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

Способ и устройство для измерения объема и определения плотности пористых материалов
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 по результатам измерения объема в газовом пикнометре, включающий определение массы  сухого образца, помещение образца в камеру, подачу в камеру газа под определенным давлением, перепуск газа в камеру сравнения с точно известным объемом, регистрацию равновесного давления на обоих этапах измерительными приборами, расчет объема образца по формулам ,  в зависимости от типа пикнометра, и плотности по формуле  (ГОСТ Р 57844-2017 Композиты. Определение плотности методом замещения – кажущаяся плотность, определенная газовой пикнометрией).
Недостатками данного способа являются возможность функционирования пневмосистемы только в режиме избыточного давления, а также большая трудоемкость при проведении измерений.
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 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 функционирование пневмосистемы только в режиме избыточного давления.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, состоящее из емкости для образца, соединенной посредством вентиля с измерительной емкостью, снабженной датчиком давления, и которая в свою очередь также с помощью вентиля соединена с компрессором (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, а также невозможность создания избыточного давления или разрежения в каждой емкости по отдельности.
Технический результат - повышение технологичности процедуры и точности измерения объема и определения плотности пористых тел произвольной формы, различной влажности и фракционного состава, а также расширение функциональных возможностей и 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 пробы, соединенный с измерительным сосудом и датчиком давления пневмопроводом с вентилем, закрывание вентиля между измерительным сосудом и сосудом с пробой, установление давления, неравновесного с атмосферным, в измерительном сосуде, открывание крана между измерительным сосудом и сосудом с пробой, уравновешивающего давление в сосудах, снятие показаний датчика давления, вычисление объема частиц, согласно изобретению способ осуществляют последовательным трехкратным перепуском воздуха, первый из которых осуществляют открыванием вентилей между сосудами с фиксацией равновесного давления и вычислением объема тела по формулам:
, ,
где – объем каждого сосуда,
– искомый объем тела,
– величина первоначального изменения давления в сосуде для проб,
– величина равновесного давления в сосудах после первого перепуска,
– величины равновесного давления в сосудах после первого перепуска,
второй перепуск воздуха между одним из сосудов и атмосферой осуществляют до достижения в нем атмосферного давления, причем в другом сосуде сохраняется прежнее равновесное давление, а затем осуществляют повторный перепуск между сосудами с фиксацией равновесного давления и вычислением объема тела по формулам:
, , , ,
где:  – объем каждого сосуда,
– искомый объем тела,
– величина первоначального изменения давления в одном из сосудов,
и  – величины равновесного давления в сосудах после первого перепуска,
, , ,  – величины равновесного давления в сосудах после второго перепуска;
плотность исследуемого пористого тела определяют по формулам:
, , ,
,
где:  - плотность исследуемого пористого тела,
m – масса исследуемого пористого тела,
– объем каждого сосуда,
– искомый объем тела,
– величина первоначального изменения давления в одном из сосудов,
и  – величины равновесного давления в сосудах после первого перепуска,
, , ,  – величины равновесного давления в сосудах после второго перепуска.
Устройство для измерения объема и определения плотности пористых тел состоит из сосуда для образца, соединенного посредством вентиля с измерительным сосудом, снабженным датчиком давления, и который в свою очередь также с помощью вентиля соединен с пневмонасосом, согласно изобретению в конструкцию устройства дополнительно включена монтажная крестовина, к трем концам которой через вентили присоединены аналогичные по объему сосуд для проб и измерительный сосуд, снабженные датчиками давления, и пневмонасос с возможностью создания как избыточного давления, так и разрежения в каждом сосуде по отдельности, а к четвертому концу присоединен перепускной клапан.
Предлагаемые способ и устройство позволяют повысить технологичность процедуры, а также точность измерения объема и определения плотности пористых тел произвольной формы, различной влажности и фракционного состава, а также расширить функциональные возможности и упростить используемое для этого устройство.
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 чертеже изображено устройство, реализующее предлагаемый способ для измерения объема и определения плотности пористых тел, включающее монтажную крестовину 1, к трем концам которой через вентили 2, 3, 4 присоединены аналогичные по объему сосуд для проб 5 и измерительный сосуд 6, снабженные датчиками давления 7, 8, и пневмонасос 9, создающий изменение давления, а к четвертому концу присоединен перепускной клапан 10.
Согласно предложенным способу и устройству измерение объема и определение плотности пористых тел может осуществляться как в режиме разрежения, так и в режиме избыточного давления в четырех возможных вариантах.
1
По первому варианту измерение объема и определение плотности пористых тел осуществляется следующим образом. Взвешивают образец 11, определяя его массу m. Для измерения объема исследуемого образца  его помещают в сосуд для проб 5, при этом вентили 2, 3, 4 открыты, а в сосудах 5 и 6 установлено атмосферное давление. После этого закрывают вентиль 3, включают насос 9, который в сосуде для проб 5 создает первоначальное изменение давления величиной P, регистрируемое датчиком давления 7. После закрытия вентиля 4 открывают вентиль 3, в результате чего происходит первый перепуск воздуха между сосудами 5 и 6 с фиксацией равновесного давления датчиками 7 и 8. С учетом постоянства температуры системы, ее состояние в сосудах 5 и 6 можно отразить уравнением, которое подчиняется закону Бойля-Мариотта:
, (1)
где  – величина первоначального изменения давления в сосуде для проб,
– величина равновесного давления в сосудах после первого перепуска,
– объем каждого сосуда,
– искомый объем тела.
Решая уравнение (1) относительно искомого объема тела , получим:
. (2)
В дальнейшем при открытом вентиле 3 закрывают вентиль 2 и с помощью перепускного клапана 10 осуществляют перепуск воздуха между измерительным сосудом 6 и атмосферой до достижения в нем атмосферного давления, при этом в сосуде для проб 5 сохраняется прежнее равновесное давление . После закрытия перепускного клапана 10 осуществляют второй перепуск воздуха между сосудами 5 и 6 путем открывания вентиля 2. С учетом постоянства температуры системы, ее состояние в сосудах 5 и 6 можно отразить уравнением, которое подчиняется закону Бойля-Мариотта:
, (3)
где  – величина равновесного давления в сосудах после второго перепуска.
Решая уравнение (3) относительно искомого объема тела , получим:
, (4)
а плотность определится из выражения:
. (5)
1
По второму варианту измерение объема и определение плотности пористых тел осуществляется следующим образом. Взвешивают образец 11, определяя его массу m. Для измерения объема исследуемого образца  его помещают в сосуд для проб 5, при этом вентили 2, 3, 4 открыты, а в сосудах 5 и 6 установлено атмосферное давление. После этого закрывают вентиль 3, включают насос 9, который в сосуде для проб 5 создает первоначальное изменение давления величиной P, регистрируемое датчиком давления 7. После закрытия вентиля 4 открывают вентиль 3, в результате чего происходит первый перепуск воздуха между сосудами 5 и 6 с фиксацией равновесного давления датчиками 7 и 8. С учетом постоянства температуры системы, ее состояние в сосудах 5 и 6 можно отразить уравнением, которое подчиняется закону Бойля-Мариотта:
. (6)
Решая уравнение (6) относительно искомого объема тела , получим:
. (7)
В дальнейшем при открытом вентиле 2 закрывают вентиль 3 и с помощью перепускного клапана 10 осуществляют перепуск воздуха между сосудом для проб 5 и атмосферой до достижения в нем атмосферного давления, при этом в измерительном сосуде 6 сохраняется прежнее равновесное давление . После закрытия перепускного клапана 10 осуществляют второй перепуск воздуха между сосудами 5 и 6 путем открывания вентиля 3. С учетом постоянства температуры системы, ее состояние в сосудах 5 и 6 можно отразить уравнением, которое подчиняется закону Бойля-Мариотта:
, (8)
где  – величина равновесного давления в сосудах после второго перепуска.
Решая уравнение (8) относительно искомого объема тела , получим:
, (9)
а плотность определится из выражения:
. (10)
1
По третьему варианту измерение объема и определение плотности пористых тел осуществляется следующим образом. Взвешивают образец 11, определяя его массу m. Для измерения объема исследуемого образца  его помещают в сосуд для проб 5, при этом вентили 2, 3, 4 открыты, а в сосудах 5 и 6 установлено атмосферное давление. После этого закрывают вентиль 2, включают насос 9, который в измерительном сосуде 6 создает первоначальное изменение давления величиной P, регистрируемое датчиком давления 8. После закрытия вентиля 4 открывают вентиль 2, в результате чего происходит первый перепуск воздуха между сосудами 5 и 6 с фиксацией равновесного давления датчиками 7 и 8. С учетом постоянства температуры системы, ее состояние в сосудах 5 и 6 можно отразить уравнением, которое подчиняется закону Бойля-Мариотта:
, (11)
где  – величина равновесного давления в сосудах после первого перепуска.
Решая уравнение (11) относительно искомого объема тела , получим:
. (12)
В дальнейшем при открытом вентиле 2 закрывают вентиль 3 и с помощью перепускного клапана 10 осуществляют перепуск воздуха между сосудом для проб 5 и атмосферой до достижения в нем атмосферного давления, при этом в измерительном сосуде 6 сохраняется прежнее равновесное давление . После закрытия перепускного клапана 10 осуществляют второй перепуск воздуха между сосудами 5 и 6 путем открывания вентиля 3. С учетом постоянства температуры системы, ее состояние в сосудах 5 и 6 можно отразить уравнением, которое подчиняется закону Бойля-Мариотта:
, (13)
где  – величина равновесного давления в сосудах после второго перепуска.
Решая уравнение (13) относительно искомого объема тела , получим:
, (14)
а плотность определится из выражения:
. (15)
1
По четвертому варианту измерение объема и определение плотности пористых тел осуществляется следующим образом. Взвешивают образец 11, определяя его массу m. Для измерения объема исследуемого образца  его помещают в сосуд для проб 5, при этом вентили 2, 3, 4 открыты, а в сосудах 5 и 6 установлено атмосферное давление. После этого закрывают вентиль 2, включают насос 9, который в измерительном сосуде 6 создает первоначальное изменение давления величиной P, регистрируемое датчиком давления 8. После закрытия вентиля 4 открывают вентиль 2, в результате чего происходит первый перепуск воздуха между сосудами 5 и 6 с фиксацией равновесного давления датчиками 7 и 8. С учетом постоянства температуры системы, ее состояние в сосудах 5 и 6 можно отразить уравнением, которое подчиняется закону Бойля-Мариотта:
. (16)
Решая уравнение (16) относительно искомого объема тела , получим:
. (17)
В дальнейшем при открытом вентиле 3 закрывают вентиль 2 и с помощью перепускного клапана 10 осуществляют перепуск воздуха между измерительным сосудом 6 и атмосферой до достижения в нем атмосферного давления, при этом в сосуде для проб 5 сохраняется прежнее равновесное давление . После закрытия перепускного клапана 10 осуществляют второй перепуск воздуха между сосудами 5 и 6 путем открывания вентиля 2. С учетом постоянства температуры системы, ее состояние в сосудах 5 и 6 можно отразить уравнением, которое подчиняется закону Бойля-Мариотта:
, (18)
где  – величина равновесного давления в сосудах после второго перепуска.
Решая уравнение (18) относительно искомого объема тела , получим:
, (19)
а плотность определится из выражения
. (20)
Объем тела, вычисленный по формулам (2), (4), (7), (9), (12), (14), (17), (19), а также плотность, определенная по выражениям (5), (10), (15), (20), не должны различаться на величину большую погрешности измерений. Тем самым осуществляется контроль достоверности измерений и правильности расчетов.
Использование данного способа позволит повысить технологичность процедуры, а также точность измерения объема и определения плотности пористых тел произвольной формы, различной влажности и фракционного состава, а также расширить функциональные возможности и упростить используемое для этого устройство.