NO167169B - Fremgangsmaate og innretning for volummaaling. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for måling av volumet av en gass i en beholder, og en innretning for utførelse av fremgangsmåten, hvilken innretning omfatter en rørformet kappe som ved sin ene ende er forbundet med en åpning i beholderen og i hvilken en frem og tilbake bevegelig vegg er fjærende opphengt, en eksiteringsanordning og en i beholderen anordnet trykkmåler.

En fremgangsmåte for måling av volumet av en gass i en beholder er å utnytte den generelle gasslov for adiabatiske prosesser, hvilken kan uttrykkes som

For lukkede beholdere er målingen enkel å utføre, idet det er tilstrekkelig å måle trykket i beholderen ved det søkte volum og deretter endre beholderens volum med et kjent beløp og på nytt måle trykket. Mange beholdere er imidlertid ikke tette, men ventilerte, og for sådanne beholdere er målingen betydelig mer komplisert. For at prinsippet ifølge den generelle gasslov skal kunne utnyttes, må endringen av trykket og volumet i beholderen skje på en slik måte at ventileringen ikke innvirker på resulta-tet, men slik at en stabil, dynamisk tilstand kan oppnås. Dette oppnås ved at volumet og trykket i beholderen endres med en frekvens som er høyere enn grensefrekvensen for det av ventileringskanalen dannede lavpassfilter.

US-patentskrift 3 769 834 viser en fremgangsmåte for måling av volumet av et i en beholder innelukket, ikke-kompressibelt legeme. Metoden består i å variere volumet av den gass som omgir legemet i beholderen, med en frekvens mellom 1 og 100 Hz og måle den derav følgende trykkendring. Denne metode har minst én stor ulempe: Det kreves en trykkmåler som er følsom og nøyaktig innenfor et stort trykkintervall. En sådan trykkmåler er selvsagt meget dyr, og derved blir hele måleanordningen dyr.

En innretning med hvilket volumet kan måles uten noen dyr trykkmåler, er vist i FR-patentskrift 2 412 825. Denne innretning omfatter to via en membran forbundne beholdere av hvilke den ene inneholder det objekt hvis volum skal måles, og den andre utgjør en referansebeholder hvis volum kan varieres ved forskyvning av et stempel. Ved målingen varieres trykket på ensartet måte i de to beholdere, og stempelet reguleres på en slik måte at trykket er det samme i begge beholdere, idet objektets volum kan bestemmes ut fra stempelets forskyvning. Ulempen med denne metode er åpenbar: På grunn av referansebehol-deren blir måleinnretningen meget plasskrevende og er uanvendelig for store beholdere.

De ovennevnte ulemper med dyr trykkmåler og plasskrevende referansebeholder gjenfinnes ved alle de hittil kjente innretninger, selv om disse er utformet på forskjellig måte.

Formålet med oppfinnelsen er derfor å tilveiebringe en ny målemetode som tillater at volumet av en gass i en ventilert beholder kan måles på enkel måte ved hjelp av en kompakt og billig innretning.

Ovennevnte formål oppnås ved at beholderens volum varieres i overensstemmelse med en sinussvingning mellom en minimal og en maksimal verdi, idet variasjonen gjøres med konstant frekvens, men med varierende amplitude, for oppnåelse av en forutbestemt trykkforskjell (Ap), at den til den forutbestemte trykkforskjell (Ap) svarende volumf orskjell (AV) bestemmes ved detektering av de tidspunkter da minst to punkter på sinussvingningen: oppnås svarende til to forutbestemte verdier av beholderens volum, at tiden mellom oppnåelsen av de to punkter på sinussvingningen måles og benyttes for beregning av den maksimale og den minimale verdi av volumet (V), hvilke verdier benyttes for beregning av den til den forutbestemte trykkforskjell (Ap) svarende volumforskjell (AV), og at volumet (V) beregnes på grunnlag av formelen V=AV*p0*x/Ap der pc er lik det statiske trykk og x = Cp/Cv, der Cp og Cv er varmekapasiteten ved konstant trykk hhv. konstant volum for den aktuelle gass i beholderen.

For utførelse av fremgangsmåten benyttes en innretning av den innledningsvis angitte type som er kjennetegnet ved minst to stillingsdetektorer som er innrettet til å avgi et signal ved den bevegelige veggs passering, en tidmålende anordning for måling av tiden mellom et signal fra den ene stillingsdetektor og et derpå følgende signal fra den andre stillingsdetektor, en beregningsanordning for beregning av den bevegelige veggs svingningsamplitude på grunnlag av den av tidmålingsanordningen målte tid, og for beregning av volumet av gassen i beholderen. Det skal her påpekes at man ved å bestemme gassvolumet 1 en beholder også kan bestemme volumet av en væske eller et Ikke-kompresslbelt, fast legeme som er lagret i beholderen, dersom beholderens volum er kjent.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere 1 det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser en innretning ifølge oppfinnelsen for variasjon av en beholders volum, og fig. 2 er et skjematisk riss som viser hvordan data for volummålingen innsamles til en datamaskin.

Den på fig. 1 viste innretning omfatter en rørformet kappe 1 hvis ene ende la er forbundet med en åpning i en ikke vist beholder i hvilken volummålingen skal utføres, og i hvis mantelvegg det er anordnet to eller flere uttagninger 22. I kappen er det forskyvbart anordnet et stempel 2 hvis tverrsnitt er noe mindre enn kappens innvendige tverrsnitt, slik at stempelet kan forskyves frem og tilbake i kappen med lett løpende pasning. Noen mer nøyaktig tetning mellom stempelet og kappen kreves normalt ikke og inngår heller ikke i den viste utførelses-form. Dersom det ønskes, kan imidlertid en rullemembran eller liknende være anordnet for å gi den nødvendige tetningsyirkning. Stempelet 2 er i radial retning oppdelt i en indre og en ytre del 2a hhv. 2b som er adskilt av en sirkulær uttagning 4. Stempelet 2 er opphengt i kappen ved hjelp av en fjær 3 hvis ene ende 3a er festet til stempelets indre del 2a, og hvis andre ende 3b er festet til utsiden av et sirkulært fjærfeste 5 som er forbundet med kappen og anordnet på høyde med dennes uttagning 22. Fjæren 3 bør være slik dimmensjonert at den kan arbeide som trykk- og trekkfjær uten å bøye seg. Den bør med andre ord ha en i forhold til lengden stor diameter. En av et langt aluminiumrør bestående stempelstang 23 strekker seg gjennom sentrum av stempelet og langs kappens lengdeakse, idet den er fast forbundet med stempelet. Stempelstangen har til oppgave å styre stempelet 2, slik at dette løper lett i kappen 1, og den strekker seg av denne grunn gjennom et ved det øvre f jærfeste anordnet, øvre styrelager 6 og et ved åpningen i beholderen anordnet, nedre styrelager 7. Det nedre styrelager 7 er sirkulært og montert ved hjelp av et antall eiker 8 som strekker seg i radial retning fra lageret til kappen. Stempelstangen har videre til oppgave å overføre eksitasjonsenergi fra et elektromagnetisk eksitasjonsorgan 9 som er anordnet over det øvre styrelager 6 og fjærfestet 5. Eksita-sjonsorganet 9 består av en spole 10 hvis viklingsvindinger ligger i kappens horisontalplan, en jernkjerne 11 som er anordnet på den mot spolen vendende ende av stempelstangen og som er forskyvbar gjennom et senterhull 12 i spolen 10, og en til spolen 10 tilkoplet, ikke vist strømkrets. For deteksjon av stempelets stilling i kappen finnes videre to detektorer 13, 14 av kon-vensjonell type som er anordnet på avstand fra hverandre i stempelets forskyvningsretning.

Fig. 2 viser skjematisk den på fig. 1 viste innretning forbundet med en beholder 20 i hvilken volummåling skal utføres. De to detektorer 13, 14 i kappen er som vist tilkoplet til en beregningsanordning 15, eksempelvis en mikrodatamaskin. Til denne er også tilkoplet en i beholderen montert trykkmåler 16 som i en foretrukket utførelsesform utgjøres av en trykkvakt eller trykkregulator.

I dét følgende skal det beskrives hvordan innretningen benyttes for måling av volumet av et fluidum i en beholder. Dersom volummålingen skal skje i en ventilert tank, må man først og fremst passe, på at frekvensen av volumendringen er slik at ventileringen eller avluftingen påvirker målingen så lite som mulig. Da ventileringen fungerer som et lavpassfilter, bør frekvensen av volumendringen være betydelig høyere enn filterets grensefrekvens. Dette kan oppnås ved å velge passende dimensjoner på ventileringskanalen.

Ved selve målingen bringes stempelet i bevegelse ved at en strømpuls med passende pulsbredde og amplitude sendes gjennom spolen når stempelet befinner seg i sin øvre endestilling. Tidspunktet for dette bestemmes i datamaskinen ved hjelp av f.eks. deriverings av svingningssignalet. Dette prinsipp for eksitering medfører at stempelet ved sin bevegelse frem og tilbake i kappen med meget god nøyaktighet følger en sinussvingning hvis svingningsfrekvens er meget stabil. Amplituden av stempelets bevegelse økes kontinuerlig inntil et forutbestemt trykk, som adskiiller seg med et forutbestemt beløp Ap/2 fra begynnelses trykket pGi, oppnås i beholderen, hvorved trykkvakt en reagerer. Når dette trykk er oppnådd, måles den tid det tar for stempelet å passere fra den ene stillingsdetektor 13, 14 til den andre stillingsdetektor 14, 13, og datamaskinen 15 beregner ved hjelp av denne tid sinussvingningens topp-til-toppverdi, dvs. avstanden mellom stempelets endestillinger. Da arealet av stempelets tverrsnitt er kjent, kan den til den forutbestemte trykkforskjell Ap svarende volumendring Av beregnes og dermed det søkte volum V bestemmes ut fra den generelle gasslov som omskrevet og MacLaurin-utviklet kan uttrykkes som

der Av = volumendringen ved den forutbestemte trykkforskjell Ap, pQ = begynnelses trykket og x = Cp/Cv, der Cp og Cv er varmekapasiteten ved henholdsvis konstant trykk og konstant volum for den aktuelle gass i beholderen. Dersom det er volumet av en i beholderen innesluttet væske som man ønsker å bestemme, utgjør V et mål på volumet av gassen ovenfor væsken, og væskevolumet oppnås ved å subtrahere V fra beholderens totale volum. Volumet av et i beholderen innesluttet, ikke-kompressibelt, fast legeme bestemmes på tilsvarende måte.

For å eliminere innvirkning av pc • x, kan man utføre to på hverandre følgende målinger der Av bestemmes for to forskjellige beholdervolumer. Endringene av beholdervolumet kan eksempelvis gjøres ved at stempelets nøytralstilling endres.

Dersom ovenstående metode med eliminering av pQ • x ikke benyttes, bestemmes pQ med en vanlig trykkmåler og ved hjelp av kurvetilpasning eller ut fra tabell i avhengighet av hva som finnes i tanken og av dén ønskede nøyaktighet.

I visse miljøer der eksplosjonsfare foreligger, eksempelvis i bensintanker, er en elektromagnetisk eksiteringsanordning mindre passende og i visse tilfeller også forbudt på grunn av lover og forskrifter. Ved disse anvendelser kan den på fig. 1 viste eksiteringsanordning erstattes av en anordning som påvirker stempelstangen mekanisk og som drives hydraulisk eller pneumatisk, men som for øvrig ikke endrer prinsippet for oppfinnelsen.

En innretning ifølge oppfinnelsen har mange fordeler. En måling ved hvilken Ap holdes konstant, gir en mer stabil tilstand i beholderen. Ved denne type måling unngås dessuten problemet med at Ap går mot uendelig når tanken blir full, og dermed kan også kravet til en trykkmåler med høy nøyaktighet over et stort intervall elimineres. I innretningen ifølge oppfinnelsen kan trykkmåleren således utgjøres av en enkel trykkvakt. Videre tillater den nye utforming av innretningen at stempelets slaglengde varieres kontinuerlig og i nøyaktig overensstemmelse med en sinussvingning, slik at bestemmelsen av størrelsen av stempelutslaget forenkles. I en innretning der stempelets bevegelse ikke skjer på denne nøyaktige måte, ville det kreves en lineær stillingsgiver (som i og for seg også kan utnyttes i innretningen ifølge oppfinnelsen), men en sådan stillingsgiver eller omvandler er meget dyr.

Den foran beskrevne utførelsesform av oppfinnelsen er selvsagt bare et eksempel, og mange modifikasjoner kan gjøres innenfor rammen av de etterfølgende krav. Fjæren kan eksempelvis erstattes av flere sammenkoplede fjærer, delenes innbyrdes plassering kan endres, etc. Videre kan den bevegelige vegg bestå

av en membran eller et høyttalerelement i stedet for av et stempel.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for måling av volumet (V) av en gass i en beholder, KARAKTERISERT VED at beholderens volum varieres ifølge en sinussvingning; mellom en minimal og en maksimal verdi, idet variasjonen utføres med konstant frekvens, men med varierende amplitude, for oppnåelse av en forutbestemt trykkforskjell (Ap), at den til deni forutbestemte trykkforskjell (Ap) svarende volumforskjell (Arø) bestemmes ved detektering av de tidspunkter da minst to punkter på sinussvingningen oppnås svarende til to forutbestemte verdier av beholderens volum, at tiden mellom oppnåelsen av de toi punkter pa sinussvingningen måles og benyttes for beregning av den maksimale og den minimale verdi av volumet (V), hvilke verdier benyttes for beregning av den til den forutbestemte trykkforskjell (Ap) svarende volumforskjell (AV), og at volumet (V) beregnes på grunnlag av formelen V=AV*p0*x/Ap, der pG er lik det statiske trykk og x = Cp/Cv, der Cp og Cv er varmekapasiteten ved henholdsvis konstant trykk og konstant volum for den aktuelle gass i beholderen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at målingen gjentas for en annen verdi av beholderens volum, hvoretter gassvolumet kan beregnes uten kjennskap til p0*x.

3. Innretning for måling av volumet (V) av en gass i en beholder (20), omfattende en rørformet kappe (1) som ved sin ene ende er forbundet med en åpning i beholderen og i hvilken en frem og tilbake bevegelig vegg (2) er fjærende opphengt, en eksiteringsanordning (9) og en i beholderen anordnet trykkmåler (16), KARAKTERISERT VED minst to stillingsdetektorer (13, 14) som er innrettet til å avgi et signal ved den bevegelige veggs (2) passering, en tidmålende anordning for måling av tiden mellom et signal fra den ene stillingsdetektor og et derpå følgende signal fra den andre stillingsdetektor, og en beregningsanordning (15) for beregning av den bevegelige veggs svingningsamplitude på grunnlag av den av den tidmålende anordning målte tid, og for beregning av volumet av gassen i beholderen.

4. Innretning ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at eksite-ringsanordningen (9) er innrettet til å eksitere den bevegelige vegg (2) ved hjelp av korte eksiteringspulser ved passende tidspunkter.

5. Innretning ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at den bevegelige veggs (2) svingningsamplitude er innrettet til å varieres ved variasjon av eksiteringspulsenes bredde og/eller amplitude.