活塞1个，用于被测容器的精确变容；右阀门1个，用于气路的启闭；针阀1个，用于将被测容器与等温参考容器之间的本底压差在测试前处于较低水平；左阀门1个，用于气路的启闭。其中，右阀门的一端与针阀的右端连接，另一端接入等温参考容器与差压传感器之间的管路中；左阀门的一端与针阀的左端连接，另一端接入差压传感器与精密活塞的管路中。

将上述测量装置用于容器容积的测量方法，所述的测量方法包括下述步骤：一、将测量装置依次连接，管路的密封部位压紧会使差压传感器两侧存在一定的压差；二、依次打开左阀门、针阀、右阀门，连通被检容器和等温参考容器，使差压传感器两侧的压差归零；三、关闭针阀，读取差压传感器的读数为Δp₀，即本底压差；四、调节精密活塞，对被检容器进行第一次微变容，容积变化量为ΔV₁，读取差压传感器的读数变化值Δp₁；五、继续调节精密活塞，对被检容器进行第二次微变容，容积变化量为ΔV₂，读取差压传感器的读数变化值

Δp₂；六、以式(A)对被测容器容积V进行计算即可获得被测容器的容积。

$V=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_1+{\mathrm{\ΔV}}_2}{\frac{{\mathrm{\Δp}}_1{\mathrm{\ΔV}}_2}{{\mathrm{\Δp}}_2{\mathrm{\ΔV}}_1}-1}---\left(A\right)$

有益效果：(1)提出了二次微变容差压原理的容器容积测量装置及方法，通过联立求解每次微变容过程的理想气体状态方程，即可获得被测容器的容积。由式(3)可以看出，该方法无需测量被测容器的绝对压力，也无需对被测容器充入任何介质，在常压状态下即可完成整个测量过程。(2)测量过程中，被测容器仅产生微小的容积变化，每次的容积变化率(ΔV/V)在0.1％到1％之间，大大缩短了气体变容后的热平衡时间，实现被测容器容积的快速测量。(3)测量过程中，使用量程较小的差压传感器分别测量两次微变容所产生的微小压差值，实现被测容器容积的精确测量。(4)该方法仅对被测容器产生微小的压力变化，满足某些特殊容器或腔体容积的无损测量需求。(5)由于测量时间很短，同时该装置配置了填充细铜丝的等温参考容器，因此可以忽略外界环境变化尤其是温度波动对容器内部气体压力的影响。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为本发明的主视结构示意图。

具体实施方式

实施例1、基于二次微变容差压原理的容器容积测量装置，如图1所示，包括被测容器1，通过管路将所述的被测容器1依次与差压传感器3及内部均布填充细铜丝的等温参考容器4相连；在被测容器1与差压传感器3之间的管路中设置着精密活塞2，左阀门7一端与针阀6的左端相连，另一端则接入差压传感器3与精密活塞2之间的管路中；右阀门5的一端与针阀6的右端相连，另一端则接入等温参考容器4与差压传感器3之间的管路中。

实施例2、将实施例1所述的测量装置用于容器容积的测量方法，所述的测量方法包括下述步骤：一、将测量装置依次连接，管路的密封部位压紧会使差压传感器3两侧存在一定的压差；二、依次打开左阀门7、针阀6、右阀门5，连通被检容器1和等温参考容器4，使差压传感器3两侧的压差归零；三、关闭针阀6，读取差压传感器3的读数为Δp₀，即本底压差；四、调节精密活塞2，对被检容器1进行第一次微变容，容积变化量为ΔV₁，读取差压传感器3的读数变化值Δp₁；五、继续调节精密活塞2，对被检容器1进行第二次微变容，容积变化量为ΔV₂，读取差压传感器3的读数变化值Δp₂；六、以式(A)对被测容器容积V进行计算即可获得被测容器1的容积。

$V=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_1+{\mathrm{\ΔV}}_2}{\frac{{\mathrm{\Δp}}_1{\mathrm{\ΔV}}_2}{{\mathrm{\Δp}}_2{\mathrm{\ΔV}}_1}-1}---\left(A\right)$

测量原理为：使用精密活塞对被测容器进行连续二次的微变容，使被测容器与参考容器之间产生微小的压差变化量。通过联立二次微变容过程的理想气体状态方程，求解后获得被测容器的容积，从而实现被测容器容积的快速准确测量。其中，二次微变容的体积由预先精确标定的精密活塞获得，所产生的微小压差变化量由差压传感器测量。所述装置在测量过程中对被测容器仅产生微小的容积变化，显著缩短了气体变容后的热平衡时间，实现容器容积的快速测量；使用差压传感器测量每次微变容产生的压差，实现容器容积的精确测量；该方法仅使被测容器产生微小的压力变化，满足某些特殊容器或腔体容积的无损测量需求。

数学模型如下：对于未知绝对压力p和未知容积V的被测容器，使用精密活塞第一次对被测容器进行微变容，记下活塞变容量ΔV₁，此时差压传感器的数值改变了Δp₁；继续对被测容器进行微变容，记下活塞第二次的变容量ΔV₂，此时差压传感器继续改变了Δp₂。在测量过程中，由于被测容器的容积改变量非常小，近似为等温过程。以两次的容积均以微膨胀过程为例，根据理想气体状态方程有式(a)～(b)成立：

pV＝(p-Δp₁)(V+ΔV₁)(a)

pV＝(p-Δp₁-Δp₂)(V+ΔV₁+ΔV₂)(b)

联立上述两式并消去绝对压力p，则有：

$V=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_1+{\mathrm{\ΔV}}_2}{\frac{{\mathrm{\Δp}}_1{\mathrm{\ΔV}}_2}{{\mathrm{\Δp}}_2{\mathrm{\ΔV}}_1}-1}---\left(A\right)$

式(A)是两次微容积均以膨胀过程来计算容器容积的。对于两次微压缩过程，均使用同样原理的推导过程。

Claims (2)

1.基于二次微变容差压原理的容器容积测量装置，包括被测容器(1)，其特征在于：通过管路将所述的被测容器(1)依次与差压传感器(3)及内部均布填充细铜丝的等温参考容器(4)相连；在被测容器(1)与差压传感器(3)之间的管路中设置着精密活塞(2)，左阀门(7)一端与针阀(6)的左端相连，另一端则接入差压传感器(3)与精密活塞(2)之间的管路中；右阀门(5)的一端与针阀(6)的右端相连，另一端则接入等温参考容器(4)与差压传感器(3)之间的管路中。

2.将权利要求1所述的测量装置用于容器容积的测量方法，其特征在于：所述的测量方法包括下述步骤：一、将测量装置依次连接，管路的密封部位压紧会使差压传感器(3)两侧存在一定的压差；二、依次打开左阀门(7)、针阀(6)、右阀门(5)，连通被检容器(1)和等温参考容器(4)，使差压传感器(3)两侧的压差归零；三、关闭针阀(6)，读取差压传感器(3)的读数为Δp₀，即本底压差；四、调节精密活塞(2)，对被检容器(1)进行第一次微变容，容积变化量为ΔV₁，读取差压传感器(3)的读数变化值Δp₁；五、继续调节精密活塞(2)，对被检容器(1)进行第二次微变容，容积变化量为ΔV₂，读取差压传感器(3)的读数变化值Δp₂；六、以式(A)对被测容器容积V进行计算，即可获得被测容器(1)的容积。

$V=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_1+{\mathrm{\ΔV}}_2}{\frac{{\mathrm{\Δp}}_1{\mathrm{\ΔV}}_2}{{\mathrm{\Δp}}_2{\mathrm{\ΔV}}_1}-1}---\left(A\right)$