Способ определения плотности твердых тел и устройство для его осуществления
METHOD FOR DETERMINATION OF DENSITY OF SOLID BODIES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Способ определения плотности твердых тел и устройство для его осуществления относятся к области приборостроения, метрологии и могут быть использованы в металлургической, горнодобывающей, деревообрабатывающей, пищевой промышленности при организации системы учета, хранения, отпуска веществ, где точное измерение плотности имеет существенное значение.
Плотностью вещества называется величина, равная отношению массы тела m и его объема V:
Измерение плотности сводится к измерению массы и объема тела. Масса относится к числу физических величин, значения которых могут быть определены непосредственными измерениями с помощью взвешивания. Напротив, объем тела определяется путем косвенных измерений. В случае образцов правильной геометрической формы объем находим из измерения линейных размеров. При определении плотности вещества образцов неправильной формы (или проб вещества) вычислить объем образца через линейные размеры невозможно.
Известны способы измерения плотности твердых тел неправильной формы, основанные на принципе гидростатического взвешивания, ареометрических методах, механических методах. (Кивилис С.С. Плотномеры. - М.: Энергия, 1980 г).
Недостатками известных способов являются: значительное число необходимых последовательных операций, необходимость привлечения высококвалифицированного обслуживающего персонала, трудность реализации в полевых условиях.
Известен наиболее близкий к предлагаемому пикнометрический способ определения плотности. Пикнометрический способ измерения плотности состоит в следующем.
0
Пикнометр (стеклянный сосуд, объем которого известен с большой точностью), заполняют дистиллированной водой (до метки) и взвешивают. Масса пикнометра с водой М равна
0
где ρ - плотность воды;
p
p
V и m - объем и масса сосуда. Затем взвешивают исследуемый образец. Его масса m равна
где ρ - искомая плотность образца;
V - объем образца.
Затем взвешенный образец погружают в пикнометр с водой.
Затем излишек воды удаляют, чтобы ее уровень снова совпал с меткой на сосуде пикнометра.
Затем определяют массу М пикнометра с водой и образцом
Затем, вычитая (4) из (2) и прибавляя (3), определяют массу вытесненной воды и, определив отсюда объем V, получают выражение для искомой плотности
(https://works.doklad.ru/view/V3AHngEk73s.html) - прототип.
Недостатками прототипа являются: необходимость выполнения значительного числа операций и расчетов; сложность осуществления способа вне лабораторных условий; невозможность использования способа для определения плотности образцов, имеющих плотность ниже плотности дистиллированной воды (или иной жидкости, заливаемой в сосуд пикнометра), так как образец, имеющий положительную плавучесть, вытесняет при погружении объем жидкости меньший, чем собственный объем.
Техническим результатом заявляемого способа является создание нового способа определения плотности твердых тел правильной и неправильной формы, обеспечивающего снижение числа необходимых операций, упрощение расчетов, обеспечение возможности измерения плотности образцов, обладающих как отрицательной, так и положительной плавучестью в жидкости, заливаемой в сосуд измерительного прибора, а также упрощение измерительных операций с обеспечением их выполнения не только в лабораторных, но и в полевых условиях персоналом, не имеющим специальной подготовки.
Технический результат достигается тем, что способ определения плотности твердых тел, включающий определение массы образца или пробы вещества взвешиванием, заполнение сосуда жидкостью, размещение образца или пробы вещества в сосуде, определение объема образца или пробы вещества путем измерения объема жидкости вытесненной образцом или пробой вещества, сосуд разделяют свободно проницаемой для жидкости горизонтальной перегородкой на две полости равного объема, заполняют сосуд жидкостью в объеме половины его емкости, размещают образец или пробу вещества в сухой верхней полости сосуда, герметично закрывают горловину сосуда, поворачивают сосуд на 180° в вертикальной плоскости и определяют объем жидкости, вытесненной образцом или пробой вещества в верхнюю после поворота полость сосуда путем фиксации уровня жидкости в этой полости по показаниям градуированной шкалы.
Изобретение имеет следующие отличия от прототипа:
- сосуд разделяют свободно проницаемой для жидкости горизонтальной перегородкой на две полости равного объема;
- заполняют сосуд жидкостью в объеме половины его емкости;
- размещают образец или пробу вещества в сухой верхней полости сосуда;
- герметично закрывают горловину сосуда;
- поворачивают сосуд на 180° в вертикальной плоскости;
- определяют объем жидкости, вытесненной образцом или пробой вещества в верхнюю после поворота полость сосуда путем фиксации уровня жидкости в этой полости по показаниям градуированной шкалы.
Указанные отличия сводят к минимуму число измерительных операций и упрощают расчеты, так как искомый объем V образца или пробы вещества получают, повернув сосуд с герметично закрытой горловиной на 180°, путем визуальной фиксацией показаний шкалы прибора, определяющей объем жидкости V, вытесненной образцом или пробой вещества. Это позволяет определить плотность ρ образца или пробы вещества известной массы m по одной известной формуле
ρ=m/V.
При этом не имеет значения, какую плавучесть, положительную или отрицательную, имеет образец или проба вещества в жидкости, находящейся в сосуде.
Осуществление способа проводится без дополнительных измерительных инструментов, способ прост в осуществлении, не требует лабораторных условий и участия квалифицированных специалистов.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения и прототипа выявляет наличие отличительных признаков у заявляемого способа по сравнению с наиболее близким аналогом, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
В просмотренном нами патентно-информационном фонде не обнаружено технических решений с указанными отличиями, а также технических решений с указанной совокупностью отличительных признаков.
Предлагаемое техническое решение применимо и будет использовано в металлургической, горнодобывающей, деревообрабатывающей, пищевой промышленности при организации системы учета, хранения, отпуска веществ, где точное измерение плотности имеет существенное значение.
Известны устройства для определения плотности образца или пробы вещества. Это гидростатические и ареометрические весы, коромысловые, пружинные и электромагнитные плотномеры, с помощью которых измеряют объем жидкости, вытесняемой твердым образцом или пробой вещества, а значит и объем образца или пробы вещества, погруженных в жидкость. Зная массу образца или пробы вещества и их объемы, аналитически определяют искомую плотность исследуемого вещества. (Кивилис С.С. Плотномеры. - М.: Энергия, 1980 г).
Общим недостатком известных устройств является необходимость значительного числа измерений, проведение которых на практике возможно только в лабораторных условиях, а так же сложность определения объемов образцов или пробы вещества, плотность которых ниже плотности применяемой в устройстве жидкости. Такие образцы невозможно или сложно полностью погрузить в используемую жидкость только за счет силы их тяжести.
Наиболее близкими устройствами для осуществления предлагаемого способа являются жидкостные объемомеры, выполненные обычно в виде прозрачной цилиндрической емкости, градуированной в единицах объема или длины, с жидкостью, в которой, после взвешивания на весах с необходимой точностью, размещают исследуемые образцы твердого тела или пробу вещества. Объем испытуемого образца или пробы вещества находят по объему вытесненной жидкости внутри сосуда. (Кивилис С.С. Плотномеры. - М.: Энергия, 1980 г. С. 155-156) - прототип.
Недостатком прототипа является сложность определения объема образца или пробы вещества с положительной плавучестью. Их полное погружение в жидкость возможно только с применением толкателя, либо с помощью прикрепленного к образцам дополнительного груза. Это значительно усложняет работу устройства и снижает точность установления величины объема жидкости вытесняемого образцом, а тем более пробой вещества. В последнем случае пробу вещества с положительной плавучестью необходимо размещать в сетчатую упаковку. Исследования образцов с положительной плавучестью возможно осуществить только в лабораторных условиях с привлечением подготовленного персонала.
Результатом заявляемого технического решения для осуществления предлагаемого способа является создание нового универсального устройства, обеспечивающего возможность измерения объемов твердых тел или проб вещества как с отрицательной, так и положительной плавучестью в применяемой жидкости без использования дополнительных приспособлений, предназначенных для обеспечения их полного погружения в жидкость, а также упрощение процесса выполнения необходимых измерений и достижение возможности работы в полевых (вне лабораторных) условиях с привлечением неквалифицированного персонала.
Технический результат достигается тем, что устройство для осуществления предлагаемого способа включает прозрачный цилиндрический вертикальный сосуд с вертикальной градуировкой в единицах объема и размещенную в нем жидкость, станину, при этом сосуд разделен жесткой горизонтальной свободно проницаемой для жидкости перегородкой на две полости равного объема, нижняя из которых заполнена жидкостью в объеме, равном половине емкости сосуда, и оснащен двумя жестко скрепленными с сосудом наружными горизонтальными цилиндрическими пальцами, ось которых проходит через центр тяжести сосуда, а так же геометрически одинаковыми герметичными пробками с фиксаторами вертикального положения сосуда, при этом пальцы размещены с возможностью вращения на вертикальных стойках станины, снабженной уровнем контроля ее горизонтального положения и регулируемыми по высоте ножками. Жидкость, размещаемая в сосуде, может быть подкрашенной или непрозрачной. Станина может быть установлена на весах.
Изобретение имеет следующие отличия от прототипа:
- сосуд разделен жесткой горизонтальной свободно проницаемой для жидкости перегородкой на две полости равного объема;
- нижняя полость сосуда заполнена жидкостью в объеме, равном половине емкости сосуда;
- сосуд оснащен двумя жестко скрепленными с сосудом наружными горизонтальными цилиндрическими пальцами, ось которых проходит через центр тяжести сосуда;
- сосуд снабжен геометрически одинаковыми герметичными пробками с фиксаторами вертикального положения сосуда;
- пальцы размещены с возможностью вращения на вертикальных стойках станины, снабженной уровнем контроля ее горизонтального положения и регулируемыми по высоте ножками;
- жидкость, размещаемая в сосуде, может быть подкрашенной или непрозрачной;
- станина может быть установлена на весах.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения и прототипа выявляет наличие отличительных признаков у заявляемого устройства по сравнению с наиболее близким аналогом, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
В просмотренном нами патентно-информационном фонде не обнаружено технических решений с указанными отличиями, а также технических решений с указанной совокупностью отличительных признаков.
Предлагаемое техническое решение применимо и будет использовано в металлургической, горнодобывающей, деревообрабатывающей, пищевой промышленности при организации системы учета, хранения, отпуска веществ, где точное измерение плотности имеет существенное значение.
Конструкция устройства иллюстрируется следующими материалами:
фиг. 1 - схема устройства перед проведением исследований;
фиг. 2 - то же в период проведения исследований с образцом, обладающим отрицательной плавучестью;
фиг. 3 - то же в период проведения исследований с образцом, обладающим положительной плавучестью;
Устройство для осуществления способа включает прозрачный цилиндрический вертикальный сосуд 1 с жидкостью 2 и исследуемым образцом 3, разделенный на две равные по объему полости жесткой перегородкой 4 с отверстием 5. Сосуд 1 снабжен двумя герметичными геометрически одинаковыми пробками 6 с фиксаторами 7, вертикальной линейкой 8 и жестко скрепленными с сосудом 1 двумя наружными цилиндрическими пальцами 9, ось которых проходит через центр тяжести сосуда 1. Пальцы 9 лежат на опорах вращения 10 вертикальных стоек 11 станины 12, снабженной горизонтальным уровнем 13 и регулируемыми по высоте ножками 14.
Устройство для осуществления способа определения плотности твердых тел работает следующим образом.
Установив устройство на горизонтальной поверхности, добиваются горизонтального положения в пространстве его станины 12 с помощью стандартного горизонтального уровня 13 и регулируемых по высоте ножек 14.
В сосуд 1, вертикально зафиксированный нижним фиксатором 7, со снятой, например, резьбовой верхней герметичной пробкой 6 вливают жидкость 2 в объеме, равном половине емкости сосуда 1. На жесткую перегородку 4 размещают исследуемый образец 3 (или пробу вещества) и герметизируют сосуд 1 пробкой 6, фиг. 1.
Затем поворачивают сосуд 1 в вертикальной плоскости на 180° на цилиндрических пальцах 9, расположенных на опорах вращения 10 вертикальных стоек 11 и фиксируют вертикальное положение сосуда 1 с помощью фиксатора 7 перевернутой вниз верхней пробки 6.
По завершению вращения сосуда 1 жидкость 2 через отверстие 5 в жесткой перегородке 4 перетекает в ту полость сосуда 1, где и размещен исследуемый образец (или проба вещества), фиг. 2.
В этом положении, фиг. 2, в верхней полости сосуда 1 оказывается объем жидкости, вытесненный образцом 3 (или пробой вещества), из противоположной полости сосуда, и, очевидно, равный объему образца (или пробы вещества). Величина этого объема определяется визуально по показаниям шкалы вертикальной линейки 8, градуированной в единицах объема.
Плотность вещества ρ предварительно взвешенного образца 3 с массой m определяется по формуле ρ=m/V, где V - показания шкалы линейки 8.
По окончанию процесса исследования образца (или пробы вещества), устройство, поворотом сосуда 1 на 180°, возвращают в исходное положение, снимают пробку 7, удаляют образец и приступают к очередному исследованию.
На фиг. 1, 2 показана последовательность работы устройства по определению плотности вещества образца 3 с отрицательной плавучестью. Поэтому на фиг. 2 образец лежит на дне нижней полости сосуда 1.
В случае определения плотности образцов с положительной плавучестью образец 3 на фиг. 3 будет плавать в объеме жидкости нижней полости сосуда 1, а точнее - будет прижат выталкивающей силой к нижней плоскости жесткой перегородки 4.
При исследовании проб вещества жесткая перегородка 4 выполняется с одним или большим количеством отверстий для обеспечения свободного перетекания жидкости 2 из одной полости сосуда 1 в его противоположную полость. При этом диаметр отверстий в перегородке 4 должен быть меньше наименьшей из частиц, составляющих пробу вещества.
Условие прохождения оси пальцев 9 через центр тяжести сосуда 1 должно выполняться для обеспечения надежной работы фиксаторов 7. Нижняя герметичная пробка 6, фиг. 1 выполнена съемной для возможности периодической очистки сосуда 1.
Жидкость, используемая в устройстве, может быть непрозрачной или подкрашенной с целью более точной визуальной фиксации ее уровня по отношению к рискам градуировки линейки 8. Жидкость подлежит замене в случае ее загрязнения частицами, отделившимися от образца или пробы вещества в период проведения исследований.
Станина 12 устройства может быть установлена на весах, что позволит осуществлять измерение массы образцов или пробы вещества одновременно с определением их объема.
Определение емкости сосуда 1 с установленной перегородкой 4 для каждого отдельного устройства предлагаемой конструкции осуществляется перед началом его первой эксплуатации с помощью мерной емкости. Габариты устройства зависят от размеров исследуемого образца (или пробы вещества).
Устройство является простым в изготовлении и удобным в эксплуатации, обеспечивает возможность исследования образцов или проб вещества как в лабораторных, так и в полевых условиях.