Способ и устройство для измерения объема и определения плотности пористых материалов
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE VOLUME AND DETERMINING THE DENSITY OF POROUS MATERIALS

Изобретение относится к технике измерения объемов и определения плотностей пористых тел произвольной формы, различной влажности, а также фракционного состава и может использоваться во всех областях исследования или применения пористых объектов.
Известен способ определения объема и плотности частиц грунта, включающий помещение пробы грунта в емкость для пробы, соединенную с измерительной емкостью и датчиком давления пневмопроводом с вентилем, закрывание вентиля между измерительной емкостью и емкостью с пробой, установление давления неравновесного с атмосферным в измерительной емкости, открывание крана между измерительной емкостью и емкостью с пробой, уравновешивающего давление в емкостях, снятие показаний датчика давления, вычисление объема частиц по формуле , где  – избыточное давление в емкости объемом ,  – избыточное давление в системе объемом . А плотность частиц грунта находят по формуле  (Патент № 2397474 РФ, МПК G 01 N 9/26. Способ определения объема и плотности частиц грунта и устройство для его осуществления / Кузьмин Г.П., Чжан Р.В., Панин В.Н . № 2009123698/28; Заявл.22.06.2009; Опубл. 20.08.2010; Бюл. № 23).
Недостатком данного способа является необходимость учета и фиксации давления для дальнейших расчетов, что снижает точность измерения объема и определения плотности пористых материалов, а также функционирование пневмосистемы только в режиме избыточного давления.
Известно устройство для определения плотности по результатам измерения объема, состоящее из впускного, перепускного и выпускного кранов, кюветы сравнения, кюветы образца и датчика давления (ГОСТ Р 57844-2017 Композиты. Определение плотности методом замещения – кажущаяся плотность, определенная газовой пикнометрией).
Недостатками данного устройства являются возможность функционирования только в режиме избыточного давления, а также сложность эксплуатации, обусловленная необходимостью проведения многостадийной процедуры калибровки для определения объемов кювет сравнения и образца.
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения объема и определения плотности пористых материалов, предусматривающий взвешивание исследуемого тела, помещение его в сосуд для проб, который последовательно через вентили соединен с аналогичным по объему измерительным сосудом и насосом, создающий изменение давления одновременно в двух сосудах, с последующим перекрытием вентилей и последовательным обратным перепуском воздуха открыванием вентилей сначала в измерительный сосуд до достижения в нем атмосферного давления с одновременным измерением и фиксацией расходомером величины изменения объема воздуха, а затем в сосуд для проб также с измерением и фиксацией расходомером величины изменения объема воздуха, при этом объем тела определяется по формуле , где  – искомый объем тела,  – объем каждого сосуда,  – величина изменения объема воздуха в сосуде для проб,  – величина изменения объема воздуха в измерительном сосуде, плотность исследуемого пористого тела определяется по формуле  (Патент № 2744281 РФ, МПК G01F 17/00, G01N 9/26. Способ измерения объема и определения плотности пористых материалов / Гайнуллин Рен.Х., Цветкова Е.М., Гайнуллин Риш.Х., Федотова А.А., Воронцова В.В. № 2020124266; Заявл. 22.07.2020; Опубл. 04.03.2021; Бюл. № 7).
Недостатком данного способа является необходимость определения объема сосуда  для дальнейших расчетов объема тела и его плотности.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, состоящее из пневмонасоса, соединенного посредством вентиля с измерительной емкостью, которая в свою очередь соединена через перепускной кран с емкостью для проб (Патент № 2397474 РФ, МПК G 01 N 9/26. Способ определения объема и плотности частиц грунта и устройство для его осуществления / Кузьмин Г.П., Чжан Р.В., Панин В.Н . № 2009123698/28; Заявл. 22.06.2009; Опубл. 20.08.2010; Бюл. № 23).
Недостатком данного устройства является необходимость проведения многостадийной процедуры калибровки измерительной емкости и емкости для образца.
Технический результат изобретения является повышение технологичности процедуры измерения объема и определения плотности пористых тел произвольной формы, различной влажности и фракционного состава, а также упрощение используемой для этого конструкции.
Технический результат достигается тем, что способ измерения объема и определения плотности пористых тел, включающий взвешивание исследуемого тела, помещение его в сосуд для проб, который последовательно через вентили соединен с аналогичным по объему измерительным сосудом и пнвмонасосом, создающий изменение давления одновременно в двух сосудах, с последующим перекрытием вентилей и последовательным обратным перепуском воздуха открыванием вентилей сначала в измерительный сосуд до достижения в нем атмосферного давления с одновременным измерением и фиксацией расходомером величины изменения объема воздуха, а затем в сосуд для проб также с измерением и фиксацией расходомером величины изменения объема воздуха, согласно изобретения, объем тела вычисляется по уравнению прямой , полученной путем построения тарировочного графика, по оси абсцисс которого отсчитывается отношение , а по оси ординат – соответствующий этому отношению объем , причем прямая проходит по двум точкам с координатами [1; 0], при выполнении условия равенства объемов измерительного сосуда и сосуда для проб , и [; ] – соответствующая характеристикам эталонного тела,
где  – искомый объем тела,
– коэффициент уравнения прямой,
– величина изменения объема воздуха в сосуде для проб,
– величина изменения объема воздуха в измерительном сосуде, ,  – величины изменения объемов воздуха в сосудах в процессе тарировки,
– объем эталонного тела, плотность исследуемого пористого тела определится по формуле .
Для осуществления способа можно применить устройство, содержащее пневмонасос, соединенный посредством вентиля с измерительной емкостью, которая в свою очередь соединена через перепускной вентиль с емкостью для проб аналогичного объема, а для измерения и регистрации параметров в систему между пневмонасосом и измерительным сосудом дополнительно включен расходомер, причем пневмонасос может создавать в измерительной системе как избыточное давление, так и разрежение.
Предлагаемые способ и устройство для измерения объема и определения плотности пористых тел позволяют повысить технологичность проведения процедуры, а также упростить используемую для этого конструкцию.
В патентной и научно-технической литературе подобных способа и устройства для измерения объема и определения плотности пористых тел не обнаружено.
Вышеизложенные способ и устройство иллюстрируются графически, где на фиг. 1 изображено устройство, реализующее предлагаемый способ для измерения объема и определения плотности пористых тел, а на фиг. 2 – тарировочный график для определения объема исследуемого тела.
Устройство для измерения объема и определения плотности пористых материалов, включающее сосуд для проб 1, который последовательно через вентили 2, 3 соединен с аналогичным по объему измерительным сосудом 4, расходомер 5 и пневмонасос 6, создающий изменение давления, пробы 7.
Согласно предложенным способу и устройству измерение объема и определение плотности пористых тел может осуществляется как в режиме разрежения, так и в режиме избыточного давления.
При работе пневматической системы в режиме разрежения измерение объема и определение плотности пористых тел осуществляется следующим образом.
На первоначальном этапе производят процедуру определения равенства объемов измерительного сосуда 4 и сосуда для проб 1. Для этого включают пневмонасос 6, который в сосудах 1 и 4 создает разрежение величиной , и закрывают перепускной вентиль 3. После закрытия вентиля 2 открывают вентиль 3, в результате чего происходит перепуск воздуха из атмосферы в измерительный сосуд 4 и выравнивание давления с атмосферным. В это время расходомером 5 осуществляют измерение и фиксацию объема  воздуха, перемещающегося из атмосферы в измерительный сосуд 4. В дальнейшем при открытом вентиле 3 открывают вентиль 2 и с использованием расходомера 5 осуществляют измерение и фиксацию объема  воздуха, перемещающегося из атмосферы в сосуд для проб 1 через измерительный сосуд 4. По равенству  судят о равенстве объемов сосудов 1 и 4. В случае невыполнения равенства в тот или иной сосуд помещают балластный объем и добиваются равенства объемов сосудов.
На следующем этапе осуществляют построение тарировочного графика, который характеризуется уравнением прямой. Для этого в сосуд для проб 1 помещают эталонное тело известного объема  и повторяют вышеописанную процедуру измерения величин  и . С учетом постоянства температуры системы, ее состояние в сосудах 1 и 4 при атмосферном давлении  и после удаления части воздуха можно отразить уравнениями, которые подчиняются закону Бойля-Мариотта:
,(1)
,(2)
где  – величина атмосферного давления,
– величина разрежения в сосудах после удаления воздуха,
– объем каждого сосуда,
– объем эталонного тела,
– объем воздуха, удаленный из сосуда для проб,
– объем воздуха, удаленный из измерительного сосуда.
Выражая  из (1) и (2), получим:
,(3)
.(4)
Приравнивая правые части уравнений (3), (4), и, решая относительно эталонного объема тела , получим уравнение для расчета объема эталонного тела:
.(5)
Выражение (5) можно представить в ином виде:
.(6)
Отношение  может изменяться в пределах от 0 (при ) до 1 (при ). Исходя из этих положений, для определения объема исследуемого образца можно использовать график (фиг. 2), по оси абсцисс которого отсчитывается отношение , а по оси ординат – соответствующий этому отношению объем . График строится по двум точкам: первая с координатами [1; 0] при , то есть при , а вторая с координатами [; ] – соответствующая характеристикам эталонного тела. Для удобства данный график для определения объема исследуемого тела можно описать уравнением прямой:
или
,(7)
где  – объем исследуемого тела,
– коэффициент уравнения прямой.
Таким образом, для измерения объема исследуемого образца не потребуется определение величины объема сосуда .
Для измерения объема исследуемого образца осуществляют процедуру аналогичную с эталонным телом с получением значений  и , а затем рассчитывают по выражению (7).
В свою очередь, плотность исследуемого образца после его взвешивания определится по формуле:
.(8)
При работе пневматической системы в режиме избыточного давления измерение объема и определение плотности пористых тел осуществляется следующим образом.
На первоначальном этапе производят процедуру определения равенства объемов измерительного сосуда 4 и сосуда для проб 1. Для этого включают пневмонасос 6, который в сосудах 1 и 4 создает избыточное давление величиной , и закрывают перепускной вентиль 3. После закрытия вентиля 2 открывают вентиль 3, в результате чего происходит перепуск воздуха из измерительного сосуда 4 в атмосферу и выравнивание давления с атмосферным. В это время расходомером 5 осуществляют измерение и фиксацию объема  воздуха, перемещающегося из измерительного сосуда 4 в атмосферу. В дальнейшем при открытом вентиле 3 открывают вентиль 2 и с использованием расходомера 5 осуществляют измерение и фиксацию объема  воздуха, перемещающегося из сосуда для проб 1 через измерительный сосуд 4 в атмосферу. По равенству  судят о равенстве объемов сосудов 1 и 4. В случае невыполнения равенства в тот или иной сосуд помещают балластный объем и добиваются равенства объемов сосудов.
На следующем этапе осуществляют построение тарировочного графика, который характеризуется уравнением прямой. Для этого в сосуд для проб 1 помещают эталонное тело известного объема  и повторяют вышеописанную процедуру измерения величин  и . С учетом постоянства температуры системы, ее состояние в сосудах 1 и 4 при атмосферном давлении  и после создания избыточного давления можно отразить уравнениями, которые починяются закону Бойля-Мариотта:
,(9)
,(10)
где  – величина атмосферного давления,
– величина избыточного давления в сосудах,
– объем каждого сосуда,
–объем эталонного тела,
– объем воздуха, перемещенный из атмосферы в сосуд для проб,
– объем воздуха, перемещенный из атмосферы в измерительный сосуд.
Выражая  из (9) и (10), получим:
,(11)
.(12)
Приравнивая правые части уравнений (11), (12), и, решая относительно эталонного объема тела , получим уравнение для расчета объема эталонного тела:
.(13)
Выражение (13) можно представить в ином виде:
.(14)
Отношение  может изменяться в пределах от 0 (при ) до 1 (при ). Исходя из этих положений, для определения объема исследуемого образца можно использовать график (фиг. 2), по оси абсцисс которого отсчитывается отношение , а по оси ординат – соответствующий этому отношению объем . График строится по двум точкам: первая с координатами [1; 0] при , то есть при , а вторая с координатами [; ] – соответствующая характеристикам эталонного тела. Для удобства данный график для определения объема исследуемого тела можно описать уравнением прямой:
или
,(15)
где  – объем исследуемого тела,
– коэффициент уравнения прямой.
Таким образом, для измерения объема исследуемого образца не потребуется определение величины объема сосуда .
Для измерения объема исследуемого образца осуществляют процедуру аналогичную с эталонным телом с получением значений  и , а затем рассчитывают по выражению (15).
В свою очередь, плотность исследуемого образца после его взвешивания определится по формуле:
.(16)
Использование данного способа позволит повысить технологичность процедуры измерения объема и определения плотности пористых тел произвольной формы, различной влажности и фракционного состава, а также упростить используемое для этого устройство.