JP4379759B2 - Acoustic volume meter - Google Patents
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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または複雑な形状の容器の体積を音響的方法によって測定する装置で、特に、物体または容器内部の表面積による体積測定値の誤差を補償する手段を備えたことを特徴とする。
【0002】
【従来の技術】
複雑な形状の物体の体積を測定する一つの方法として、スピーカなどの音源によって物体を入れた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、そのときの圧力変化から容器と物体の間の空間の体積、すなわち余積、を求め、容器の体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。
【0003】
この種の測定方法として、出願人は特公平2−33084号、特開平5−223616号および特開平10−38658号において、基準容器と測定容器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容器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、容器内の気体の静圧力にも影響されないで、測定容器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。出願人は、また、特開平8−29232号において、エンジン燃焼室など、複雑な形状の容器の容積を、上記の音響式体積計と同じ原理により測定する装置を示した。以下、これらの発明を前願発明と称する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前願発明では容器内の気体は断熱的に変化するものとしているが、実際には、物体表面および容器内面に接した気体の薄層は、物体および容器の壁と熱の授受を行ない、部分的に等温変化する。その影響は、容器の中の空間の音響的体積をその表面積に比例して少し大きくするように作用する。すなわち、前願発明の体積計では、容器の余積はわずかに大きく測定され、したがって容器の中に入れられた物体の体積はわずかに小さく測定される。あるいは、エンジン燃焼室など容器そのものの体積は、その内部の表面積に比例してわずかに大きく測定される。そして、この誤差が精密な体積測定の障害となる。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の部分的に等温変化する気体の熱境界層では、また、物体および容器の壁と熱の授受が行なわれることによって、表面積に比例した大きさの音響エネルギの損失が生ずる。その結果、容器内部の音圧の位相は表面積に比例してわずかに進む。本発明では、この位相の変化を検出して、測定容器が空の場合の上記二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化の位相差θ 0 と、測定容器に体積既知の標準物体を入れ体積V S とした場合の上記二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化の位相差θ S と、測定容器に測定対象物体を入れ体積V 3 とした場合の上記二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化の位相差θ 3 から、
θ EX =θ 3 -θ 0 -V 3 /V S (θ S -θ 0 )
により求められる超過位相進み角度θ EX を、測定容器に被測定物体を入れたときの余積に乗算した値で前記の体積測定値の表面積誤差を補償する。
【0006】
すなわち、本発明の体積計の一形態は、基準容器と、測定容器と、これら二つの容器の内部に交番的体積変化を差動的に与えるスピーカと、これら二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化を検出するマイクロホンと、これらマイクロホンの出力をとり込んで処理する信号処理装置等からなり、信号処理装置において、上記二つのマイクロホンの出力の振幅の比から測定容器に入れた物体の体積を算出するとともに、これら二つのマイクロホン出力の間の位相差をも測定し、算出された体積測定値をこの測定された位相差により補正するようになっている。
【0007】
【発明の効果】
このような補正を行なうことにより、たとえば、板のように体積に対して表面積の大きな物体の体積もより精密に測定できるようになる。また、エンジン燃焼室の体積測定のように、容器自体の体積を測定する場合にも、表面積の大きさの影響を除去して、正確な体積測定ができるようになる。以下、実施例により本発明の動作原理などを説明する。
【0008】
【第1実施例】
図1において、2は空のときの内部体積がV0の測定容器で、その中にVなる体積の物体3が入れられており、2と3の間の空間の体積、すなわち余積、をV2とすると、物体の体積Vはつぎのように表わされる。
【数1】
V=V0−V2
【0009】
4は蓋であって、その上に内部体積V1の基準容器1がつけられている。蓋4の上面の容器1と2の間の隔壁を成す部分には連通管5がつけられていて、容器1と2の内部を連通している。またこの隔壁の部分には音源のスピーカ6もとりつけられている。7はスピーカの振動板である。スピーカ6には端子8および9を通して導線18および19がつながっており、これらの導線を通して信号発生器16より正弦波駆動信号が供給され、振動板7の表裏によって測定容器2と基準容器1に交番的体積変化を差動的に与える。その結果、測定容器2および基準容器1の内部に圧力変化、すなわち音圧、を生ずる。11は基準容器1の内部の音圧を検出するマイクロホンで、その出力は増幅器13で増幅されて音圧信号e1となり信号処理装置15にとりこまれる。12は測定容器2内部の音圧を検出するマイクロホンで、その出力は端子10を通って増幅器14に至りここで増幅されて音圧信号e2となり信号処理装置15にとり込まれる。
【0010】
図2は信号処理装置15の構成の一例を示すものである。音圧信号e1とe2はそれぞれアナログディジタル変換器151および152によってディジタル量に変換され、ディジタル計算機150にとり込まれる。155は周波数逓倍器で、信号発生器16から導線17を通して供給される同期信号を周波数逓倍してサンプリングパルスとし、このサンプリングパルスに同期してアナログディジタル変換が行なわれる。しかし、信号処理装置15の内部にクロックパルス発生器を設け、アナログディジタル変換は、信号発生器16とは独立に、このクロックパルスに同期して行なうようにしてもよい。この場合には、周波数逓倍器155および導線17は不要となる。なお、アナログディジタル変換の開始は、ディジタル計算機150から導線153および154によって送られるスタートパルスによって制御される。ディジタル計算機150は音圧信号e1とe2のフーリエ変換を行なってそれぞれの振幅E1とE2を測定し、これらの比E1/E2から物体3の体積Vを算出するとともに、上記のフーリエ変換によってe1とe2の位相差θも測定し、それを用いて上記の体積測定値の表面積補正の計算を行なう。
【0011】
以上において、連通管5は基準容器1と測定容器2の内部の静圧を平衡させるとともに、両者の中の気体の成分を均一化する働きをするが、作動気体が空気の場合には、湿度などの成分は両者の容器の間でほとんど違いがない。したがって連通管5に替えて、静圧を平衡させるためだけの毛細管を用いることもできる。また、特に容器のシールを厳重に行なわないかぎり、容器1と2の内部の静圧は、組み立てられた装置の部品の間のすき間を通じて外部の大気圧と等しくなっているのが普通であるから、連通管や毛細管は必ずしも必須なものではない。
【0012】
ここで、まず、表面積の影響を無視して体積測定の原理を説明し、つぎに表面積の影響とその補償方法を説明する。
【0013】
いま信号発生器16からの信号によってスピーカ6が駆動され、その結果振動板7が押し出されて測定容器2の余積V2がΔVVなる微小体積だけ圧縮されると、基準容器1の内部体積V1はΔVVだけ膨張する。また連通管5を通して測定容器2の中にΔVPなる微小体積の気体が流入すると、基準容器1からはΔVPなる体積の気体が連通管5を通して流出する。このとき基準容器1および測定容器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】
ΔV=ΔVV+ΔVP
【0014】
とおくと、気体の断熱変化の関係式よりつぎのようになる。
【数3】
ΔP1/P0=γΔV/V1
【数4】
ΔP2/P0=γΔV/V2
【0015】
ここでP0は容器1および2内部の気体の平均的な静圧力であり、γ(ガンマ)は気体の比熱比で、空気の場合約1.4である。上記二つの式より
【数5】
ΔP1/ΔP2=V2/V1
【0016】
あるいは
【数6】
V2=V1ΔP1/ΔP2
【0017】
なる関係がえられる。式(1)と式(6)より物体の体積Vはつぎのように表わされる。
【数7】
V=V0−V1ΔP1/ΔP2
【0018】
上式において、V0とV1は一定値であるから、物体の体積Vは圧力変化の大きさの比ΔP1/ΔP2から求められることになる。
【0019】
ディジタル計算機150においては、上式におけるΔP1/ΔP2に対応する量として、後述するフーリエ変換によって測定された音圧信号の振幅比E1/E2を用い、次式によって物体の体積Vが算出される。
【数8】
V=V0−V1E1/E2
【0020】
以上に説明した体積測定の原理は、スピーカ6から測定容器2の内部をみたときの音響インピーダンスの絶対値を測ることと等価である。余積V2の測定容器内部の音響インピーダンスZ2は、測定容器の大きさが音の波長にくらべて十分小さい場合、近似的につぎのように表わされる。
【数9】
【数10】
ε=(γ−1)S2δ/2V2
【数11】
δ=(2k/ρωcP)1/2
【0021】
ここでjは単位虚数、ωは音の角周波数、kは容器内の気体の熱伝導度、ρは気体の密度、cPは気体の定圧比熱、S2は測定容器内部の全表面積である。δは熱境界層の厚さを意味するが、標準状態の空気の場合、f=ω/2π=25Hzで、約0.5mmである。
【0022】
εは上記の熱境界層の音響インピーダンスへの影響を表わしており、いままでに説明した体積測定の原理は、この影響が小さいものとしてε=0としたときのものである。この場合、Z2の絶対値|Z2|はつぎのようになる。
【数12】
|Z2|=γP0/ωV2
【0023】
熱境界層の影響があると、上記の値は{(1−ε)2+ε2}1/2倍されるが、εは1にくらべて非常に小さいから、近似的につぎのようになる。
【数13】
|Z2|=γP0/{ωV2(1+ε)}
【0024】
すなわち、熱境界層の体積測定への影響は、余積V2がεV2だけ大きくなることである。そして、その増加分εV2は、式(10)から明らかなように、表面積S2に比例する。
【0025】
熱境界層の影響は、一方で、音響インピーダンスZ2にεγP0/ωV2なる実数部を生ぜしめる。その結果、測定容器内部の音圧は、熱境界層の影響がない場合にくらべて少し進むが、その角度は式(9)の音響インピーダンスの偏角の増加分に等しい。すなわち位相進み角度をα radとすると
【数14】
α=tan−1{ε/(1−ε)}
【0026】
であるが、前述したようにεは1にくらべて非常に小さいから、近似的に
【数15】
α=ε
【0027】
となる。すなわち、前記の熱境界層によって生ずる余積V2の増加分εV2は位相進み角度αに比例する。これが本発明の補償方法の基本原理である。しかし、上記のεV2がそのまま体積測定値の誤差になるわけではない。
【0028】
物体の体積Vを算出するための式(8)は音圧信号の振幅比E1/E2の1次式であるが、体積測定に先立つキャリブレーションにおいて、測定容器2を空にした状態、すなわちV=0の状態と、測定容器2の中に既知の体積VSの標準物体を入れた状態、すなわちV=VSとの状態における振幅比E1/E2を測定することにより、式(8)の中の定数V0とV1が決定される。しかしながら、測定容器2を空にして振幅比を測定するときには、すでに容器内部の表面積の影響を受けており、その影響を含めてそのときの状態をV=0であるとしている。また、測定容器2の中に標準物体を入れて振幅比を測定するときには、容器2内部の表面積と、標準物体の表面積との影響を受けており、これらの影響を含めてそのときの状態をV=VSであるとしている。ここで、たとえば、標準物体に比べて表面積の大きい被測定物体を容器2の中に入れてその体積を測定すると、被測定物体と標準物体との表面積の差に応じて被測定物体の体積は少し小さく測定される。これが物体の表面積誤差である。したがって、この表面積誤差を補償するには、前記の位相進み角度αをそのまま用いるのではなく、容器に被測定物体を入れた時と標準物体を入れたときとのαの差、超過位相進み角度、を用いる。
【0029】
ディジタル計算機150では、時間をtで表わすこととして、音圧信号e1(t)とe2(t)の波形をt=t0からt=t0+Tまでの間とり込んで、それらの波形とsinωt、cosωtとの積の積分を行なってフーリエ変換をするが、とり込んだ波形について、e1(t)sinωtの積分値をE1S、e1(t)cosωtの積分値をE1C、e2(t)sinωtの積分値をE2S、e2(t)cosωtの積分値をE2Cとすると、これらの値から信号e1(t)の振幅E1、信号e2(t)の振幅E2はつぎのようにして求められる。振幅E1とE2は前述したように、式(8)による体積の算出に使用される。
【数16】
E1=2(E1S 2+E1C 2)1/2/T
【数17】
E2=2(E2S 2+E2C 2)1/2/T
【0030】
一方、位相差については、信号e1(t)を基準にしたときのe2(t)の位相をθとすると、それは次式によって求められる。
【数18】
【0031】
信号e1(t)とe2(t)は、もともと、スピーカの振動板7の表裏によって差動的に与えられた体積変化によって生じた圧力変化であるから、おおよそ180度の位相差がある。また、その中にはマイクロホン11と12、および増幅器13と14の位相特性の差も含まれている。
【0032】
物体の体積を測定するときには、それに先立ってキャリブレーションが行なわれるが、測定容器2を空にしてV=0としたときのθをθ0、測定容器2の中に体積VSの標準物体を入れてV=VSとしたときのθをθSとし、また、測定容器2の中に被測定物体を入れてその体積V3測定したときのθをθ3とすると、前記の超過位相進み角度θEXはつぎのように表わされる。
【数19】
【0033】
そして、測定された被測定物体の体積に加えられる補正量ΔV3はつぎのようになる。
【数20】
ΔV3=CθEXV2
【0034】
すなわち、式(8)によって測定された被測定物体の体積をV3’とすると、V3’+ΔV3をもって被測定物体の体積とする。ここでCは補正定数で、その理論値は1であるが、実際には、体積計のキャリブレーションに使った体積VSの第1の標準物体とは別に、それとは表面積がかなり異なり、かつ、VSSなる既知の体積を有する第2の標準物体を用意しておいてその体積を測定し、測定値に表面積誤差の補正を加えた値が正しくVSSとなるようにCの値を調整する。このようにしてCを最適な値に設定すると、種々の表面積/体積の比を有する被測定物体の体積を正確に測れるようになる。なお、上式の中の余積V2の値は、体積測定式(8)の中の係数V0とV3’からV2=V0−V3’として求められる。
【0035】
【第2実施例】
図3は本発明の体積計をガソリンエンジンの燃焼室体積の測定に応用した例である。40はエンジンのクランク室、41はシリンダ、42はピストンで、その上部のシリンダ内部空間43がこの場合の被測定容器であり、空間の体積VXが被測定量である。44、45はエンジンヘッドカバーで、その内部に弁機構等が収められている。46は点火栓孔で通常は点火栓がとりつけられているが、体積測定の場合には、点火栓をはずして、その孔に体積計の連結管20の先端を結合する。クランク軸を回してピストンが上死点に達したときのVXが燃焼室体積である。なお、ディーゼルエンジンについては、燃料噴射弁をはずしその孔に連結管20の先端を結合することにより燃焼室体積の測定をする。
【0036】
体積計の他の部分は図1の装置とほぼ同じである。図3において、21は内部体積V1の基準容器、22は補助容器で、その内部体積は、連結管20の内部体積も含めて、VAである。21と22は隔壁24を介して接しているが、24にはこれらの容器に交番的体積変化を与える手段としてスピーカ26がつけられており、信号発生器16から導線29および端子28を通して正弦波駆動信号が与えられるとスピーカの振動板27が振動し、容器21と22に差動的に交番的体積変化が与えられる。隔壁24には21と22の内部の静圧を平衡させるための毛細管25が貫通している。また補助容器22には、外部との間に毛細管23が設けられているが、これはエンジンのクランクを手動で回したときに圧縮される空気を逃がす働きをする。基準容器21には内部の圧力変化を検出する手段としてマイクロホン31がつけられており、21の内部の音圧は31で検出されて音圧信号e1に変換され信号処理装置15へ入力される。同様に、補助容器22の内部の音圧はマイクロホン32で検出されて音圧信号e2に変換され信号処理装置15へのもう一つの入力となる。なお、31、32のケース内部にはマイクロホン前置増幅器が含まれている。また、信号処理装置15としては、第1実施例と同じく、図2に示したものを使用する。
【0037】
燃焼室の体積VXは、つぎに示すように、音圧信号e1とe2の振幅の比E1/E2の1次式として表わされる。
【数21】
VX=V1E1/E2−VA
【0038】
上式における定数VAとV1は、連結管20の先端に内部の体積がVS1の第1の標準容器をつけた状態、すなわちVX=VS1の状態と、連結管20の先端に内部の体積がVS2の第2の標準容器をつけた状態、すなわちVX=VS2の状態における振幅比E1/E2を測定することにより決定される。
【0039】
信号e1とe2との間の位相差θについては、連結管20の先端に上記の第1標準容器をつけたときの位相差をθ1、連結管20の先端に上記の第2標準容器をつけたときの位相差をθ2とし、また、連結管20の先端を測定対象のエンジンにつないでその燃焼室の体積VXを測定したときの位相差をθXとすると、この場合の超過位相進み角度θEXはつぎのように表わされる。
【数22】
【0040】
そして、式(21)によって測定された燃焼室の体積をVX’とすると、それから引き去られるべき補正量ΔVXはつぎのようになる。
【数23】
ΔVX=CθEX(VA+VX)
【0041】
すなわち、VX’−ΔVXをもって燃焼室の体積とする。ここでCは補正定数で、その理論値は1であるが、実際には、体積計のキャリブレーションに使った第1標準容器の中に体積が正確にわかっている物体、たとえばベアリングボールなど、を入れて第1標準容器の内部の体積と表面積を変え、その体積が正しく測定されるようにCの値を調整する。このようにしてCを最適な値に設定すると、標準容器と実際の燃焼室との表面積の差による誤差を補償して燃焼室の体積を正確に測れるようになる。なお、上式の中の余積VAは、体積測定式(21)の中の係数であって、補助容器22の内部空間の体積である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の体積計である。
【図2】本発明で使用される信号処理装置の一実施例である。
【図3】本発明の第2実施例のエンジン燃焼室体積計である。
【符号の説明】
1 内部体積V1の基準容器
2 空のときの内部体積がV0の測定容器
3 体積Vの物体
7 スピーカの振動板
8、9、10 端子
13、14 増幅器
17、18、19 導線
20 連結管
21 内部体積V1の基準容器
22 内部体積VAの補助容器
23、25 毛細管
24 隔壁
27 スピーカの振動板
28 端子
29 導線
40 エンジンのクランク室
41 シリンダ
42 ピストン
44、45 エンジンのヘッドカバー
46 点火栓孔[0001]
[Industrial application fields]
The present invention is an apparatus for measuring a volume of a complex-shaped object or a volume of a complex-shaped container by an acoustic method, and particularly includes means for compensating for an error in volume measurement due to a surface area inside the object or the container. It is characterized by that.
[0002]
[Prior art]
As one method of measuring the volume of an object with a complicated shape, an alternating volume change is given to the space inside the container containing the object by a sound source such as a speaker, and the gas inside is adiabatically compressed and expanded. There is a method in which the volume of the space between the container and the object, i.e., the residual product, is obtained from the pressure change, and the volume of the object is obtained regardless of the shape by subtracting the residual product from the volume of the container.
[0003]
As a measuring method of this kind, the applicant differentially gives an alternating volume change to both the reference container and the measuring container in JP-B-2-33084, JP-A-5-223616 and JP-A-10-38658. From the ratio of the magnitude of the pressure change of the gas in these containers generated at that time, that is, the ratio of the magnitude of the sound pressure, the static of the gas in the container is independent of the magnitude of the alternating volume change. An acoustic volume meter that measures the volume of an object placed in a measurement container without being affected by pressure is shown. The applicant also disclosed an apparatus for measuring the volume of a container having a complicated shape, such as an engine combustion chamber, in accordance with the same principle as that of the acoustic volume meter in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-29232. Hereinafter, these inventions are referred to as prior inventions.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the invention of the previous application, the gas in the container changes adiabatically, but in reality, the thin layer of gas in contact with the object surface and the container inner surface exchanges heat with the object and the wall of the container. Changes isothermally. The effect acts to slightly increase the acoustic volume of the space in the container in proportion to its surface area. That is, in the volume meter of the prior invention, the residual volume of the container is measured slightly larger, and therefore the volume of the object placed in the container is measured slightly smaller. Alternatively, the volume of the container itself, such as an engine combustion chamber, is measured slightly larger in proportion to the internal surface area. This error becomes an obstacle to precise volume measurement.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In the above-described partially isothermally changing gas thermal boundary layer, heat is transferred to and from the wall of the object and the container, thereby causing a loss of acoustic energy in proportion to the surface area. As a result, the phase of the sound pressure inside the container advances slightly in proportion to the surface area. In the present invention, this phase change is detected, the phase difference θ 0 of the pressure change inside each of the above two containers when the measurement container is empty, and a standard object whose volume is known is placed in the measurement container. each phase difference theta S of the pressure change in the two containers in the case of the S, in the case of the volume V 3 put measured object in the measuring container of each internal pressure change in the two containers from the phase difference θ 3,
θ EX = θ 3 -θ 0 -V 3 / V S (θ S -θ 0 )
The surface area error of the volume measurement value is compensated for by the value obtained by multiplying the excess phase advance angle θ EX obtained by the product obtained when the object to be measured is placed in the measurement container .
[0006]
That is, one form of the volume meter of the present invention includes a reference container, a measurement container, a speaker that differentially changes an alternating volume inside the two containers, and a pressure inside each of the two containers. It consists of a microphone that detects changes and a signal processing device that captures and processes the output of these microphones. In the signal processing device, the volume of the object placed in the measurement container is calculated from the ratio of the amplitudes of the two microphone outputs. In addition, the phase difference between these two microphone outputs is also measured, and the calculated volume measurement value is corrected by the measured phase difference.
[0007]
【The invention's effect】
By performing such correction, for example, the volume of an object having a large surface area relative to the volume such as a plate can be measured more precisely. Also, when measuring the volume of the container itself, such as measuring the volume of the engine combustion chamber, it is possible to remove the influence of the size of the surface area and perform accurate volume measurement. The operation principle of the present invention will be described below with reference to examples.
[0008]
[First embodiment]
In FIG. 1,
[Expression 1]
V = V 0 −V 2
[0009]
4 is a lid, reference container 1 of the internal volume V 1 is being attached thereon. A communication pipe 5 is attached to a portion forming a partition wall between the
[0010]
FIG. 2 shows an example of the configuration of the
[0011]
In the above, the communication pipe 5 functions to balance the static pressure inside the reference container 1 and the
[0012]
Here, first, the principle of volume measurement will be explained ignoring the influence of the surface area, and then the influence of the surface area and its compensation method will be explained.
[0013]
Driven speaker 6 by a signal from now the
ΔV = ΔV V + ΔV P
[0014]
Then, from the relational expression of the adiabatic change of gas, it becomes as follows.
[Equation 3]
ΔP 1 / P 0 = γΔV / V 1
[Expression 4]
ΔP 2 / P 0 = γΔV / V 2
[0015]
Here, P 0 is an average static pressure of the gas inside the
ΔP 1 / ΔP 2 = V 2 / V 1
[0016]
Or [Equation 6]
V 2 = V 1 ΔP 1 / ΔP 2
[0017]
The relationship becomes. From the equations (1) and (6), the volume V of the object is expressed as follows.
[Expression 7]
V = V 0 −V 1 ΔP 1 / ΔP 2
[0018]
In the above equation, V 0 and V 1 are constant values, so the volume V of the object is obtained from the ratio ΔP 1 / ΔP 2 of the magnitude of pressure change.
[0019]
In the
[Equation 8]
V = V 0 −V 1 E 1 / E 2
[0020]
The principle of volume measurement described above is equivalent to measuring the absolute value of the acoustic impedance when the inside of the
[Equation 9]
[Expression 10]
ε = (γ−1) S 2 δ / 2V 2
[Expression 11]
δ = (2k / ρωc P ) 1/2
[0021]
Where j is the unit imaginary number, ω is the angular frequency of the sound, k is the thermal conductivity of the gas in the container, ρ is the density of the gas, c P is the constant pressure specific heat of the gas, and S 2 is the total surface area inside the measurement container. . δ means the thickness of the thermal boundary layer, and in the case of air in the standard state, f = ω / 2π = 25 Hz and about 0.5 mm.
[0022]
ε represents the influence on the acoustic impedance of the thermal boundary layer described above, and the principle of volume measurement described so far is that when ε = 0 with this influence being small. In this case, the absolute value of Z 2 | is as Hatsugi | Z 2.
[Expression 12]
| Z 2 | = γP 0 / ωV 2
[0023]
If there is an influence of the thermal boundary layer, the above value is multiplied by {(1−ε) 2 + ε 2 } ½, but since ε is very small compared to 1, it is approximately as follows: .
[Formula 13]
| Z 2 | = γP 0 / {ωV 2 (1 + ε)}
[0024]
That is, the influence on the volume measurement of the thermal boundary layer is that the residual product V 2 is increased by εV 2 . The increase εV 2 is proportional to the surface area S 2 , as is apparent from the equation (10).
[0025]
Effect of thermal boundary layer, on the other hand, give rise to εγP 0 / ωV 2 becomes the real part to the acoustic impedance Z 2. As a result, the sound pressure inside the measurement container advances a little compared with the case where there is no influence of the thermal boundary layer, but the angle is equal to the increase in the declination angle of the acoustic impedance of Equation (9). That is, if the phase advance angle is α rad,
α = tan −1 {ε / (1-ε)}
[0026]
However, as described above, since ε is very small as compared with 1, Approx.
α = ε
[0027]
It becomes. That is, the increase εV 2 of the residual product V 2 generated by the thermal boundary layer is proportional to the phase advance angle α. This is the basic principle of the compensation method of the present invention. However, the above εV 2 does not directly cause an error in the volume measurement value.
[0028]
The equation (8) for calculating the volume V of the object is a linear expression of the amplitude ratio E 1 / E 2 of the sound pressure signal. In the calibration prior to the volume measurement, the
[0029]
In the
[Expression 16]
E 1 = 2 (E 1S 2 + E 1C 2 ) 1/2 / T
[Expression 17]
E 2 = 2 (E 2S 2 + E 2C 2 ) 1/2 / T
[0030]
On the other hand, regarding the phase difference, if the phase of e 2 (t) when the signal e 1 (t) is used as a reference is θ, it can be obtained by the following equation.
[Formula 18]
[0031]
Since the signals e 1 (t) and e 2 (t) are pressure changes caused by volume changes given differentially by the front and back of the diaphragm 7 of the speaker, there is a phase difference of approximately 180 degrees. . In addition, the difference between the phase characteristics of the
[0032]
When measuring the volume of the object, calibration is performed prior to the measurement. However, when the
[Equation 19]
[0033]
The correction amount ΔV 3 added to the measured volume of the measured object is as follows.
[Expression 20]
ΔV 3 = Cθ EX V 2
[0034]
That is, when the volume of the measured object measured by the equation (8) is V 3 ′, V 3 ′ + ΔV 3 is set as the volume of the measured object. Where C is a correction constant and its theoretical value is 1, but in practice, apart from the first standard object of volume V S used for the calibration of the volume meter, the surface area is quite different from that, and Prepare a second standard object with a known volume of V SS , measure its volume, and adjust the value of C so that the value obtained by adding the correction of the surface area error to the measured value becomes V SS correctly To do. When C is set to an optimum value in this way, the volume of an object to be measured having various surface area / volume ratios can be accurately measured. Note that the value of the remainder product V 2 in the above equation is obtained as V 2 = V 0 −V 3 ′ from the coefficients V 0 and V 3 ′ in the volume measurement equation (8).
[0035]
[Second embodiment]
FIG. 3 shows an example in which the volume meter of the present invention is applied to the measurement of the combustion chamber volume of a gasoline engine.
[0036]
The other parts of the volume meter are almost the same as the apparatus of FIG. In FIG. 3, 21 is a reference container having an internal volume V 1 , 22 is an auxiliary container, and the internal volume is VA including the internal volume of the connecting pipe 20. 21 and 22 are in contact with each other via a
[0037]
The volume V X of the combustion chamber is expressed as a linear expression of the amplitude ratio E 1 / E 2 of the sound pressure signals e 1 and e 2 as shown below.
[Expression 21]
V X = V 1 E 1 / E 2 -V A
[0038]
The constants V A and V 1 in the above equation are obtained when the first standard container with the internal volume V S1 is attached to the tip of the connecting tube 20, that is, when V X = V S1. The volume is determined by measuring the amplitude ratio E 1 / E 2 in the state where the second standard container with the internal volume of V S2 is attached, that is, the state of V X = V S2 .
[0039]
Regarding the phase difference θ between the signals e 1 and e 2 , the phase difference when the first standard container is attached to the tip of the connecting tube 20 is θ 1 , and the second standard is set at the tip of the connecting tube 20. In this case, the phase difference when the container is attached is θ 2, and the phase difference when the tip of the connecting pipe 20 is connected to the engine to be measured and the volume V X of the combustion chamber is measured is θ X. The excess phase advance angle θ EX is expressed as follows.
[Expression 22]
[0040]
Then, assuming that the volume of the combustion chamber measured by the equation (21) is V X ′, the correction amount ΔV X to be withdrawn therefrom is as follows.
[Expression 23]
ΔV X = Cθ EX (V A + V X )
[0041]
That is, let V X '-ΔV X be the volume of the combustion chamber. Here, C is a correction constant and its theoretical value is 1, but actually, an object whose volume is accurately known in the first standard container used for calibration of the volume meter, such as a bearing ball, To change the volume and surface area of the first standard container, and adjust the value of C so that the volume is correctly measured. When C is set to an optimum value in this way, the volume of the combustion chamber can be accurately measured by compensating for an error due to the difference in surface area between the standard vessel and the actual combustion chamber. In addition, the remainder product VA in the above equation is a coefficient in the volume measurement equation (21) and is the volume of the internal space of the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a volume meter according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows an embodiment of a signal processing apparatus used in the present invention.
FIG. 3 is an engine combustion chamber volume meter according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 internal volume V 1 of the
Claims (2)
上記二つの容器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から測定容器に入れた物体の体積を算出する手段と、
上記算出された体積の値の表面積誤差を測定容器が空の場合の上記二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化の位相差θ 0 と、測定容器に体積既知の標準物体を入れ体積V S とした場合の上記二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化の位相差θ S と、測定容器に測定対象物体を入れ体積V 3 とした場合の上記二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化の位相差θ 3 から、
θ EX =θ 3 -θ 0 -V 3 /V S (θ S -θ 0 )
により求められる超過位相進み角度θ EX を、測定容器に被測定物体を入れたときの余積に乗算した値で補償する手段と
からなる音響式体積計。A reference container, a measurement container, and means for differentially providing an alternating volume change in the two containers;
Means for detecting a pressure change inside each of the two containers;
Means for calculating the volume of the object placed in the measurement container from the ratio of the magnitudes of the two detected pressure changes;
The surface area error of the calculated volume value is the phase difference θ 0 of the pressure change inside each of the two containers when the measurement container is empty, and the volume V S with a standard object of known volume in the measurement container each phase difference theta S of the pressure change in the two containers in the case of the phase difference of the internal pressure change in the two containers in the case where the volume V 3 put measured object in the measurement vessel From θ 3 ,
θ EX = θ 3 -θ 0 -V 3 / V S (θ S -θ 0 )
An acoustic volume meter comprising: means for compensating for the excess phase advance angle θ EX obtained by the equation (1) by multiplying the excess product when an object to be measured is placed in a measurement container .
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