СПОСОБ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ВЗВЕШИВАНИЯ ТВЁРДЫХ ТЕЛ
METHOD OF HYDROSTATIC WEIGHING OF SOLID-STATE BODY

Изобретение относится к технике гидростатического взвешивания для определения плотности твердых тел, оборудования для его реализации и может быть использовано для определения плотности твердых тел в различных отраслях техники.
Известен способ гидростатического взвешивания тела для определения плотности тела по патенту WO №9324821 (А1)-1993-12-09, который включает погружение тела в бассейн с водой, уравновешивание тела специальными грузами до состояния плавания без погружения или всплытия, определение силы всплытия тела и грузов для достижения гидростатического состояния, определение массы тела и грузов. По полученным данным известный способ расчета позволяет определить плотность тела. Способ низко технологичен, поскольку уравновешивания тела достаточно сложно и требует специального оснащения, а погрешность определения плотности при использовании способа значительна.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ гидростатического взвешивания и набора приспособлений для его реализации по патенту СА №1334107 (G01G 5/00), являющийся развитием способа по патенту WO №9324821, в котором специальные грузы заменены заполняемым водой контейнером. Технологичность способа повышается, однако остается недостаточной, а погрешность определения плотности - значительной.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение технологичности взвешивания и точности определения плотности. Технический результат состоит в простоте взвешивания за счет отсутствия специального оборудования и приспособлений, кроме электронных весов для взвешивания, а также в высокой точности определения плотности, которая, в конечном счете, в случае учета всех факторов, определяющих погрешность, зависит только от точности применяемых для взвешивания весов.
Технический результат достигается тем, что в способе гидростатического взвешивания твердого тела для определения его плотности, включающем определение массы тела, погружение тела в емкость с рабочей жидкостью, уравновешивание тела до достижения гидростатического состояния, определение выталкивающей силы и последующий расчет плотности тела известным способом по отношению его массы к объему, рассчитанному исходя из выталкивающей силы и плотности рабочей жидкости, проводят взвешивание тела на гибкой подвеске, обнуляют показания электронных весов перед погружением тела в емкость с жидкостью, а значение выталкивающей силы определяют по показанию на дисплее весов после погружения тела в емкость с жидкостью (фигура 1).
Повышение технологичности взвешивания достигается упрощением процесса определения выталкивающей силы, которая в данном случае определяется непосредственно по показанию электронных весов 6 после погружения тела 1, подвешенного посредством гибкой подвески 2, в емкость 3 с рабочей жидкостью 4 (фигура 1, положение 2). Гибкая подвеска 2 обеспечивает уравновешивание тела 1 и достижение гидростатического состояния. В качестве гибкой подвески 2 в зависимости от массы тела могут быть использованы нить, леска, шнур, фал или трос. Гибкая подвеска 2 должна надежно выдерживать массу тела 1 при минимальном объеме подвески 2. Тело 1 на гибкой подвеске 2 закрепляется, например, на штативе 5, установленном на весы 6.
В положении 1 (см. фигуру 1) определяется масса G тела 1, после чего показания весов 6 обнуляются.
3
В положении 2 после погружения тела 1 в емкость 2 с рабочей жидкостью 4 посредством гибкой подвески 2 обеспечивается достижение гидростатического состояния. Сила натяжения гибкой подвески 2 уменьшается на величину выталкивающей силы F. При обнулении весов 6 перед погружением тела 1 в емкость 2 с рабочей жидкостью 4 и последующим погружением тела 1 в емкость 2 с рабочей жидкостью 4 на дисплее весов высвечивается значение выталкивающей силы F. В случае использования в качестве рабочей жидкости дистиллированной воды (плотность воды без учета температуры равна 1 г/см) выталкивающая сила тела F по значению соответствует объему тела. Далее известным способом рассчитывается плотность тела.
Точность определения плотности зависит, прежде всего, от точности весов 1. Повышение точности обеспечивается поправками на температуру рабочей жидкости 3 и выталкивающую силу погруженного в рабочую жидкость участка гибкой подвески 5. Погрешность определения плотности уменьшается с увеличением массы и размеров тела.
Способ применим для определения плотности тел неправильной сложной формы и больших размеров.
Пример конкретного применения
3
Гидростатическое взвешивание цилиндрической компактной заготовки из порошкового алюминиевого сплава САС-1 диаметром 118, высотой 152 мм. Взвешивание проводили в водопроводной воде на электронных весах модели CAS ED-6H. Температуру воды измеряли ртутным термометром ГОСТ 9871 с точностью ±0,1°С. Увеличение плотности водопроводной воды по сравнению с дистиллированной считали равным 0,0002 г/см. Заготовку на штативе подвешивали с помощью лески диаметром 0,5 мм.
3
Выталкивающую силу погруженного в воду участка лески длиной 500 мм, объемом ≈0,0985 см, на которой подвешивали заготовку, не учитывали.
После установки на весах штатива показания весов обнуляли и подвешивали на леске заготовку. Масса заготовки, определенная взвешиванием в положении 1 (см. фигуру 1), составила 4469,6 г. После определения массы заготовки показания весов вновь обнуляли.
Показание на дисплее весов после погружения подвешенной заготовки в емкость с водой (см. фигуру 1, положение 2), т.е.значение выталкивающей силы, составило 1667,6 г. При фактической температуре воды 20,2°С и выталкивающей силе
BB
BB
20,2°C
F=γ×V=1667,6 г,
BB
20,2°C
где γ - плотность водопроводной воды при температуре 20,2°С,
BB
V - объем водопроводной воды, вытесненный заготовкой,
3
3
объем вытесненной заготовкой воды составил 1670,307569 см, что соответствует рассчитанной плотности заготовки 2,675914 г/см.
3
Погрешность рассчитанного в данном примере значения плотности заготовки состоит из погрешности двух взвешиваний и выталкивающей силы погруженного в воду участка лески и составляет 0,0006556 г/см (0,0245%).
Пример иллюстрирует возможность применения предлагаемого способа для ускоренного высокотехнологичного упрощенного экспресс-анализа плотности твердого тела значительных габаритов и массы, например, в производственных условиях, с погрешностью не более чем в четвертом знаке после запятой.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет без использования специального и аналитического оборудования обеспечить существенное повышение технологичности взвешивания при высокой точности определения плотности.