PL172605B1 - Urządzenie do pomiaru objętości ciała stałego - Google Patents

Abstract

1. Urządzenie do pomiaru objętości ciała stałego, zawierające sztywną komorę wyposażoną w' cylinder z tłokiem połączonym z elementem prowadzącym ułożyskowanym sprężyście w korpusie komory oraz zawierające siłownik elektromagnetyczny oddziałujący na tłok, tworzący wraz z. komorą akustyczną oscylator harmoniczny, przy czym uzwojenie siłownika jest połączone poprzez układ elektoniczny z czujnikiem prędkości lub przesunięcia zespołu tłoka, znamienne tym, że element prowadzący tłok (3) stanowi dźwignia (5), która współpracuje z czujnikiem (6) prędkości, którego wyjście połączone jest z pierwszym wejściem miernika (7) kąta fazowego, którego drugie wejście połączone jest z uzwojeniem siłownika elektromagnetycznego (8) i generatorem (9) sygnału elektrycznego, korzystnie sinusoidalnego.

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru objętości ciała stałego, w szczególności porowatego ciała o nieregularnych kształtach.

Znane są rozwiązania objętościomierzy, w których podstawowym podzespołem konstrukcyjnym jest rezonator Haelmholtza zbudowany w postaci sztywnej komory połączonej z rurą.

172 605

Gaz znajdujący się w komorze rezonatora spełnia rolę sprężyny akustycznej, natomiast gaz poruszający się w rurze rezonatora spełnia rolę masy podwieszonej na wspomnianej sprężynie akustycznej. Częstotliwość drgań własnych takiego układu akustycznego zależy między innymi od objętości komory rezonatora. T a zależność jest wykorzystywana do budowy objętościomierzy akustycznych.

Z amerykańskiego opisu patentowego US 4 713 966 znane jest urządzenie do pomiaru objętości ciała stałego zawierające układ wzbudzania drgań w postaci tłoka poruszającego się w cylindrze połączonym z komorą, prowadzonego na prowadnicach ślizgowych, zawieszonego na spiralnej sprężynie. Natłok oddziaływuje siłownik elektromagnetyczny składający się z nieruchomej cewki i rdzenia ferromagnetycznego związanego sztywno z tłokiem. Urządzenie zawiera dwa czujniki służące do określenia skarajnych położeń tłoka.

Na podstawie zmiany objętości związanej z ruchem tłoka pomiędzy jego skrajnymi położeniami i odpowiadającej mu zmiany ciśnienia wyznacza się objętość komory.

Z opisu patentowego USA nr 5 054 316 znane jest urządzenie do pomiaru objętości ciał, zawierające dwa rezonatory Helmholtza, w których wzbudzane są drgania za pomocą płynowych generatorów akustycznych, najkorzystniej typu gwizdka wykorzystującego zasilanie sprężonym powietrzem. Rezonatory te połączone są każdy z jedną komorą, jeden z komorą pomiarową, a drugi z komorą odniesienia. Sygnały z obu tak utworzonych torów pomiarowych są poddane obróbce elektronicznej dającej w efekcie sygnał będący miarą objętości.

Zasadniczym problemem jaki trzeba rozwiązać w konstrukcji powyższych objętościomierzy jest eliminacja zakłóceń pochodzących od zmian dwu zasadniczych wielkości zakłócających: ciśnienia atmosferycznego i temperatury gazu wypełniającego komorę rezonatora.

Zgodnie z wynalazkiem urządzenie do pomiaru objętości ciała stałego zawierające sztywną komorę wyposażoną w cylinder z tłokiem połączonym z elementem prowadzącym ułożyskowanym sprężyście w korpusie komory oraz zawierające siłownik elektromagnetyczny oddziałujący na tłok, tworzący wraz z komorą akustyczną oscylator harmoniczny, przy czym uzwojenie siłownika jest połączone poprzez układ elektroniczny z czujnikiem prędkości lub przesunięcia zespołu tłoka, charakteryzuje się tym, że element prowadzący tłok stanowi dźwignia, która współpracuje z czujnikiem prędkości lub przesunięcia. Wyjście tego czujnika połączone jest z pierwszym wejściem miernika kąta fazowego, którego drugie wejście połączone jest z uzwojeniem siłownika elektromagnetycznego i generatorem sygnału elektromagnetycznego, korzystnie sinusoidalnego.

W innej odmianie wynalazku urządzenie do pomiaru objętości ciała stałego zawierające sztywną komorę wyposażoną w cylinder z tłokiem połączonym z elementem prowadzącym ułożyskowanym sprężyście w korpusie komory oraz zawierające siłownik elektromagnetyczny oddziałujący na tłok, tworzący wraz z komorą akustyczną oscylator harmoniczny, przy czym uzwojenie siłownika jest połączone poprzez układ elektroniczny z czujnikiem prędkości lub przesunięcia zespołu tłoka, charakteryzuje się tym, że element prowadzący tłok stanowi dźwignia współpracująca z czujnikiem prędkości. Wyjście tego czujnika połączone jest z pierwszym wejściem miernika kąta fazowego. Drugie wejście miernika połączone jest z siłownikiem elektromagnetycznym i z drugim czujnikiem prędkości współpracującym z drugą dźwignią stanowiącą element prowadzący drugiego tłoka tworzącego wraz z drugą komorą drugi akustyczny oscylator harmoniczny.

Na drugi tłok oddziałuje drugi siłownik elektromagnetyczny, który jest połączony z wyjściem układu mnożącego, którego pierwsze wejście jest połączone z wyjściem drugiego czujnika prędkości, a drugie wejście jest połączone z wyjściem regulatora którego pierwsze wejście jest połączone poprzez układ pomiaru amplitudy z wyjściem drugiego czujnika prędkości, a na drugie wejście regulatora podany jest sygnał zadanej wartości amplitudy drgań.

Korzystnie nad tłokiem każdego oscylatora, po przeciwnej stronie tłoka w stosunku do komory pomiarowej, znajduje się komora oddzielona od atmosfery otoczenia za pomocą płytki, korzystnie piezoelektrycznej, o bardzo dużej sztywności, przy czym z komorą współpracuje czujnik ciśnienia zmiennego, korzystnie mikrofon pojemnościowy, którego wyjście połączone jest z wejściem regulatora korzystnie typu PID o wartości zadanej sygnału równej zero, a sygnał

172 605 wyjściowy regulatora, za pośrednictwem wzmacniacza napięcia i mocy podawany jest do elektrody płytki.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania uwidocznionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie do pomiaru objętości ciał stałych, zwane dalej objętościomierzem oscylacyjnym, w którym tłok zamykający komorę jest prowadzony na prowadnicy sprężystej wykonanej w postaci zrównoważonej dźwigni ułożyskowanej sprężyście, fig. 2 - układ eliminacji zakłóceń akustycznych dostających się do urządzenia ze środowiska pomiarowego, fig. 3 - rozwiązanie objętościomierza składającego się z dwu układów objaśnionych na fig. 1 i połączonych w układ kompensatora zmian ciśnienia, a fig. 4 - zależności fazowoczęstotliwościowe odnoszące się do rozwiązania z fig. 1.

W rozwiązaniu pokazanym na fig. 1 oscylator harmoniczny zawiera sztywną komorę 2 mającą otwór zamknięty poruszającym się w nim tłokiem 3 o znanej i stałej masie, zawieszonym na dźwigni 5 ułożyskowanej sprężyście na zawieszce sprężystej 4 w korpusie komory 2. W tymże korpusie jest zamocowany bezdotykowy czujnik 6 prędkości lub przesunięcia, typu indukcyjnościowego, położenia dźwigni 5. Wyjście tego czujnika połączone jest z pierwszym wejściem miernika 7 kąta fazowego, którego drugie wejście połączonejest z wyjściem generatora 9 sygnału sinusoidalnego. Wyjście stanowi wyjście całego urządzenia. Generator 9 połączony jest z siłownikiem elektromagnetycznym 8 oddziałującym na tłok 3. Magnes stały siłownika 8 jest przymocowany do dźwigni, a cewki są umieszczone nieruchomo w korpusie komory.

Z generatora 9 do cewki siłownika 8 jest podawany sygnał prądowy sinusoidalny, dzięki czemu jest wytwarzana sinusoidalnie zmienna siła oddziałująca na belkę dźwigni i wprawiająca tłok 3 komory w drgania sinusoidalne.

Na figurze pokazane są zależności fazowo-częstotliwościowe odnoszące się do układu z fig. 1, który jest w istocie rodzajem oscylatora harmonicznego. Dla pewnej częstotliwości kołowej siłą F oddziałującą na dźwignię 5 i tym samym na tłok 3 a przesunięciem dźwigni mierzonym przez czujnik 6 występuje przesunięcie fazowe Δφ równe π/2. Jest to częstotliwość rezonansowa układu. Ważne jest to, że wokół tej częstotliwości następuje największe przesunięcie fazowe związane ze zmianą częstotliwości a dodatkowo zależność Δφ (ω) ma w' tym obszarze charakter prawie liniowy. Przebieg wykresu Δφ (ω) zależy nie tylko od objętości komory 2 i tym samym od objętości V_m ciała mierzonego i ale także od dobroci układu mechanicznego uzależnionej przede wszystkim od strat energii w szczelinie między tłokiem 3 a komorą 2. Im większa dobroć układu drgającego tym większe zmiany Δφ kąta fazowego przypadające na tę samą zmianę częstotliwości. Krzywa a odpowiada przypadkowi, gdy objętość komory jest największa (V_m = 0). Krzywa b odpowiada przypadkowi, gdy V_m Ψ 0, a krzywa c przypadkowi, gdy V_m = 0 ale nastąpiła zmiana dobroci układu na skutek zwiększenia szczeliny wokół tłoka.

W rozwiązaniu przedstawionym na fig. 1 generator 9 dostarcza elektrycznego sygnału sinusoidalnego o stałej częstotliwości równej częstotliwości rezonansowej układu dla przypadku pustej komory. Dla tej częstotliwości przesunięcie fazowe Δφ równa się π/2.

Przesunięcie fazowe podlega pomiarowi w mierniku 7, na którego wyjściu pojawia się sygnał sinusoidalny proporcjonalny do przesunięcia fazowego Δφ. Jest to jednocześnie sygnał wyjściowy z układu, tzn. Δφ jest funkcją objętości V_m ciała mierzonego.

Zamiast czujnika 6 przesunięcia można użyć czujnika prędkości korzystnie typu indukcyjnościowego. Nastąpi wtedy jedynie przesunięcie wykresu Δφ (ω) o π/2 w górę i dla częstotliwości rezonansowej ω<> przesunięcie fazowe Δφ będzie równe zero.

Objętościomierz pokazany na fig. 1 może być użyty do pomiaru objętości, bowiem pomiędzy częstotliwością ω₀ a objętością V zachodzi następująca przybliżona zależność:

ω₀

MV

-1-0,5

A² η Pa gdzie:

M - masa tłoka

A - powierzchnia przekroju otworu komory η - wykładnik przemiany gazowej

172 605

V - objętość komory

Pa - ciśnienie bezwzględne gazu w komorze (tutaj równe atmosferycznemu)

M, A, η, V są stałymi konstrukcyjnymi przyrządu.

Ciśnienie atmosferyczne Pa jest zmiennym parametrem zakłócającym wpływającym na wynik pomiaru w podobnym stopniu jak objętość V. Aby wyeliminować wpływ ciśnienia Pa należy dokonać pomiaru tego ciśnienia i dostarczyć na wyjście generatora sygnał o częstotliwości odwrotnie proporcjonalnej do pierwiastka kwadratowego z tego ciśnienia. Można tego łatwo dokonać różnymi sposobami np. mierząc ciśnienie elektrobarometrem i przekształcając jego sygnał na sygnał częstotliwościowy za pomocą zaprogramowanego mikroprocesora.

Na figurze 3 pokazano przykład rozwiązania tego problemu stwarzającego możliwości bardzo dokładnego pomiaru objętości. Układ pomiarowy zawiera dwa identyczne zespoły 11 i 10 rezonatorów harmonicznych z tłokami drgającymi. Zespół 10 odpowiada opisanemu na fig. 1 zespołowi oscylatora, w którym zastosowano czujnik 12 prędkości w miejsce czujnika 6 przesunięcia.

Zespół 11 stanowi generator drgań sinusoidalnych drgający z częstotliwością opisaną podanym wcześniej wzorem. Układ wzbudzania drgań rezonansowych składa się z czujnika 12 prędkości, którego sygnał wyjściowy jest podawany na wejście układu 13 pomiaru amplitudy (np. prostownik oraz filtr dolnoprzepustowy) i na wejście analogowego układu mnożącego 15 spełniającego rolę wzmacniacza analogowego o regulowanym wzmocnieniu. Sygnał wyjściowy układu 13 jest podawany na jedno z dwu wejść regulatora 14 PID. Na drugie wejście regulatora jest podawany sygnał Vo wartości zadanej amplitudy drgań. Sygnał wyjściowy regulatora jest podawany na drugie wejście układu mnożącego 15, której sygnał wyjściowy steruje prądem siłownika 8 wzbudzającego drgania w układzie. Sygnałem wyjściowym tak zbudowanego generatora jest sygnał z czujnika 12 prędkości zespołu 11. Sygnał ten jest podawany na wejście siłownika 8 zespołu 10. Miernik 7 zespołu 10 dostarcza sygnału proporcjonalnego do przesunięcia fazowego tzn. Uwy ~Δφ. Sygnał Uwy może być użyty bezpośrednio jako sygnał wyjściowy układu, bowiem dla małych zmian objętości V_m jest:

Vm ⁼ Uwy

Na figurze 2 pokazana jest konstrukcja zmniejszająca wpływ zakłóceń akustycznych oddziałujących na drgający tłok 3 w każdym oscylatorze.

Obszar 16 ponad tłokiem stanowi zamkniętą komorę, w której ściance umieszczona jest sztywna płytka piezoelektryczna 17. Czujnik 18 zmian ciśnienia w komorze dostarcza sygnał elektryczny do pierwszego wejścia regulatora 19 typu PID. Do drugiego wejścia regulatora jest podawany sygnał odniesienia równy zero. Sygnał wyjściowy z regulatora wzmocniony przez wzmacniacz 20 napięcia i mocy, steruje odkształceniami płytki 17 utrzymując wartość zmian ciśnienia w komorze 16 nad tłokiem 3 na stałym poziomie równym zero. Opisany układ utrzymuje zatem stałe ciśnienie w komorze 16 niezależnie od wychyleń tłoka 3. Bardzo duża sztywność płytki piezoelektrycznej 17 praktycznie izoluje akustycznie od atmosfery obszar wewnątrz objętościomierza.

172 605

Fig. 3

172 605

Fig.4

172 605

Fig. 2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do pomiaru objętości ciała stałego, zawierające sztywną komorę wyposażoną w cylinder z tłokiem połączonym z elementem prowadzącym ułożyskowanym sprężyście w korpusie komory oraz zawierające siłownik elektromagnetyczny oddziałujący na tłok, tworzący wraz z komorą akustyczną oscylator harmoniczny, przy czym uzwojenie siłownika jest połączone poprzez układ elektoniczny z czujnikiem prędkości lub przesunięcia zespołu tłoka, znamienne tym, że element prowadzący tłok (3) stanowi dźwignia (5), która współpracuje z czujnikiem (6) prędkości, którego wyjście połączone jest z pierwszym wejściem miernika (7) kąta fazowego, którego drugie wejście połączone jest z uzwojeniem siłownika elektromagnetycznego (8) i generatorem (9) sygnału elektrycznego, korzystnie sinusoidalnego.
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że nad tłokiem (3) oscylatora znajduje się komora (16) oddzielona od atmosfery otoczenia za pomocą płytki (17) korzystnie piezoelektrycznej o bardzo dużej sztywności, przy czym z komorą (16) współpracuje czujnik (18) ciśnienia zmiennego, korzystnie mikrofon pojemnościowy, którego wyjście połączone jest z wejściem regulatora (19) korzystnie typu PID o wartości zadanej sygnału równej zero, a sygnał wyjściowy regulatora, za pośrednictwem wzmacniacza (20) napięcia i mocy podawany jest do elektrody płytki (17).
3. 3. Urządzenie do pomiaru objętości ciała stałego, zawierające sztywną komorę wyposażoną w cylinder z tłokiem połączonym z elementem prowadzącym ułożyskowanym sprężyście w korpusie komory oraz zawierający siłownik elektromagnetyczny oddziałujący na tłok, tworzący wraz z komorą akustyczną oscylator harmoniczny, przy czym uzwojenie siłownika jest połączone poprzez układ elektroniczny z czujnikiem prędkości lub przesunięcia zespołu tłoka, znamienne tym, że element prowadzący tłoka (3) stanowi dźwignia (5), która współpracuje z czujnikiem prędkości (12), którego wyjście połączone jest z pierwszym wejściem miernika (7) kąta fazowego, którego drugie wejście połączone jest z uzwojeniem siłownika elektromagnetycznego (8) i z diugim czujnikiem (12) prędkości współpracującym z drugą dźwignią (5') stanowiącą element prowadzący drugiego tłoka (3⁷) tworzącego wraz z drugą komorą drugi akustyczny oscylator harmoniczny (11), przy czym na drugi tłok (30 oddziałuje drugi siłownik elektromagnetyczny (8'), który jest połączony z wyjściem układu mnożącego (15), którego pierwsze wejście jest połączone z wyjściem drugiego czujnika (12') prędkości, a drugie wejście jest połączone z wyjściem regulatora (14), którego pierwsze wejście jest połączone poprzez układ (13) pomiaru amplitudy z wyjściem drugiego czujnika (12') prędkości, a na drugie wejście regulatora (14) podany jest sygnał (Vo) zadanej wartości amplitudy drgań.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że nad tłokiem (3,3') oscylatora, znajduje się komora (16) oddzielona od atmosfery otoczenia za pomocą płytki (17) korzystnie piezoelektrycznej o bardzo dużej sztywności, przy czym z komorą (16) współpracuje czujnik (18) ciśnienia zmiennego, korzystnie mikrofon pojemnościowy, którego wyjście połączone jest z wejściem regulatora (19) korzystnie typu PlD o wartości zadanej sygnału równej zero, a sygnał wyjściowy regulatora, za pośrednictwem wzmacniacza (20) napięcia i mocy podawany jest do elektrody płytki (17).