СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINATION OF DENSITY OF SOLID MATERIALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения плотности образцов твердых материалов и применяющимся для этого устройствам.
Большинство способов определения плотности образца твердого материала (в дальнейшем «образца») основано на расчете плотности d материала образца по формуле d=P/V, где P - вес образца, V - объем образца. Поскольку определение веса образца обычно не представляет сложности, то основное различие между способами определения плотности образца материала состоит в методе определения объема образца и устройстве, применяемом при этом.
Наиболее просто определяется объем образца правильной геометрической формы. Однако в большинстве случаев, требуется определение плотности образца неправильной формы, и для определения его объема применяют различные способы и устройства.
3
Известен способ определения плотности материала образца путем гидростатического взвешивания (Павлушкин Н.М., Сентюрин Г.Г. Практикум по технологии стекла. Москва: Промстройиздат, 1957 г., с.113). Сущность его состоит в измерении веса образца на воздухе, а затем веса того же образца, когда он, будучи подвешенным на проволоке, погружен в жидкость. Используя эти величины, плотность образца рассчитывается по формуле. Этот способ позволяет осуществлять определение плотности материала образцов значительных размеров и произвольной формы. Однако для реализации этого способа требуются специальные весы и взвешивание проволоки, на которой подвешивается образец, до и после ее погружения в жидкость. Причем необходимо, чтобы плотность материала образца была больше плотности используемой при проведении измерений жидкости (иначе образец будет всплывать на поверхность жидкости). Найти такую жидкость может быть затруднительно и даже невозможно, например, если требуется измерить плотность образца пеностекла с плотностью 0,5 г/см.
Широкое распространение получил пикнометрический способ измерения плотности веществ. Данный способ осуществляется с помощью применения специальных приборов - пикнометров, представляющих из себя стеклянные сосуды специальной формы и определенной вместимости с меткой на стекле узкой горловины, позволяющей фиксировать уровень налитой в пикнометр жидкости.
Прототипом предлагаемого способа выбран известный способ определения плотности материала с помощью приборов пикнометров (Справочник по производству стекла, под ред. Китайгородского И.И., Москва: Госстройздат, 1963 г. с.240). Он предназначен для определения плотности веществ в мелкодисперсном состоянии, например кварцевого песка. Колбу взвешивают только с жидкостью и затем с жидкостью и предварительно насыпанным в нее исследуемым материалом. Уровень жидкости каждый раз один и тот же - до метки на горловине колбы. На основе результатов взвешивания рассчитывают плотность материала. Этот способ прост, точен, но не позволяет определять плотность достаточно крупных образцов, так как это требует более широкой горловины, что затрудняет точное повторение уровня жидкости по метке на горловине и мениску жидкости, который при увеличении внутреннего диаметра горловины перестает быть сферическим и потому трудно сопоставимым с меткой на колбе. Кроме того, этот способ предусматривает, что плотность исследуемого материала должна быть больше плотности используемой жидкости (обычно воды), что не всегда осуществимо.
Прототипом предлагаемого устройства выбран известный пикнометр (Патент РФ №111663, G01N 11/00, приоритет от 03.05.2011), который представляет собой стеклянный сосуд специальной формы, нижняя часть которого выполнена сферической, верхняя часть также выполнена сферической и соединена с вертикальной цилиндрической трубкой, на которой расположена кольцевая горизонтальная метка. Между двух частей пикнометра, разделяющих ее в диаметральной плоскости пополам, размещена перфорированная перегородка с размером отверстий, диаметр которых меньше размера твердых частиц. Верхняя, нижняя части пикнометра и перфорированная перегородка соединены креплением.
В данном устройстве предпринята попытка конструктивно решить проблему измерения образцов материала более легкого, чем используемая при этом жидкость, а также образцов малого размера путем принудительного удержания образца в нижней части сосуда. Однако недостатками данного устройства являются сложность его изготовления и использования из-за наличие большого количества составных частей, а также погрешности в измерениях из-за большой вероятности задержки в сосуде после заливки в него жидкости пузырьков воздуха, например, в местах фиксации перфорированной пластины, а также в самих отверстиях пластины.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение простого способа определения плотности твердых материалов с расширенными возможностями измерения, повышение точности измерений, а также устройства простой конструкции для осуществления предлагаемого способа.
Технический результат достигается тем, что предлагается способ определения плотности твердых материалов, включающий последовательное определение веса сосуда с жидкостью, определение веса образца исследуемого материала, определение веса сосуда с жидкостью и помещенным в жидкость образцом исследуемого материала и математическое вычисление плотности материала по формуле:
о
ж
жо
Где d - плотность образца, P - вес образца, P - вес сосуда с жидкостью, P - вес сосуда с жидкостью и образцом исследуемого материала, при этом для проведения измерений используют сосуд с широкой горловиной, который полностью заполняют жидкостью, после чего сосуд закрывают крышкой, содержащей выступ-утапливатель, который выдавливает избыток жидкости из сосуда, затем полностью удаляют жидкость с внешней стороны сосуда, после чего измеряют вес сосуда с жидкостью, после измерения уровень жидкости в сосуде восполняют, помещают в сосуд образец исследуемого материала, затем закрывают сосуд крышкой, содержащей выступ-утапливатель, за счет этого выдавливая избыток жидкости из сосуда, после чего полностью удаляют жидкость с внешней стороны сосуда и измеряют вес сосуда с жидкостью и образцом исследуемого материала.
В предлагаемом способе определения плотности материала исследуемый образец материала, плотность которого меньше плотности жидкости, помещают в сосуд на поверхность жидкости.
В предлагаемом способе определения плотности материала исследуемый образец материала, плотность которого больше плотности жидкости, помещают на дно сосуда.
Для реализации этого способа измерения плотности твердых материалов предлагается устройство, представляющее из себя сосуд из прозрачного материала, при этом сосуд выполнен с широкой горловиной, торец края горловины сосуда выполнен в виде плоского участка, внешний размер которого больше размера наружной поверхности сосуда, а от наружной поверхности сосуда к краю горловины выполнен плавный переход, устройство дополнительно содержит крышку, на нижней части которой выполнен выступ-утапливатель, при этом внешний размер крышки больше размера горловины сосуда не менее чем на величину зазора между внутренней поверхностью горловины сосуда и выступом-утапливателем крышки, а контактирующие поверхности крышки и горловины сосуда выполнены шлифованными.
Использование предлагаемого способа и устройства для его реализации позволяет:
- повысить точность измерения плотности образца материала, поскольку позволяет надежнее, чем в случае прототипа, фиксировать недопустимое присутствие в жидкости внутри сосуда малейших пузырьков воздуха, которые могут задерживаться в углублениях измеряемого образца неправильной формы и в элементах конструкции самого сосуда. Это достигается возможностью свободно переворачивать закрытый крышкой сосуд в любой плоскости, что в случае прототипа недопустимо, а также тем, что использование предлагаемого способа и устройства для его осуществления гарантирует неизменный объем жидкости при каждом измерении;
- расширить возможности способа определения плотности образца материала благодаря возможности определения плотности материала образца вне зависимости от плотности используемой при измерениях жидкости (если плотность материала больше плотности жидкости, то образец после заполнения жидкостью сосуда располагают на дне сосуда).
- упростить процесс определения плотности образца материала благодаря тому, что отсутствует необходимость контроля точного уровня жидкости в сосуде.
Предлагаемое устройство позволяет определить плотность образца любого твердого материала вне зависимости от плотности жидкости в сосуде (если плотность материала больше плотности жидкости, то образец после заполнения жидкостью сосуда располагают на его дне).
Предлагаемое устройство обладает простотой конструкции и технологичностью изготовления.
Таким образом, отмеченные преимущества в полной мере реализуются как предложенным способом, так и устройством.
Изобретение поясняется чертежами.
B
к
г
к
г
На фиг.1 показано предлагаемое устройство в сборе, где 1 - сосуд цилиндрической формы, 2 - крышка. Торец открытого края горловины сосуда выполнен в виде плоского участка. Между наружным краем горловины сосуда и его наружной поверхностью плавный переход. Крышка содержит выступ-утапливатель и выполнена в виде двух сопряженных цилиндрических элементов - одного меньшего диаметра (выступ-утапливатель), другого большего. Диаметр выступа-утапливателя крышки D меньше внутреннего диаметра сосуда на величину зазора z, что обеспечивает свободное введение крышки в сосуд. Наружный же диаметр крышки D больше наружного диаметра края торца горловины сосуда D не менее чем на величину зазора между крышкой и внутренней поверхностью сосуда, т.е. D≥D+z. Это необходимо для того, чтобы после введения крышки в сосуд и прижатия ее к горловине сосуда плоская поверхность горловины нигде не выступала за пределы поверхности крышки, образуя уступ, из которого трудно удалимы остатки жидкости. Контактирующие же поверхности крышки и торца горловины сосуда шлифованные. Это необходимо для предотвращения смещения крышки относительно сосуда при их взаимном прижатии, а также для обеспечения герметичности.
На фиг.2 показано предлагаемое устройство для определения плотности твердых материалов, заполненное жидкостью и с помещенным внутрь измеряемым образцом, где 1 - сосуд, 2 - крышка, содержащая выступ-утапливатель, 3 - образец материала, 4 - жидкость.
Предлагаемый способ определения плотности материала образца осуществляется следующим образом.
Образец 3 взвешивают на весах. Сосуд 1 полностью заполняют жидкостью 4, затем закрывают сосуд 1 крышкой 2 до ее плотного прижатия к горловине сосуда, при этом выступ-утапливатель крышки 2 вытесняет часть жидкости 4 наружу, затем полностью удаляют следы жидкости 4 с внешних поверхностей сосуда 1 и крышки 2, после чего сосуд 1 с жидкостью 4 взвешивают. После этого крышку 2 снимают, в сосуд 1 доливают жидкость 4 до верхнего края и помещают измеряемый образец материала 3, который в зависимости от его плотности либо остается на поверхности жидкости 4, либо опускается на дно сосуда 1. Снова закрывают сосуд 1 крышкой 2 до ее плотного прижатия ее к горловине сосуда 1 (теперь жидкость занимает строго тот же объем, что и при предыдущем взвешивании без образца). При этом образец 3 полностью погружается в жидкость 4, а избыток жидкости 4 выжимается из сосуда 1. Оставшаяся в сосуде 1 жидкость 4 занимает строго определенное пространство между образцом 3, стенками сосуда 1 и крышкой 2. Указанное соотношение размеров крышки и сосуда обуславливает свободное введение крышки в сосуд, а шлифованные плоские поверхности крышки и горловины обеспечивает их взаимную неподвижность при прижатии друг к другу. С поверхности устройства удаляют малейшие следы жидкости, после чего устройство со всем содержимым взвешивают на весах.
Используя полученные значения веса образца, веса устройства с жидкостью и образцом и с жидкостью без образца, рассчитывают плотность образца по приведенной выше формуле.
Поскольку при заливке жидкости в сосуд капли жидкости могут оказаться на внешней поверхности сосуда, то тщательное удаление с поверхности сосуда следов жидкости перед каждым взвешиванием сосуда чрезвычайно важно. Плавный переход от наружной поверхности сосуда к торцу его горловины и соотношение размеров контактирующих поверхностей крышки и сосуда, при которых шлифованная поверхность сосуда не выступает за пределы шлифованной поверхности крышки, обеспечивает качественное удаление следов жидкости с поверхности сосуда и крышки.
Пример осуществления предлагаемого изобретения.
г
в
к
ж
о
жо
ж
3
Использован сосуд цилиндрической формы, фиг.1. Наружный диаметр сосуда 54 мм; внутренний D=51 мм и диаметр торца горловины 55,5 мм; у крышки диаметры поверхности, контактирующей с торцом горловины, D=50 мм, D=72 мм. Образец - сваренная порция пеностекла. Жидкость - вода (принято d=1 г/см). Плотность материала образца меньше плотности жидкости. Взвешиванием на лабораторных технических весах определяют вес образца P=15,2 г. В сосуд наливают дистиллированную воду до края, с избытком. Образец помещают на поверхность жидкости в сосуде. На сосуд опускают крышку. При этом образец погружается в жидкость, а избыток воды вытекает за пределы сосуда. Удерживая крышку и сосуд во взаимно прижатом состоянии, ветошью удаляют малейшие видимые следы жидкости с внешней поверхности сосуда, в частности в области перехода от сосуда к крышке. Плавность перехода от внешней цилиндрической поверхности сосуда к его горловине позволяет это выполнить. Устанавливают сосуд с жидкостью и образцом на весы и определяют его вес P=192,97 г. Снимают сосуд с весов, снимают крышку, удаляют из сосуда образец и жидкость. Снова заливают в сосуд жидкость до края, с избытком. Опускают на сосуд крышку. Так же, как и при взвешивании сосуда с образцом и жидкостью, удерживая сосуд и крышку во взаимно прижатом состоянии, удаляют следы жидкости и определяют вес сосуда только с жидкостью P=199,37 г. Рассчитывают плотность образца по формуле
Таким образом, предложенный способ определения плотности материала образца и устройство для его осуществления позволяет в сравнении с прототипом повысить точность измерения и упростить конструкцию, а также расширить возможности способа, позволяя производить измерение плотности образца вне зависимости от плотности используемой жидкости, а также устранить ограничения размеров образца диаметром его горловины.