JP3668860B2

JP3668860B2 - 音響式体積計

Info

Publication number: JP3668860B2
Application number: JP21044896A
Authority: JP
Inventors: 泰石井
Original assignee: 泰石井
Priority date: 1996-07-23
Filing date: 1996-07-23
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: US5824892A; JPH1038658A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複雑な形状の物体の体積と標準物体の体積との差を、物体を入れる容器内の気体の交番的圧力変化を利用して、物体が乾燥状態のままで、精度よく測定する音響式体積計にかかわる。
【０００２】
【従来の技術】
質量測定に用いられる精密な分銅は、たとえばステンレス鋼製の１ｋｇ分銅の質量の公差が０．５ｍｇである。一方、この分銅の体積は約１２５ｃｃで、これに働く空気浮力は約１５０ｍｇ重となる。したがって、このような分銅を出荷する際には、較正表に、標準分銅と比較して較正した分銅の質量値と共に、その分銅の体積を０．１パーセント程度の精度で測定して分銅密度を算出しその値を併記することが必要である。
【０００３】
この種の体積測定は、従来は分銅を水中に沈めてその浮力を測るという、いわゆるアルキメデス法によって行なわれてきた。しかしこの方法は、純水の製造から始まって、水中に沈めた物体の表面に付着した気泡の除去、水の温度の管理、体積測定後の物体の清掃など、煩雑な手間を要する。分銅に限らず、同種同形の多数の物体の体積を測定したいという要求は工業的にしばしば生ずるが、被測定物体の数が多い場合には、このアルキメデス法は実用的ではない。特に、被測定物体を濡らすことができない場合には、この方法を使うことはできない。
【０００４】
これに対し、容器に入れた複雑な形状の物体の体積を乾燥状態のままで測定する方法の一つとして、スピーカなどの音源によって容器内部の空間に交番的な体積変化を与えて内部の気体を断熱的に圧縮膨張せしめ、そのときに生ずる容器内の圧力変化の大きさから容器とその中に入れた物体との間のすきまの容積、すなわち余積、を求め、容器の容積から余積を引き去ることにより物体の体積をその形状にかかわりなく求めるという方法がある。
【０００５】
この種の測定器として、出願人らは特公平 2-33084号（以下これを前願発明と称する）において、基準槽と測定槽の双方に交番的体積変化を差動的に与え、そのときに生ずるこれらの槽内の気体の圧力変化の大きさの比、すなわち音圧の大きさの比から、交番的体積変化の大きさには無関係に、かつ、槽内の気体の静圧力にも影響されないで、測定槽の中に入れた物体の体積を測定する音響式体積計を示した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前願発明の体積計では、測定槽の中に入れた物体の体積と音圧の大きさの比との関係を表わす測定式は、物体の体積が０の状態、すなわち測定槽を空にしたときの音圧の大きさの比によって体積の測定原点を設定する零点調整と、そのあとで測定槽の中に体積既知の標準物体を入れ、そのときの音圧の大きさの比によって測定式の勾配を設定するキャリブレーションとによって定められる。したがって、基準槽と測定槽のそれぞれの内部の音圧を検出する二つのマイクロホンの感度の経時的変化などの影響を排除して体積測定の精度を確保するためには、測定の合間に上記二つの操作をしばしば行なわなくてはならない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述の分銅体積の測定では、被測定分銅は、これと同種の標準分銅と比較したときの体積の差が測定できれば、あらかじめアルキメデス法等によって求められている標準分銅の体積と上記の体積差から被測定分銅の体積を知ることができる。ほかの工業製品においても同様で、多数の同種物体のうちの一つを比較の標準とし、これと他の物体との体積差さえ求められればよいという場合が多い。
【０００８】
以上の考察に鑑み、本発明の体積計においては、測定槽に標準物体を入れたときの状態を体積の測定原点とした測定式を用いる。そして、測定槽の中に標準物体を入れたときの基準槽と測定槽内部の音圧の大きさの比と、この標準物体を被測定物体で置き換えたときの音圧の大きさの比とから、被測定物体と標準物体との体積差を求めるようになっている。
【０００９】
【発明の効果】
分銅の体積測定のように被測定物体と標準物体とが同種の物体である場合には、これらの間の体積差は被測定物体の体積のたかだか数パーセント程度である。本発明の体積計でこの体積差を測定する場合には、その測定式の勾配の誤差は、体積差の測定値には影響するが、体積差はもともと小さいから、標準物体の体積と体積差とから求められる被測定物体の体積測定値にはあまり影響しない。したがって、キャリブレーションは測定前に１回だけ行なえばよく、あとは測定の合間に零点調整を行なうだけでよい。
【００１０】
以下、分銅体積測定の実施例によって本発明の詳細を説明する。
【００１１】
【第一実施例】
図１において、１は内部空間の容積がＶ₁ の基準槽で、その下に測定槽２が結合されている。３は体積がＶ₃ の分銅で、ベース板８の中央部に置かれた台座１０の上に載せられており、基準槽と一体になった測定槽２をこの分銅３にかぶせる。このとき、測定槽２と分銅３の間のすきまの容積、すなわち余積Ｖ₂ は
【数１】

【００１２】
である。ただしＶ₀ は台座１０を残し分銅３だけを除いた状態での測定槽２の内部空容積である。
【００１３】
９、９’はベース板８に固定されたガイド棒で、測定槽下部のガイド孔１７、１７’を貫通するが、これらは測定槽を分銅にかぶせる際に、測定槽内面が分銅に接触しないようにするためのものである。なお、台座１０は分銅３の位置をベース板８のほぼ中央に決めるとともに、分銅底部の窪み１６に測定槽内部の圧力変化が十分に入っていくように分銅底部を浮かせる働きを有する。
【００１４】
基準槽１と測定槽２の内部は１の下部に固定された隔壁４によって仕切られている。この隔壁４にはスピーカ６と基準槽と測定槽の内部の空間を連通する連通管５がつけられており、基準槽１と測定槽２の内部の気体の静圧はこの連通管５を通して平衡している。また連通管５は、その付随的機能として、基準槽１と測定槽２の内部の気体の成分、たとえば空気湿度、を均一化する働きを有する。
【００１５】
基準槽１の側壁には、圧力変化を検出する手段としてマイクロホン１１および１２がつけられている。基準槽１内部の圧力変化は１１によって検出されてマイクロホン信号ｅ₁ となる。一方、測定槽２内部の圧力変化は、可撓性チューブ１４を通してマイクロホン１２に導かれて検出され、マイクロホン信号ｅ₂ となる。信号ｅ₁ とｅ₂ は信号処理装置１５に入力され、ここで体積測定のための信号の処理と演算が行なわれる。また、信号処理装置１５は交番的なスピーカ駆動信号ｓを発生し、この信号は端子１３を通してスピーカ６に供給され、スピーカの振動板７を振動させる。その結果、７の表裏の面によって基準槽１と測定槽２の内部空間には交番的体積変化が差動的に与えられる。
【００１６】
いま、スピーカ駆動信号ｓによってスピーカ６が駆動され、振動板７が押し出されて測定槽２の余積Ｖ₂ がΔＶ_S なる微小体積だけ圧縮されるものとすると、基準槽１の容積Ｖ₁ はΔＶ_S だけ膨張する。また連通管５を通して測定槽２の中にΔＶ_P なる微小体積の気体が流入するものとすると、基準槽１からはΔＶ_P なる体積の気体が連通管５を通して流出する。このとき基準槽１および測定槽２の内部に生ずる圧力変化をそれぞれ−ΔＰ₁ 、ΔＰ₂ とし、また
【数２】

【００１７】
とおくと、気体の断熱圧縮の関係式より
【数３】

【数４】

【００１８】
となる。ここでＰ₀ は基準槽１および測定槽２内部の気体の平均的な静圧力であり、γは槽内の気体の比熱比で、空気では約１．４である。上記二つの式より
【数５】

【００１９】
あるいは
【数６】

【００２０】
なる関係がえられる。上式でＶ₁ は基準槽の容積で一定値であるから、余積Ｖ₂ と二つの圧力変化の大きさの比（ΔＰ₁ ／ΔＰ₂ ）は互いに比例する。また、式（１）と式（６）より分銅３の体積Ｖ₃ は
【数７】

【００２１】
と表わされる。上式においてＶ₀ は測定槽の空容積で、これも一定値である。
【００２２】
図２は信号処理装置１５の内部構成の一例を示すものである。マイクロホン１１、１２の出力信号ｅ₁ およびｅ₂ は増幅器２１および２２において増幅されたのち、それぞれアナログディジタル変換器２３および２４によってディジタル量に変換されディジタル計算機２５にとり込まれる。２６は信号発生器で、スピーカ駆動信号ｓを発生してスピーカ６に供給するとともに、同期パルスを発生し導線２７を通してアナログディジタル変換器２３、２４とディジタル計算機２５に供給する。上記のアナログディジタル変換と計算機へのデータのとり込みはこの同期パルスに同期して行なわれる。
【００２３】
スピーカ６を駆動する交番的信号ｓが正弦波の場合には、マイクロホン１１、１２の出力信号ｅ₁ 、ｅ₂ もまた正弦波信号となるが、ディジタル計算機２５においては、これらの信号のサンプル値を一定数だけとり込み、そのとり込まれたデータをフーリエ変換してｅ₁ およびｅ₂ の振幅Ｅ₁ およびＥ₂ を精密に測定し、これをもって圧力変化ΔＰ₁ 、ΔＰ₂ の大きさを表わす。そして、振幅比
【数８】

【００２４】
をもって二つの圧力変化の大きさの比を表わす。ただし、Ｋはマイクロホン１１と１２の感度比を表わす定数である。このＲを用いると、式（７）の関係は次式のようになる
【数９】

【００２５】
スピーカ駆動信号ｓは正弦波に限らず、矩形波や矩形波なども使用できる。この場合にはマイクロホン信号ｅ₁ およびｅ₂ も三角波や矩形波となるが、前記のフーリエ変換は信号ｅ₁ 、ｅ₂ を狭帯域のディジタルフィルタに通すことに等価であり、三角波や矩形波の場合には、それらの波形に含まれる高調波成分は除去され、Ｅ₁ 、Ｅ₂ は基本波成分の振幅となる。なお、ｅ₁ 、ｅ₂ の振幅ではなく、それらの信号を整流してえられる信号波形の絶対値の平均なども、これらの信号の大きさを表わす量として使用できる。
【００２６】
いま、図１において、分銅３を体積Ｖ_X の被測定分銅にしたときの振幅比ＲをＲ_X とすると、式（９）は
【数１０】

【００２７】
となる。同様に分銅３を体積Ｖ_S の標準分銅にしたときの振幅比ＲをＲ_S とすると、式（９）は
【数１１】

【００２８】
となる。したがって被測定分銅と標準分銅との体積差は
【数１２】

【００２９】
と表わされる。上式は体積差Ｖ_X −Ｖ_S と振幅比Ｒ_X との関係を表わす測定式であり、ディジタル計算機２５において、この式によってＲ_X からＶ_X −Ｖ_S が算出される。
【００３０】
図３は式（１２）のグラフである。このグラフの勾配を表わす係数Ｖ₁ ／Ｋは体積測定に先立って行なわれるキャリブレーションによって定められる。すなわち、まず測定槽２の中に標準分銅を入れ、そのときの振幅比Ｒ_S を測定し、その値を測定原点としてディジタル計算機に記憶する。つぎに体積既知の較正用の小物体を測定槽の中の標準分銅の上に置いて体積増分を与え、前と同様に振幅比を測定する。これら二回の操作によってグラフの２点が定まり、式（１２）が決定される。
【００３１】
標準分銅の体積Ｖ_S は、通常は前もってわかっているが、その場合には較正用物体は必要なく、標準分銅だけで上記のキャリブレーションを行なうことができる。すなわち、まず標準分銅を測定槽２の中に入れて振幅比Ｒ_S の値を測定して記憶し、つぎに標準分銅を除いて測定槽の中の物体の体積をＶ_S だけ減じ、そのときの振幅比Ｒ₀ の値を測定する。そうすると、図３から明らかなように、式（１２）の勾配Ｖ₁ ／Ｋは次式によって定められる。
【数１３】

【００３２】
以上の手続きののち、測定槽２の中に被測定分銅を入れて振幅比Ｒ_X を測定し、その値を式（１２）に入れて体積差Ｖ_X −Ｖ_S を求める。さらに標準分銅の体積Ｖ_S の値をディジタル計算機２５に記憶させておけば、上記の体積差から被測定分銅の体積Ｖ_X の値を算出できる。さらに、体積比Ｖ_X ／Ｖ_S なども算出できる。
【００３３】
前述したように、測定する体積差Ｖ_X −Ｖ_S がＶ_X の数パーセント以内の場合には、図３の測定式のグラフにおいて、測定に使用するのは原点Ｒ_S の近傍の実線で示した小範囲だけである。そして、マイクロホン感度の経時的変化などにより、この測定式の勾配が仮に１パーセント変化して体積差の測定値に１パーセントの誤差を生じても、それは被測定分銅の体積に対しては０．１パーセント以下の誤差にしかならない。したがって、測定式勾配を設定するキャリブレーションは最初に１回だけ行なえばよく、上記のマイクロホン感度の経時的変化などに対しては、測定の合間に標準分銅を測定槽に入れ振幅比を求め、測定原点のＲ_S の値を設定し直す零点調整だけを行なえばよい。
【００３４】
図１に示した本発明体積計では、基準槽１と測定槽２の内部に互いに符号が反対の圧力変化（音圧）−ΔＰ₁ とΔＰ₂ が生ずる。したがって、マイクロホン信号ｅ₁ とｅ₂ は互いに１８０度の位相差になっている。すなわちｔを時間、ｆをスピーカの駆動周波数として
【数１４】

【００３５】
とすると
【数１５】

【００３６】
と表わされる。しかし、測定槽２とベース板８との間にごみなどが介在してギャップがあると、そのギャップを通して出入りする気体の粘性により音エネルギの損失を生じ、その結果、ｅ₁ を基準にしてｅ₂ の位相が少し進み
【数１６】

【００３７】
となる。測定槽２が音響的に閉じていないと、その中に入れた被測定物体の体積測定値に誤差を生ずるが、上記の位相シフトθを測定することによりギャップの大小、すなわち測定槽の音響的密閉度を検知することができる。
【００３８】
前述したように、ディジタル計算機２５においては、マイクロホン信号ｅ₁ およびｅ₂ の波形のフーリエ変換が行なわれるが、フーリエ変換された結果は複素数で、その絶対値が信号ｅ₁ 、ｅ₂ の振幅Ｅ₁ 、Ｅ₂ であり、その偏角は信号ｅ₁ 、ｅ₂ の位相角である。したがって、フーリエ変換によって信号ｅ₁ とｅ₂ の間の位相差を知ることができ、その値を上記の測定槽の音響的密閉度の検知に使用する。
【００３９】
以上において、本発明体積計の構造、原理、作用等を分銅の体積測定に対する実施例によって説明したが、本発明における被測定物体は分銅に限るわけではなく、冒頭にも述べたように、多数の同種物体の体積の比較測定などにおいて、本発明体積計の使用効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施例の分銅体積測定装置である。
【図２】図１における信号処理装置の内部構成の一例である。
【図３】本発明体積計の測定式のグラフである。
【符号の説明】
１容積Ｖ₁ の基準槽
２容積Ｖ₀ の測定槽
３体積Ｖ₃ の分銅
４隔壁
５連通管
６スピーカ
７スピーカの振動板
８ベース板
９、９’ ガイド棒
１０台座
１１、１２圧力変換器のマイクロホン
１３端子
１４可撓性チューブ
１５信号処理装置
１６分銅下部の窪み
１７、１７’ ガイド孔
２１、２２増幅器
２３、２４アナログディジタル変換器
２５ディジタル計算機
２６信号発生器
２７導線

Claims

基準槽と、測定槽と、これら二つの槽に交番的体積変化を差動的に与える手段と、これら二つの槽の内部の静圧を互いに平衡させる手段と、これら二つの槽のそれぞれの内部の圧力変化を検出する手段と、上記検出された二つの圧力変化の大きさの比を測定する手段とを有し、測定槽に標準物体を入れたときの上記二つの圧力変化の大きさの比と、測定槽に被測定物体を入れたときの上記二つの圧力変化の大きさの比とから被測定物体の体積と標準物体の体積との差を求める音響式体積計。
上記検出された二つの圧力変化の位相差を測定し、その値によって測定槽の音響的密閉度を検知するようにした請求項１に記載の音響式体積計。
ガイド孔を有する測定槽を上記ガイド孔に適合するガイド棒を有するベース板の上に置いた標準物体または被測定物体にかぶせるようにした請求項１または請求項２に記載の音響式体積計。