PL173415B1

PL173415B1 - Oscillometric volume measuring system

Info

Publication number: PL173415B1
Application number: PL94302898A
Authority: PL
Inventors: Maciej Kozarski; Jerzy Piętka; Alfred Krzyśków; Kamil Credo
Original assignee: Pan
Priority date: 1994-04-06
Filing date: 1994-04-06
Publication date: 1998-03-31
Also published as: PL302898A1

Abstract

1. Oscylometryczny układ do pomiaru objętości, składający się z dwóch obwodów rezonansowych, pomiarowego i odniesienia, dołączonych do układu elektronicznego, przy czym każdy układ rezonansowy składasię z komoryrezonansowej idołączonej do niej rury rezonansowej, a komora rezonansowa w obwodzie pomiarowymstanowikomoręo sztywnychściankach, a ponadto do każdej komory rezonansowej dołączony jest czujnik i przetwornik ciśnienia fali akustycznej na sygnał elektryczny oraz wzbudnik fali m akustycznej, znamiennytym, żewyjście przetwornika (4) ciśnienia fali akustycznej na sygnał elektryczny połączone jest z wejściem bloku elektronicznego steZZ rującggo pracąwzbudnika (3) fali akustycznej, któreoL go wyjście połączone jest z komorą rezonansową (1), SJ' przy czym sygnały elektryczne obu układów rezoIpS nansowych, pomiarowego (I) i odniesienia (II), są podawane do układu mikroprocesorowego (III) obliczającego stosunek okresów drgań obu układów Λ rezonansowych (I, II).1. Oscillometric volume measuring system, consisting of two resonant circuits, the measuring and reference devices attached to the system electronic, each circuit resonant it consists of a resonance chamber and connected to it resonant tube, and a resonant chamber in the circuit is a chamber with rigid walls, and in addition to each resonance chamber a wave pressure sensor and transducer is included acoustic signal to an electric signal and a wave inducer m, characterized by the output of the transducer (4) the pressure of the sound wave to an electrical signal it is connected to the input of the steZZ electronic block of the acoustic wave inducer (3), which is its output is connected to the resonance chamber (1), SJ 'with the electrical signals of both rezoIpS systems financial, measuring (I) and reference (II) are fed to the microprocessor system (III) calculating the ratio of the periods of vibration of both systems Λ resonance (I, II).

Description

Przedmiotem wynalazku jest oscylometryczny układ do pomiaru objętości stałych i zmiennych w czasie, umożliwiający pomiar dowolnych objętości i dowolnych ich zmian, przy czym dotyczy pomiarów zarówno statycznych jak i dynamicznych.The subject of the invention is an oscillometric system for the measurement of constant and variable volumes over time, which enables the measurement of any volumes and any changes thereof, and concerns both static and dynamic measurements.

Układ pomiarowy nadaje się do wykorzystanie zarówno w badaniach laboratoryjnych jako urządzenie stacjonarne jak i we wszystkich innych jako urządzenie przenośne, przy czym znajduje zastosowanie do pomiaru zarówno organizmów żywych, tak zwierząt jak i roślin, jak też ciał stałych o budowie zwartej lub rozłożonej, ciał sypkich, porowatych, płynów, zawiesin, żelów, galaret, mazi i dowolnych innych.The measuring system can be used both in laboratory tests as a stationary device and in all others as a portable device, and it is used to measure both living organisms, such as animals and plants, as well as solids with a compact or distributed structure, loose bodies , porous, liquids, suspensions, gels, jellies, lotions and any other.

Pomiar objętości różnego rodzaju obiektów jest rozwiązywany na różne sposoby. Najbardziej zbliżone ideowo do proponowanego rozwiązania są metod wykorzystujące rezonatory Helmholtza. Rezonator taki stanowi sztywna komora z dołączoną do niej rurą. Gaz znajdujący się w komorze i w rurze jest pobudzany do drgań, a częstotliwość rezonansowa zależy do objętości komory, wymiarów rury rezonansowej i parametrów określających cechy fizyczne gazu.The volume measurement of different types of objects is solved in different ways. Ideally, the methods that use Helmholtz resonators are ideally similar to the proposed solution. Such a resonator is a rigid chamber with a pipe attached to it. The gas in the chamber and in the tube is made to vibrate, and the resonant frequency depends on the volume of the chamber, the dimensions of the resonant tube and the parameters determining the physical characteristics of the gas.

Rozwiązanie techniczne takiego pomiaru może być różne w zależności od przewidywanych zastosowań i wymogów metrologicznych.The technical solution of such a measurement may be different, depending on the intended applications and metrological requirements.

173 415173 415

Z opisu patentowego USA nr 5054316 znane jest urządzenie do pomiaru objętości ciał, zawite rające dwa rezonatory Helmholtza, w których wzbudzane są drgania za pomocą płynowych generatorów akustycznych, najkorzystniej typu gniazdka 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.US Patent No. 5,054,316 discloses a body volume measuring device which comprises two Helmholtz resonators which are vibrated by acoustic fluid generators, most preferably of the compressed air supply type. These resonators are each connected to one chamber, one to the measuring chamber and the other to the reference chamber. The signals from both measuring paths created in this way are subjected to electronic processing resulting in a signal being a measure of the volume.

Dotychczasowe rozwiązania w^:k(^^^:s^^j^ce do pomiaru objętości rezonatory Helmholtza wykazują pewne niedogodności. Należy do nich na przykład ograniczenie możliwości pomiarowych do objętości małych i bardzo małych. Wstawienie do komory ciała mierzonego o większej objętości wymaga bowiem zwiększenia tej komory, zastosowania większej membrany, czyli zwiększenia drgającej masy. Zmniejsza to częstotliwość i pogarsza dobroć układu, a tym samym i dokładność pomiaru. Ponadto dotychczasowe rozwiązania nie umożliwiają pomiaru objętości organizmów żywych oraz zmieniających swoją objętość w okresie życia.The previous solutions in ^: k (^^^: s ^^ j ^ ce for volume measurement, Helmholtz resonators have some disadvantages, such as limiting the measurement possibilities to small and very small volumes. because increasing this chamber, using a larger diaphragm, that is, increasing the vibrating mass, which reduces the frequency and deteriorates the goodness of the system, and thus the accuracy of the measurement.

Zgodnie z wynalazkiem oscylometryczny układ do pomiaru objętości składający się z dwóch układów rezonansowych, pomiarowego i odniesienia, dołączonych do układu elektronicznego, przy czym każdy układ rezonansowy składa się z komory rezonansowej i dołączonej do niej rury rezonansowej, a komora rezonansowa w obwodzie pomiarowym stanowi komorę o sztywnych ściankach, a ponadto do każdej komory rezonansowej doiączonyjest czujnik i przetwornik ciśnienia fali akustycznej na sygnał elektryczny oraz wzbudnik fali akustycznej, wyróżnia się tym, wyjście przetwornika ciśnienia fali akustycznej na sygnał elektryczny połączone jest z wejściem bloku elektronicznego sterującego pracą wzbudnika fali akustycznej, którego wejście połączone jest z komorą rezonansową, przy czym sygnały elektryczne obu układów rezonansowych są podawane do układu mikroprocesorowego obliczajcego stosunek okresów drgań obu układów rezonansowych. W korzystnym rozwiązaniu do rury rezonansowej dołączona jest komora separująca, która połączona jest z otoczeniem za pośrednictwem co najmniej jednego zaworu odcinającego lub opornika pneumatycznego.According to the invention, an oscillometric volume measuring system consisting of two resonant measuring and reference systems connected to an electronic system, each resonant system consisting of a resonance chamber and a resonant tube attached thereto, and the resonant chamber in the measuring circuit is a chamber with rigid walls, and in addition to each resonance chamber, a sensor and a converter of acoustic wave pressure into an electrical signal and an acoustic wave exciter are attached, it is distinguished by the fact that the output of the acoustic wave pressure converter into an electrical signal is connected with the input of the electronic block controlling the operation of the acoustic wave inducer, whose input it is connected to the resonance chamber, with the electric signals of both resonant systems being fed to the microprocessor system calculating the ratio of the vibration periods of both resonance systems. Preferably, a separation chamber is connected to the resonance tube, which is connected to the environment via at least one shut-off valve or a pneumatic resistor.

Komora pomiarowa jest połączona z otoczeniem za pośrednictwem co najmniej jednego zaworu odcinającego.The measuring chamber is connected to the surroundings via at least one shut-off valve.

Ponadto komora pomiarowa połączona jest ewentualnie z pompą lub wentylatorem za pośrednictwem zaworu odcinającego.Furthermore, the measuring chamber is possibly connected to a pump or a fan via a shut-off valve.

Co najmniej jedna ze ścian komory posiadać może co najmniej jeden otwór zamykany przez obiekt mierzony.At least one of the chamber walls may have at least one opening closed by the object to be measured.

Układ od pomiaru objętości według wynalazku zapewnia pomiar quasi-ciągły, bezdotykowy i nieniszczący, a w przypadku organizmów żywych niezakłócający ich procesów życiowych.The volume measurement system according to the invention provides quasi-continuous, non-contact and non-destructive measurement, and in the case of living organisms, does not interfere with their life processes.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania uwidocznionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie podstawowe bloki układu, a fig. 2 przedstawia blokowo jeden z dwóch układów rezonansowych oscylometrycznego układu do pomiaru objętości stałych i zmiennych, połączony z układem elektronicznym.The subject of the invention will be explained in more detail on the embodiment shown in the drawing, in which Fig. 1 shows schematically the basic blocks of the system, and Fig. 2 shows one of the two resonance systems of the oscillometric system for measuring constant and variable volumes connected to the electronic system.

Układ pomiarowy według wynalazku składa się z dwóch układów rezonansowych, pomiarowego I i odniesienia II, podłączonych do układu elektronicznego mikroprocesorowego lub komputera III.The measuring system according to the invention consists of two resonant circuits, measuring I and reference II, connected to a microprocessor electronic circuit or a computer III.

Każdy z układów rezonansowych składa się z komory rezonansowej pomiarowej bądź odniesienia 1 i dołączonej do niej rury rezonansowej 2. Do komory rezonansowej dołączony jest czujnik i przetwornik 4 ciśnienia fali akustycznej na sygnał elektryczny oraz wzbudnik 3 fali akustycznej, obydwa połączone z blokiem elektronicznym 5.Each of the resonance systems consists of a measuring or reference resonance chamber 1 and a resonance tube 2 attached to it. A sensor and a converter 4 of the acoustic wave pressure into an electrical signal are connected to the resonance chamber and an exciter 3 of the acoustic wave, both connected to the electronic block 5.

Do rury rezonansowej dołączona jest komora 6 separująca sygnały akustycznej z otoczenia, zamknięta lub połączona z otoczeniem za pośrednictwem co najmniej jednego zaworu odcinającego 7 lub opornika pneumatycznego. Im ta komora jest większa, tym ma mniejszy wpływ na dokładność pomiarów. Komora pomiarowa 1 również jest połączona z otoczeniem za pośrednictwem co najmniej jednego zaworu odcinającego 8. Ponadto doConnected to the resonance tube is a chamber 6 separating acoustic signals from the environment, closed or connected to the environment via at least one shut-off valve 7 or a pneumatic resistor. The larger this chamber, the less it has an influence on the accuracy of the measurements. The measuring chamber 1 is also in communication with the surroundings via at least one shut-off valve 8. Furthermore, to

173 415 komory pomiarowej dołączony jest zawór odcinający 9, który łączy komorę z pompą 10 lub wentylatorem wymuszającym przewietrzanie komory rezonansowej.173 415 of the measuring chamber, a shut-off valve 9 is connected, which connects the chamber with the pump 10 or a fan forcing the resonance chamber to be ventilated.

Komora pomiarowa stanowić może komorę o sztywnych ściankach, do której wstawia się mierzony obiekt, lub też co najmniej jedna ze ścian komory posiada co najmniej jeden otwór zamykany przez sam obiekt mierzony lub jego część, lub też jest zamykany przez sam obiekt lub jego część wraz z obudową i oprzyrządowaniem. Z takimi przypadkami ma się do czynienia przy pomiarach objętości na przykład części naziemnej rośliny lub ich wybranych organów, gdy otwór w komorze jest zamykany przez doniczkę w której rośnie roślina.The measuring chamber may be a rigid-walled chamber into which the measured object is inserted, or at least one of the chamber walls has at least one opening closed by the measured object itself or a part thereof, or it is closed by the object itself or a part thereof together with housing and instrumentation. This is the case when measuring the volume of, for example, the above-ground part of the plant or its selected organs when the opening in the chamber is closed by the pot in which the plant grows.

Wzbudnik 3 wytwarza falę akustyczną przesyłaną do komory 1. Sygnał akustyczny jest przetwarzany na sygnał elektryczny za pośrednictwem czujnika i przetwornika 4 i jest podawany dalej do bloku elektronicznego 5. Blok ten zawiera regulator amplitudy drgań, układ detekcji rezonansu oraz automatyczny przesuwnik fazowy, który tak zmieni częstotliwość pracy wzbudnika 3, aby dostroić ją do częstotliwości własnej rezonatora Helmholtza, który stanowią komora pomiarowa 1 wraz z rurą 2. jeżeli do komory rezonansowej 1 zostanie wstawiony obiekt, którego objętość należy zmierzyć, to zmieni się objętość przestrzeni, w której rozchodzi się fala akustyczna, a tym samym zmieni się częstotliwość rezonansowa układu. Okres drgań fali akustycznej dla częstotliwości rezonansowej jest mierzonym parametrem sygnału wyjściowego obwodu rezonansowego pomiarowego. Okres ten można określić ze wzoru:The inductor 3 produces an acoustic wave sent to chamber 1. The acoustic signal is converted into an electrical signal via a sensor and transducer 4 and is passed on to the electronic block 5. This block includes a vibration amplitude regulator, a resonance detection system and an automatic phase shifter that will change it. the operating frequency of the inductor 3 to adjust it to the natural frequency of the Helmholtz resonator, which is the measuring chamber 1 together with the pipe 2. if an object is inserted into the resonance chamber 1, the volume of which should be measured, the volume of the space in which the acoustic wave propagates will change and thus the resonant frequency of the system will change. The period of the acoustic wave vibration for the resonant frequency is the measured parameter of the output signal of the measuring resonant circuit. This period can be determined from the formula:

_Tn=2nVra3 _{Tn = 2n} Vra3

A np_a gdzie Tm - okres drgań fali akustycznej, p - gęstość właściwa gazu, 1 - długość rury rezonansowej, A - pole przekroju poprzecznego rury rezonansowej, Vc - objętość komory rezonansowej, V_x - objętość mierzonego obiektu, n - wykładnik politropy, p_a - ciśnienie atmosferyczne.A e.g. _a where Tm - period of acoustic wave vibration, p - specific gas density, 1 - length of the resonant tube, A - cross-sectional area of the resonant tube, Vc - volume of the resonance chamber, V _x - volume of the measured object, n - polytropic exponent, p _a - atmospheric pressure.

W celu wyeliminowania wpływu ciśnienia atmosferycznego na wynik pomiaru, a w przypadku gdy pomiar nie dotyczy organizmów żywych, w celu wyeliminowania również wpływu gęstości właściwej gazu, w układzie pomiarowym jest wykorzystywany obwód rezonansowy odniesienia, którego okres drgań dla częstotliwości rezonansowej wynosi Tr. Wynikiem pomiaru jest wskaźnik TS określony stosunkiem okresów drgań obu obwodów rezonansowych:In order to eliminate the influence of atmospheric pressure on the measurement result, and if the measurement does not concern living organisms, in order to also eliminate the influence of the specific density of the gas, the measuring system uses a reference resonant circuit, the oscillation period of which for the resonance frequency is Tr. The measurement result is the TS index defined by the ratio of the vibration periods of both resonant circuits:

TS = T_m /T_r = K V^VcK..^V* gdzie: K oznacza współczynnik proporcjonalności, tzw. stałą układu pomiarowego, Vr - objętość komory odniesienia.TS = T _m / T _r = KV ^Vc K .. ^V * where: K is the proportionality coefficient, the so-called constant of the measuring system, Vr - reference chamber volume.

Elektroniczny układ mikroprocesorowy lub komputer III mierzy okresy Tm oraz Tr i oblicza wskaźnik TS.The microprocessor electronic system or the III computer measures the periods Tm and Tr and calculates the TS index.

173 415173 415

Fig. 1Fig. 1

mierzonymeasured

Fig. 2Fig. 2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.Publishing Department of the UP RP. Circulation of 90 copies

Cena 2,00 złPrice PLN 2.00

Claims

Patent claims

1. An oscillometric volume measuring system, consisting of two resonant measuring and reference circuits connected to an electronic system, each resonant circuit consisting of a resonance chamber and a resonant tube attached thereto, and the resonant chamber in the measuring circuit being a chamber with rigid walls, and each resonance chamber has a sensor and a converter of acoustic wave pressure into an electrical signal and an acoustic wave inducer, characterized in that the output of the converter (4) of the pressure of the acoustic wave into an electric signal is connected to the input of the electronic unit controlling the work of the inductor ( 3) of an acoustic wave, the output of which is connected to the resonance chamber (1), while the electrical signals of both resonant systems, measuring (I) and reference (II), are fed to the microprocessor system (III) calculating the ratio of the vibration periods of both resonance systems ( I, II).

2. The oscillometric system according to claim 1, The method of claim 1, characterized in that a separation chamber (6) is connected to the resonance tube (2).

3. The oscillometric system according to claim 1, A device according to claim 2, characterized in that the separation chamber (6) is connected to the environment via at least one shut-off valve or a pneumatic resistor (7).

4. The oscillometric system according to claim 1, The method of claim 1, characterized in that the resonance chamber (1) in the measuring circuit (I) is connected to the environment via at least one shut-off valve (8), and the electronic circuit is a microprocessor circuit or a computer (III).

5. The oscillometric system according to claim 1, The method of claim 1, characterized in that the resonant chamber (1) in the measuring circuit is connected to the pump or the fan (10) via a shut-off valve (9).

6. The oscillometric system according to claim 1, The method of claim 1, characterized in that at least one of the walls of the resonance chamber (1) in the measuring circuit has at least one opening closed by the measured object.

* * *