CN112591061A - 一种浮力调节装置用内油箱及油量变化测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种浮力调节装置用内油箱及油量变化测量方法，包括左螺母、左端盖、油箱壳体、油囊、右端盖、温度传感器、右螺母和压力传感器。其中，油囊安装于油箱壳体内，油囊左右两端分别安装左端盖和右端盖，并通过密封圈密封，左端盖和右端盖分别安装在油箱壳体的左右两边，并通过密封圈密封。温度传感器和压力传感器安装在右端盖上，采集油箱壳体内部的温度和压力数据发送给控制系统解算。当向油囊内注油或油囊向外排油时，油囊体积会发生变化，随之油箱壳体内部空气的压力也随之变化。本发明通过测量气密舱压力和温度变化得到内油囊的体积变化量，从而实现了对内油箱油量变化的精确测量。

Description

一种浮力调节装置用内油箱及油量变化测量方法
技术领域
本发明属于水下机器人领域，具体涉及一种浮力调节装置用内油箱及油量变化测量方法。
背景技术
水下滑翔机是一种不依靠推进装置，通过浮力变化驱动水平翼产生水动力，改变重心调整姿态实现水下滑翔的一种水下无人机。它可以长时间、长距离在宽广水域做深浅自如的水下运动。浮力调节装置是水下滑翔机的核心部件，最常用的一种方法是通过往位于水下滑翔机机体外部的外油囊注油和排油改变外油囊体积从而调节整机浮力，而注油量和排油量的控制精度是影响浮力调节系统整体精度和实用性的重点与难点。
目前方法之一是使用流量计来测量注油量和排油量，但是由于压力波动及流量计存在的累计误差，降低了油量的控制精度。另一种方法是设计一种可以实时测量油量的内油囊，例如活塞式和可伸缩的波纹管式内油囊，活塞式内油囊通过位移传感器测量活塞位移从而得到油量变化，此种方法结构复杂，存在运行阻力大、容易漏油等问题。波纹管式内油囊通过位移传感器测量波纹管油囊底部位移得到油量变化，此方法在内油囊油量较少时测量误差较大。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种浮力调节装置用内油箱及油量变化测量方法，利用压力和温度传感器，实时测量内油箱内气体的压力和温度变化，根据理想气体状态方程，计算内油箱气体体积变化，从而得到内油箱里油囊精确的体积变化量。
本发明的技术解决方案是：一种浮力调节装置用内油箱，该油箱包括左螺母、左端盖、油箱壳体、油囊、右端盖、温度传感器、右螺母和压力传感器；其中，油囊安装于油箱壳体内，油囊左右两端分别安装左端盖和右端盖，并通过O型密封圈密封，左端盖和右端盖分别安装在油箱壳体的左右两边，并通过O型密封圈密封，左螺母和右螺母安装于油囊两端，用于固定油囊。
所述油囊和油箱壳体之间的空间为密封空间，充有压强为0.1Mpa～0.15Mpa的气体。
油囊为柔性材质，体积可随内部油量变化而变化。
油箱壳体为金属材质，结构强度可抵抗内部压力变化，内油箱内部压力在0.05Mpa～0.15Mpa之间变化时体积变化量不大于0.5％。
油囊输油口可为M个，M为正整数，大于等于1。
所述压力传感器量程为0～0.3Mpa，精度为0.1％FS。
温度传感器精度为±0.2℃。
上述内油箱的一种油量变化测量方法，任意时刻油囊内油量变化通过如下方法计算得到：
S5、由压力传感器和温度传感器测得当前时刻油箱壳体内气体的压力p2和温度T2；
S6、计算当前时刻相对于初始状态注油前的油箱壳体内油囊外的气体体积变化ΔV，计算公式为：
ΔV＝V2-V0＝(p0T2/p2T0-1)/V0
其中，T0、p0、V0分别为初始状态下油箱壳体内气体的压力、温度和体积。
所述初始状态下油箱壳体内气体的体积采用如下方法得到：
S1.1、由压力传感器和温度传感器测得初始状态下油箱壳体内气体的压力p0和温度T0；
S1.2、向油囊内注入体积为X的油，得知注油前后油囊内的空气体积变化量为-X；
S1.3、由压力传感器和温度传感器测得注油后油箱壳体内空气的压力p1和温度T1；
S1.4、根据下列公式，计算得到初始状态油箱壳体内油囊外的气体体积V0：
V0＝(p0T1/p1T0-1)/(-X)。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明通过使用压力传感器和温度传感器测量内油箱的压力和温度，可以精确的得到内油囊的体积变化量，即油量变化。
(2)、本发明通过使用压力传感器和温度传感器获得内油囊的体积变化量，没有机械运动部件，结构简单，可靠性高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的浮力调节装置用的可测量油量变化的内油箱示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括左螺母1、左端盖2、油箱壳体3、油囊4、右端盖5、温度传感器6、右螺母7和压力传感器8。其中，油囊4安装于油箱壳体3内，油囊4左右两端分别安装左端盖2和右端盖5，并通过O型密封圈密封，左端盖2和右端盖5分别安装在油箱壳体3的左右两边，并通过O型密封圈密封。左螺母1和右螺母7安装于油囊2两端，用于固定油囊2。温度传感器6和压力传感器8安装在一侧的端板上，本实施例为右端板。温度传感器6和压力传感器8可将采集到的数据发送至控制系统进行计算。
油囊4为柔性材质，可以随内部充油量的变化而体积发生变化，本实施例使用的为橡胶材质。油箱壳体3为金属材质，结构强度可抵抗内部压力变化，内油箱内部压力在0.05Mpa～0.15Mpa之间变化时体积变化量不大于0.5％。本实施例中使用的为铝合金材质。油囊4可以有M个输油口，M为正整数，大于等于1。本实施例中为了便于展示，使用了2个输油口。
内油箱组装好后，油囊4和油箱壳体3之间的空间为密封空间，充有压力为0.1Mpa～0.15Mpa的气体，内油囊为充满状态。当油囊4内的油量发生变化时，油箱内的气体压力也随之变化，利用温度传感器6和压力传感器8采集到温度和压力数据，即可计算出油囊4的体积变化量。
根据理想气体状态方程：
pV＝nRT (s1)
p为气体压强，V为气体体积，n为气体物质的量，R为比例常数，T为气体的热力学温度，对于内油箱里的气体，排油前有等式p前V前＝nRT前，排油后有等式p后V后＝nRT后，则可以推导出下列等式：
V后＝p前V前T后/P后T前 (s2)
V后-V前＝(p前T后/p后T前-1)V后 (s3)
V前＝(p前T后/p后T前-1)/(V后-V前) (s4)
p前、p后、T前、T后为通过压力传感器8和温度传感器6采集得到的已知量，故根据公式(s3)只须得到排油前的气体体积V前，即可得到排油前后的气体体积变化量V后-V前。
基于上述原理分析，任意时刻油囊内油量变化通过如下方法计算得到：
S5、由压力传感器8和温度传感器6测得当前时刻油箱壳体3内气体的压力p2和温度T2；
S6、计算当前时刻相对于初始状态注油前的油箱壳体3内油囊4外的气体体积变化ΔV，计算公式为：
ΔV＝V2-V0＝(p0T2/p2T0-1)/V0
其中，T0、p0、V0分别为初始状态下油箱壳体3内气体的压力、温度和体积。
S7、当前时刻相对于初始状态注油前油囊2内油量变化即为-ΔV。
所述初始状态下油箱壳体3内气体的体积采用如下方法得到：
S1.1、由压力传感器8和温度传感器6测得初始状态下油箱壳体3内气体的压力p0和温度T0；
S1.2、向油囊4内注入体积为X的油，得知注油前后油囊4内的空气体积变化量为-X；
S1.3、由压力传感器8和温度传感器6测得注油后油箱壳体3内空气的压力p1和温度T1；
S1.4、根据下列公式，计算得到初始状态油箱壳体3内油囊4外的气体体积V0：
V0＝(p0T1/p1T0-1)/(-X)。
实践中，可以多次重复上述步骤，采集多组压力温度数值取平均值，提高计算结果精度。
本发明已将较佳实施例公开如上，凡是未脱离本发明技术方案的原理，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种浮力调节装置用内油箱，其特征在于包括左螺母(1)、左端盖(2)、油箱壳体(3)、油囊(4)、右端盖(5)、温度传感器(6)、右螺母(7)和压力传感器(8)；其中，油囊(4)安装于油箱壳体(3)内，油囊(4)左右两端分别安装左端盖(2)和右端盖(5)，并通过O型密封圈密封，左端盖(2)和右端盖(5)分别安装在油箱壳体(3)的左右两边，并通过O型密封圈密封，左螺母(1)和右螺母(7)安装于油囊(2)两端，用于固定油囊(2)。
2.根据权利要求1所述的一种浮力调节装置用内油箱，其特征在于：所述油囊(2)和油箱壳体(3)之间的空间为密封空间，充有压强为0.1Mpa～0.15Mpa的气体。
3.根据权利要求1所述的一种浮力调节装置用内油箱，其特征在于：油囊(2)为柔性材质，体积可随内部油量变化而变化。
4.根据权利要求1所述的一种浮力调节装置用内油箱，其特征在于：油箱壳体(3)为金属材质，结构强度可抵抗内部压力变化，内油箱内部压力在0.05Mpa～0.15Mpa之间变化时体积变化量不大于0.5％。
5.根据权利要求1所述的一种浮力调节装置用内油箱，其特征在于：油囊输油口可为M个，M为正整数，大于等于1。
6.根据权利要求1所述的一种浮力调节装置用内油箱，其特征在于：所述压力传感器(8)量程为0～0.3Mpa，精度为0.1％FS。
7.根据权利要求1所述的一种浮力调节装置用内油箱，其特征在于：温度传感器(6)精度为±0.2℃。
8.权利要求1所述内油箱的一种油量变化测量方法，其特征在于任意时刻油囊内油量变化通过如下方法计算得到：
S5、由压力传感器(8)和温度传感器(6)测得当前时刻油箱壳体(3)内气体的压力p2和温度T2；
S6、计算当前时刻相对于初始状态注油前的油箱壳体(3)内油囊(4)外的气体体积变化ΔV，计算公式为：
ΔV＝V2-V0＝(p0T2/p2T0-1)/V0
其中，T0、p0、V0分别为初始状态下油箱壳体(3)内气体的压力、温度和体积。
9.权利要求8所述的一种油量变化测量方法，其特征在于所述初始状态下油箱壳体(3)内气体的体积采用如下方法得到：
S1.1、由压力传感器(8)和温度传感器(6)测得初始状态下油箱壳体(3)内气体的压力p0和温度T0；
S1.2、向油囊(4)内注入体积为X的油，得知注油前后油囊(4)内的空气体积变化量为-X；
S1.3、由压力传感器(8)和温度传感器(6)测得注油后油箱壳体(3)内空气的压力p1和温度T1；
S1.4、根据下列公式，计算得到初始状态油箱壳体(3)内油囊(4)外的气体体积V0：
V0＝(p0T1/p1T0-1)/(-X)。
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