Способ измерения объема и определения плотности пористых материалов
METHOD FOR MEASURING VOLUME AND DETERMINING 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 плотности пористых тел, в котором для измерения объема используется метод гидростатического взвешивания при изоляции поверхности образца от жидкости путем нанесения защитного покрытия (Патент №2006822 РФ, МПК G01N 9/08. Способ определения плотности пористых тел / Епанчинцев О.Г. №4909500/25; Заявл.11.02.1991; Опубл. 30.01.1994).
К недостаткам данного способа относятся трудоемкая процедура измерений, использование вспомогательных материалов (жидкости, защитного покрытия) и возникновение дополнительной погрешности измерений, обусловленной неконтролируемым объемом защитного слоя.
1
1
2
1
2
Наиболее близким по технической сущности является 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 р - избыточное давление в емкости объемом V,р - избыточное давление в системе объемом (V+V - V). А плотность частиц грунта находят по формуле  (Патент №2397474 РФ, МПК G01N 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.
Технический результат - повышение точности измерения объема и определения плотности пористых тел произвольной формы, различной влажности и фракционного состава.
T
c
1
2
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 насосом, создающий изменение давления одновременно в двух сосудах, с последующим перекрытием вентилей и последовательным обратным перепуском воздуха открыванием вентилей, согласно изобретения, перепуск воздуха осуществляется 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 определится по формуле  где V - искомый объем тела, V - объем каждого сосуда, ΔV - величина изменения объема воздуха в сосуде для проб, ΔV - величина изменения объема воздуха в измерительном сосуде, плотность исследуемого пористого тела определится по формуле  где m - масса исследуемого образца.
Предлагаемый способ позволяет измерять объем и определять плотность пористых тел произвольной формы, различной влажности и фракционного состава с большей точностью.
Вышеизложенный способ иллюстрируется графически, где чертеже изображена пневматическая система, реализующая предлагаемый способ для измерения объема и определения плотности пористых тел, включающая сосуд для проб 1, который последовательно через вентили 2, 3 соединен с аналогичным по объему измерительным сосудом 4, расходомер 5 и насос 6, создающий изменение давления.
Согласно предложенному способу измерение объема и определение плотности пористых тел может осуществляется при работе пневматической системы в режиме разрежения и режиме избыточного давления.
T
атм
1
2
1
атм
При работе пневматической системы в режиме разрежения измерение объема и определение плотности пористых тел осуществляется следующим образом. Взвешивают образец 7, определяя его массу m. Для измерения объема исследуемого образца V его помещают в сосуд для проб 1, при этом вентили 2 и 3 открыты, а в сосудах 1 и 4 установлено атмосферное давление Р. После этого включают насос 6, который в сосудах 1 и 4 создает разряжение величиной P, 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 ΔV 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 ΔV воздуха, перемещающегося из атмосферы в сосуд для проб 1 через измерительный сосуд 4. С учетом постоянства температуры системы, ее состояние в сосудах 1 и 4 при атмосферном давлении Р и после удаления части воздуха можно отразить уравнениями, которые починяются закону Бойля-Мариотта:
атм
где Р - величина атмосферного давления,
1
P - величина разрежения в сосудах после удаления воздуха,
c
V - объем каждого сосуда,
T
V - искомый объем тела,
1
ΔV - объем воздуха, удаленный из сосуда для проб,
2
ΔV - объем воздуха, удаленный из измерительного сосуда.
атм
Выражая Р из (1) и (2), получим:
T
Приравнивая правые части уравнений (3), (4), и, решая относительно искомого объема тела V, получим уравнение для расчета объема исследуемого тела 7:
c
1
2
Используя известную величину объема сосуда V и измеренные величины ΔV и ΔV можно рассчитать объем исследуемого тела 7, в свою очередь плотность определится по формуле:
T
атм
2
2
1
атм
При работе пневматической системы в режиме избыточного давления измерение объема и определение плотности пористых тел осуществляется следующим образом. Взвешивают образец 7, определяя его массу m. Для измерения объема исследуемого образца V его помещают в сосуд для проб 1, при этом вентили 2 и 3 открыты, а в сосудах 1 и 4 установлено атмосферное давление Р. После этого включают насос 6, который в сосудах 1 и 4 создает избыточное давление величиной Р, 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. В это время расходомером 5 осуществляют измерение и фиксацию объема ΔV 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 ΔV воздуха, перемещающегося из сосуда для проб 1 в атмосферу через измерительный сосуд 4. С учетом постоянства температуры системы, ее состояние в сосудах 1 и 4 при атмосферном давлении Р и после создания избыточного давления можно отразить уравнениями, которые починяются закону Бойля-Мариотта:
атм
где Р - величина атмосферного давления,
2
Р - величина избыточного давления в сосудах,
c
V - объем каждого сосуда,
T
V - искомый объем тела,
1
ΔV - объем воздуха, перемещенный из атмосферы в сосуд для проб,
2
ΔV - объем воздуха, перемещенный из атмосферы в измерительный сосуд.
атм
Выражая Р из (7) и (8), получим:
T
Приравнивая правые части уравнений (9), (10), и, решая относительно искомого объема тела V, получим уравнение для расчета объема исследуемого тела 7:
c
1
2
Используя известную величину объема сосуда V и измеренные величины ΔV и ΔV можно рассчитать объем исследуемого тела 7, в свою очередь плотность определится по формуле:
Использование данного способа позволит повысить точность и надежность измерения объема и определения плотности пористых тел произвольной формы, различной влажности и фракционного состава.