СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к пневматическим способам измерения плотности ρ_в твердой фазы гетерогенных систем (сыпучие, волокнистые, тканые и нетканые материалы, пористая фильтрующая керамика, газонаполненные пластмассы (поропласты) и др.), а также твердых тел различной формы, и может найти применение в различных отраслях промышленности.

Известен способ измерения плотности по массе и объему вещества, в котором осуществляют взвешивание пробы вещества, после чего определяют его объем и по их отношению судят о насыпной плотности вещества (Пестов Н.Е. Физико-химические свойства зернистых и порошкообразных химических продуктов. М. - Л.: Изд-во АН СССР, 1947. - С.152). Недостатком такого способа измерения плотности является невозможность определения пикнометрической плотности вещества, а также отсутствие единства процесса измерения.

Известен способ измерения плотности путем измерения массы и объема вещества, позволяющий измерять пикнометрическую плотность вещества (Макаров Ю.И. Аппараты для смешивания сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1973. - 216 с). В таком способе осуществляют взвешивание пробы вещества, после чего определяют его объем путем погружения в сосуд с жидкостью и фиксации объема вытесненной веществом жидкости. После измерения массы m_в и объема V_в вещества определяют плотность ρ_в вещества из отношения ρ_в=m_в/V_в.

Основной недостаток такого способа состоит в том, что он не применим для измерения плотности пористых и сыпучих веществ, не допускающих смачивания в какой-либо жидкости.

Известен способ измерения плотности (Кивилис С.С.Плотномеры. М.: Энергия, 1980. - С.156), состоящий в том, что измерительную емкость с контролируемым веществом заполняют газом и об объеме судят по изменению абсолютного давления в ней, а плотность определяют делением массы на полученный объем.

Недостатком такого способа является отсутствие единого измерительного процесса и влияние изменения атмосферного давления на результат измерения.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения плотности (Патент РФ 2399904, МПК G01N 9/00. Способ измерения плотности./ Мордасов М.М., Мордасов Д.А., Дмитриева А.Р. заявл. 2009119100/28 от 20.05.2009, опубл. 20.09.2010, бюлл. №26), в котором измеряют изменения давлений в измерительной емкости до и после помещения в нее контролируемого вещества при изменении объема измерительной емкости на заданную величину пропорционально массе вещества и по отношению изменений давлений судят о плотности вещества.

Недостатком способа измерения плотности, принятого за прототип, является низкая точность измерения из-за влияния объема измерительной емкости на результат измерений.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения плотности сыпучих веществ и твердых тел различной формы, а также обеспечение оперативности контроля за счет использования единого измерительного процесса.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что в способе измерения плотности путем определения массы контролируемого вещества и помещения его в измерительную емкость, уменьшения ее объема и измерения изменения давлений в измерительной емкости до и после помещения в нее контролируемого вещества при изменении объема измерительной емкости на заданную величину пропорционально массе вещества дополнительно изменяют на фиксированную величину объем измерительной емкости без контролируемого материала, измеряют изменение давления, определяют отношение полученного изменения давления к изменению давлений до и после помещения контролируемого материала в измерительную емкость и о плотности судят по разности этих отношений.

На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего способ измерения плотности.

Устройство содержит емкость 1 с контролируемым веществом 2, к верхней части которой подключены цилиндр 3 с поршнем 4 и измеритель давления 5.

Сущность способа измерения плотности заключается в следующем.

Изменяют объем V₁ герметично закрытой измерительной емкости 1 на величину ΔV_a=const и измеряют изменение давления ΔP_a манометром 5.

После этого емкость 1 соединяют с атмосферой и герметично закрывают. Изменяют объем V₁ измерительной емкости 1 на величину ΔV=km_в, где k - коэффициент пропорциональности, m_в - масса контролируемого вещества, путем перемещения поршня 4 и измеряют изменение давления ΔP₁ манометром 5.

В измерительную емкость 1 объемом V₁ помещают контролируемое вещество 2 с объемом V_в, герметично закрывают измерительную емкость 1 и изменяют ее объем на величину ΔV=km_в.. Затем измеряют изменение давления ΔP.

Определяют отношения давлений ΔP_a/ΔP₁ и ΔP_a/ΔP, по разности значений которых судят о плотности контролируемого вещества 2.

Если газ в герметично закрытой измерительной емкости 1 до помещения в нее контролируемого вещества 2 с начальным давлением P_атм сжать путем перемещения поршня 4 на заданную величину ΔV_a=const, то согласно закону Бойля-Мариотта будет равенство состояний газа в пустой измерительной емкости 1 до и после сжатия, которое можно представить в виде

Откуда

После помещения контролируемого материала измерительную емкость с объемом V₁ и ее герметизации состояние газа будет описываться уравнением Менделеева-Клапейрона в виде

где P_атм - начальное давление в измерительной емкости 1; Q - масса газа в измерительной емкости 1; R - газовая постоянная; T - температура газа в измерительной емкости 1.

После сжатия газа в емкости 1, путем перемещения поршня 4 на величину Δh, объем емкости 1 уменьшится на величину ΔV_в, а начальное давление увеличится на величину ΔP. Состояние газа будет описываться уравнением

При Q, R, Т=const из (3), (4), согласно закону Бойля-Мариотта, получаем

Из уравнения (5) следует

При условии ΔV_в=km_в уравнение (6) примет вид

или

После извлечения контролируемого материала емкость 1 герметизируют и изменяют ее объем V₁ на величину ΔV_в=km_в. Давление в емкости изменится и станет равным

или

Вычитая из (8) уравнение (10) с учетом (2) получим

.

здесь

Преимуществом способа является то, что при реализации метода измерения плотности объем измерительной емкости не оказывает влияния на получаемый результат. Плотность оценивается по результатам измерения массы и объема контролируемого вещества в едином измерительном процессе. Исключено влияние изменения атмосферного давления на результат измерения.