JP4379759B2

JP4379759B2 - Acoustic volume meter

Info

Publication number: JP4379759B2
Application number: JP2000367797A
Authority: JP
Inventors: 泰石井
Original assignee: 石井潤
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2020-10-27
Also published as: JP2002131111A

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Ｖ_０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Ｖ_２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＝Ｖ_０−Ｖ_２
【０００９】
４は蓋であって、その上に内部体積Ｖ_１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ｅ_１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ｅ_２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ｅ_１とｅ_２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ｅ_１とｅ_２のフーリエ変換を行なってそれぞれの振幅Ｅ_１とＥ_２を測定し、これらの比Ｅ_１／Ｅ_２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ｅ_１とｅ_２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Ｖ_２がΔＶ_Ｖなる微小体積だけ圧縮されると、基準容器１の内部体積Ｖ_１はΔＶ_Ｖだけ膨張する。また連通管５を通して測定容器２の中にΔＶ_Ｐなる微小体積の気体が流入すると、基準容器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−ΔＰ_１、ΔＰ_２とし、また
【数２】
ΔＶ＝ΔＶ_Ｖ＋ΔＶ_Ｐ
【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】
ΔＰ_１／Ｐ_０＝γΔＶ／Ｖ_１
【数４】
ΔＰ_２／Ｐ_０＝γΔＶ／Ｖ_２
【００１５】
ここでＰ_０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】
ΔＰ_１／ΔＰ_２＝Ｖ_２／Ｖ_１
【００１６】
あるいは
【数６】
Ｖ_２＝Ｖ_１ΔＰ_１／ΔＰ_２
【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＝Ｖ_０−Ｖ_１ΔＰ_１／ΔＰ_２
【００１８】
上式において、Ｖ_０とＶ_１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ΔＰ_１／ΔＰ_２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ΔＰ_１／ΔＰ_２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Ｅ_１／Ｅ_２を用い、次式によって物体の体積Ｖが算出される。
【数８】
Ｖ＝Ｖ_０−Ｖ_１Ｅ_１／Ｅ_２
【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Ｖ_２の測定容器内部の音響インピーダンスＺ_２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）Ｓ_２δ／２Ｖ_２
【数１１】
δ＝（２ｋ／ρωｃ_Ｐ）^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、ｃ_Ｐは気体の定圧比熱、Ｓ_２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、Ｚ_２の絶対値｜Ｚ_２｜はつぎのようになる。
【数１２】
｜Ｚ_２｜＝γＰ_０／ωＶ_２
【００２３】
熱境界層の影響があると、上記の値は｛（１−ε）^２＋ε^２｝^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】
｜Ｚ_２｜＝γＰ_０／｛ωＶ_２（１＋ε）｝
【００２４】
すなわち、熱境界層の体積測定への影響は、余積Ｖ_２がεＶ_２だけ大きくなることである。そして、その増加分εＶ_２は、式（１０）から明らかなように、表面積Ｓ_２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Ｚ_２にεγＰ_０／ωＶ_２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Ｖ_２の増加分εＶ_２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εＶ_２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Ｅ_１／Ｅ_２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Ｖ_Ｓの標準物体を入れた状態、すなわちＶ＝Ｖ_Ｓとの状態における振幅比Ｅ_１／Ｅ_２を測定することにより、式（８）の中の定数Ｖ_０とＶ_１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＝Ｖ_Ｓ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ｅ_１（ｔ）とｅ_２（ｔ）の波形をｔ＝ｔ_０からｔ＝ｔ_０＋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、ｅ_１（ｔ）ｓｉｎωｔの積分値をＥ_１Ｓ、ｅ_１（ｔ）ｃｏｓωｔの積分値をＥ_１Ｃ、ｅ_２（ｔ）ｓｉｎωｔの積分値をＥ_２Ｓ、ｅ_２（ｔ）ｃｏｓωｔの積分値をＥ_２Ｃとすると、これらの値から信号ｅ_１（ｔ）の振幅Ｅ_１、信号ｅ_２（ｔ）の振幅Ｅ_２はつぎのようにして求められる。振幅Ｅ_１とＥ_２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】
Ｅ_１＝２（Ｅ_１Ｓ ^２＋Ｅ_１Ｃ ^２）^１／２／Ｔ
【数１７】
Ｅ_２＝２（Ｅ_２Ｓ ^２＋Ｅ_２Ｃ ^２）^１／２／Ｔ
【００３０】
一方、位相差については、信号ｅ_１（ｔ）を基準にしたときのｅ_２（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ｅ_１（ｔ）とｅ_２（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θ_０、測定容器２の中に体積Ｖ_Ｓの標準物体を入れてＶ＝Ｖ_Ｓとしたときのθをθ_Ｓ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Ｖ_３測定したときのθをθ_３とすると、前記の超過位相進み角度θ_ＥＸ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ΔＶ_３はつぎのようになる。
【数２０】
ΔＶ_３＝Ｃθ_ＥＸＶ_２
【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Ｖ_３’とすると、Ｖ_３’＋ΔＶ_３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Ｖ_Ｓ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、Ｖ_ＳＳ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Ｖ_ＳＳ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Ｖ_２の値は、体積測定式（８）の中の係数Ｖ_０とＶ_３’からＶ_２＝Ｖ_０−Ｖ_３’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Ｖ_Ｘ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Ｖ_Ｘ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Ｖ_１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、Ｖ_Ａ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ｅ_１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ｅ_２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Ｖ_Ｘは、つぎに示すように、音圧信号ｅ_１とｅ_２の振幅の比Ｅ_１／Ｅ_２の１次式として表わされる。
【数２１】
Ｖ_Ｘ＝Ｖ_１Ｅ_１／Ｅ_２−Ｖ_Ａ
【００３８】
上式における定数Ｖ_ＡとＶ_１は、連結管２０の先端に内部の体積がＶ_Ｓ１の第１の標準容器をつけた状態、すなわちＶ_Ｘ＝Ｖ_Ｓ１の状態と、連結管２０の先端に内部の体積がＶ_Ｓ２の第２の標準容器をつけた状態、すなわちＶ_Ｘ＝Ｖ_Ｓ２の状態における振幅比Ｅ_１／Ｅ_２を測定することにより決定される。
【００３９】
信号ｅ_１とｅ_２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θ_１、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θ_２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Ｖ_Ｘを測定したときの位相差をθ_Ｘとすると、この場合の超過位相進み角度θ_ＥＸ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Ｖ_Ｘ’とすると、それから引き去られるべき補正量ΔＶ_Ｘはつぎのようになる。
【数２３】
ΔＶ_Ｘ＝Ｃθ_ＥＸ（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｘ）
【００４１】
すなわち、Ｖ_Ｘ’−ΔＶ_Ｘ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Ｖ_Ａ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Ｖ_１の基準容器
２空のときの内部体積がＶ_０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Ｖ_１の基準容器
２２内部体積Ｖ_Ａ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, reference numeral 2 denotes a measurement container having an internal volume V ₀ when empty, in which a volume 3 object V is placed, and the volume of the space between 2 and 3, that is, the residual product, is Assuming V ₂ , the volume V of the object is expressed as follows.
[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 containers 1 and 2 on the upper surface of the lid 4 so as to communicate the interiors of the containers 1 and 2. A sound source speaker 6 is also attached to the partition wall. Reference numeral 7 denotes a speaker diaphragm. Conductors 18 and 19 are connected to the speaker 6 through terminals 8 and 9, and a sine wave drive signal is supplied from the signal generator 16 through these conductors, and the measurement container 2 and the reference container 1 are alternately connected by the front and back of the diaphragm 7. The volume change is given differentially. As a result, a pressure change, that is, a sound pressure is generated inside the measurement container 2 and the reference container 1. Reference numeral 11 denotes a microphone for detecting the sound pressure inside the reference container 1, and its output is amplified by the amplifier 13 to be a sound pressure signal e ₁ , which is taken into the signal processing device 15. Reference numeral 12 denotes a microphone for detecting the sound pressure inside the measurement container 2, and its output reaches the amplifier 14 through the terminal 10, where it is amplified and becomes a sound pressure signal e ₂ , which is taken into the signal processing device 15.
[0010]
FIG. 2 shows an example of the configuration of the signal processing device 15. The sound pressure signals e ₁ and e ₂ are converted into digital quantities by analog-

digital converters

151 and 152, respectively, and taken into the digital computer 150. A frequency multiplier 155 frequency-multiplies the synchronizing signal supplied from the signal generator 16 through the conductor 17 to obtain a sampling pulse, and performs analog-digital conversion in synchronization with the sampling pulse. However, a clock pulse generator may be provided inside the signal processing device 15, and the analog-digital conversion may be performed in synchronization with this clock pulse independently of the signal generator 16. In this case, the frequency multiplier 155 and the conducting wire 17 are not necessary. The start of the analog-digital conversion is controlled by a start pulse sent from the digital computer 150 through the

conductors

153 and 154. The digital computer 150 performs Fourier transform of the sound pressure signals e ₁ and e ₂ to measure respective amplitudes E ₁ and E ₂ , calculates the volume V of the object 3 from these ratios E ₁ / E ₂ , and The phase difference θ between e ₁ and e ₂ is also measured by the Fourier transform of and the surface area correction of the volume measurement value is calculated using the phase difference θ.
[0011]
In the above, the communication pipe 5 functions to balance the static pressure inside the reference container 1 and the measurement container 2 and to homogenize the gas components in both, but when the working gas is air, There is almost no difference between these containers. Therefore, instead of the communication tube 5, a capillary tube only for balancing the static pressure can be used. Also, unless the container is tightly sealed, the static pressure inside the containers 1 and 2 is usually equal to the external atmospheric pressure through the gap between the assembled device parts. A communication tube and a capillary tube are not necessarily essential.
[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 signal generator 16, the resulting vibration plate 7 is pushed by the coproduct V ₂ of the measuring vessel 2 is compressed by a small volume comprising [Delta] V _V, the internal volume of the reference chamber 1 V ₁ expands by ΔV _V. Also, if [Delta] V _P becomes very small volume of gas into the measurement vessel 2 through the communicating pipe 5 enters, [Delta] V _P becomes the volume of gas flowing through the communicating pipe 5 from the reference container 1. At this time, the pressure changes generated inside the reference container 1 and the measurement container 2 are set to −ΔP ₁ and ΔP ₂ , respectively, and
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 containers 1 and 2, and γ (gamma) is a specific heat ratio of the gas, which is about 1.4 in the case of air. From the above two formulas:
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 digital computer 150, an amplitude ratio E ₁ / E ₂ of a sound pressure signal measured by a Fourier transform described later is used as an amount corresponding to ΔP ₁ / ΔP ₂ in the above equation, and the volume V of the object is expressed by the following equation. Calculated.
[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 measurement container 2 is viewed from the speaker 6. Acoustic impedance Z ₂ of the measuring container inside the coproduct V _2, the size of the measuring vessel is sufficiently smaller than the wavelength of sound is approximately expressed as follows.
[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 measurement container 2 is emptied. That is, by measuring the amplitude ratio E ₁ / E ₂ in a state where V = 0 and a state where a standard object having a known volume V _S is placed in the measurement container 2, that is, a state where V = V _S , Constants V ₀ and V _{1 in} (8) are determined. However, when the amplitude ratio is measured with the measurement container 2 empty, it is already influenced by the surface area inside the container, and the state at that time is assumed to be V = 0 including the influence. In addition, when the amplitude ratio is measured by putting a standard object in the measurement container 2, it is affected by the surface area inside the container 2 and the surface area of the standard object. it is to be _V = V _S. Here, for example, when a measured object having a surface area larger than that of the standard object is placed in the container 2 and its volume is measured, the volume of the measured object is determined according to the difference in surface area between the measured object and the standard object. Measured a little smaller. This is the surface area error of the object. Therefore, in order to compensate for this surface area error, the phase advance angle α is not used as it is, but the difference between α when the object to be measured is placed in the container and when the standard object is placed, the excess phase advance angle Is used.
[0029]
In the digital computer 150, the time is represented by t, and the waveforms of the sound pressure signals e ₁ (t) and e ₂ (t) are acquired from t = t ₀ to t = t ₀ + T, and their waveforms are obtained. and sin .omega.t, although the Fourier transform by performing integration of the product of the cos .omega.t, the crowded take _waveform, e 1 (t) _sinωt integral value _E _1S, e 1 (t) an integral value of cos .omega.t _{E 1C,} If the integrated value of e ₂ (t) sinωt is E _2S and the integrated value of e ₂ (t) cosωt is E _2C , the amplitude E _{1 of} the signal e ₁ (t) and the signal e ₂ (t) obtained as amplitude E ₂ Hatsugi. As described above, the amplitudes E ₁ and E ₂ are used for calculating the volume according to the equation (8).
[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

microphones

11 and 12 and the

amplifiers

13 and 14 is also included.
[0032]
When measuring the volume of the object, calibration is performed prior to the measurement. However, when the measurement container 2 is emptied and V = 0, θ is θ ₀ , and a standard object of volume V _S is placed in the measurement container 2. When V = V _S and θ is θ _S, and when the object to be measured is placed in the measurement container 2 and its volume V _{3 is} measured and θ ₃ is θ ₃ , the above-described excess phase advance The angle θ _EX is expressed as follows.
[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. Reference numeral 40 denotes an engine crank chamber, reference numeral 41 denotes a cylinder, reference numeral 42 denotes a piston, and an upper cylinder internal space 43 is a measured container in this case, and a volume V _{X of} the space is a measured quantity. 44 and 45 are engine head covers, in which a valve mechanism and the like are housed. An ignition plug hole 46 is normally attached to the ignition plug, but in the case of volume measurement, the ignition plug is removed and the tip of the connecting pipe 20 of the volume meter is connected to the hole. V _X when the crankshaft is rotated and the piston reaches top dead center is the combustion chamber volume. For diesel engines, the combustion chamber volume is measured by removing the fuel injection valve and connecting the tip of the connecting pipe 20 to the hole.
[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 partition wall 24, and a speaker 26 is attached to the container 24 as a means for giving an alternating volume change to these containers. A sinusoidal wave is passed from the signal generator 16 through a lead wire 29 and a terminal 28. When the drive signal is given, the diaphragm 27 of the speaker vibrates and the

containers

21 and 22 are given an alternating volume change differentially. A capillary tube 25 for balancing the static pressure inside 21 and 22 passes through the partition wall 24. The auxiliary container 22 is provided with a capillary tube 23 between itself and the outside, which serves to release air that is compressed when the crank of the engine is manually turned. The reference container 21 is provided with a microphone 31 as a means for detecting the internal pressure change. The internal sound pressure of the reference container 21 is detected by 31, converted into the sound pressure signal e ₁ , and input to the signal processing device 15. . Similarly, the sound pressure inside the auxiliary container 22 is detected by the microphone 32 and converted into the sound pressure signal e ₂ , which is another input to the signal processing device 15. A microphone preamplifier is included in the

cases

31 and 32. As the signal processing device 15, the one shown in FIG. 2 is used as in the first embodiment.
[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 auxiliary container 22.
[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 reference container 2

air diaphragm

8,9,10

terminals

13 and 14 amplifier internal volume of the object 7 speakers of the measurement vessel 3 volume V of _{V 0} which when 17, 18, 19 lead 20 connecting pipe 21 Reference container 22 with internal volume V ₁

Auxiliary containers

23 and 25 with internal volume _VA Capillary tube 24 Bulkhead 27 Speaker diaphragm 28 Terminal 29 Conductor 40 Engine crank chamber 41 Cylinder 42

Piston

44, 45 Engine head cover 46 Ignition plug hole

Claims

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 .

The standard object includes a first standard object and a second standard object having different volumes, and the phase difference between the two detected pressure changes when each is placed in the measurement container is used. Item 1. An acoustic volume meter according to Item 1.