Результат интеллектуальной деятельности: ТЕРМОСТАТ И ПИКНОМЕТР ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к приборам для исследования плотности жидкостей в широком интервале температур пикнометрическим методом. Оно предназначено для прецизионного определения плотности жидкостей, в том числе жидкостей, представляющих экологическую опасность (токсичные или высокоактивные жидкости с высокой упругостью собственных насыщенных паров, например ртуть и амальгамы, щелочные металлы, кислоты и их растворы и т.п.). Прибор может найти широкое применение в физике, физической и неорганической химии, амальгамной металлургии, лабораториях физико-химического анализа вещества.

Известно значительное число методов, приборов и устройств для изучения плотности жидкостей [1-7], но наиболее прецизионными из них являются пикнометрические методы и устройства, реализующие их. Однако общим недостатком известных пикнометров являются большие трудности, возникающие при попытках решения проблемы одновременного совмещения двух взаимоисключающих требований, предъявляемых к ним - обеспечение высокой точности (прецизионности) измерений плотности жидкостей, с одной стороны, и желание вести при этом измерения в возможно более широкой области температур без потери точности - с другой, поскольку повышение точности измерений плотности пикнометрами действительно возможно только за счет сужения (уменьшения) температурного интервала измерений и наоборот.

Вакуумный пикнометр, описанный в [8], не пригоден для изучения плотности жидкостей, смачивающих материал, из которого изготовляется пикнометр, так как для подобных жидкостей основной узел пикнометра [8] - шлиф-затвор, предназначенный для полной отсечки объема исследуемой жидкости от остальной массы первоначально заправленной в прибор жидкости, перестает выполнять свои функции, т.к. пропускает неконтролируемым образом смачивающую жидкость, например дистиллированную воду, спирты, жидкие рубидий и цезий, растворы щелочных металлов, неорганические жидкости и т.д.

При использовании пикнометра для определения плотности высокоактивных жидких растворов щелочных металлов в широком диапазоне температур, разработанного авторами [9, 10], возникают значительные трудности измерительного характера, т.к. после определения плотности в каждом из малых температурных интервалов требуется производить химическое травление или механическое удаление выдавленной из верхнего штока-капилляра части исследуемой жидкостью (в результате ее теплового расширения), а также взвешивание массы пикнометра с оставшейся после этого исследуемой жидкости. Указанный процесс повторяется после каждого температурного интервала во всей температурной области измерений плотности и связан, вдобавок, с значительной потерей части исследуемого образца, что к тому же представляет значительную экологическую опасность при изучении токсичных и вредных для здоровья жидкостей [10].

Наиболее близким к термостату является вращающийся термостат для физико-химических исследований жидкостей по А.С. №147344 с применением приспособлений для обеспечения вращательно-поступательного перемещения сосуда с испытуемым расплавом, установленный на поворотной и поступательно-перемещающейся рамке, помещенный в поворачивающемся корпусе термостата [11].

Недостатком термостата является вибрация, т.е. не обеспечивается неподвижность измерительной установки, следовательно, не обеспечивается точность измерений.

Наиболее близким к предлагаемому пикнометру является прибор - вакуумный двухкапиллярный пикнометр для изучения температурной зависимости плотности легкоплавких металлических расплавов по патенту РФ на изобретение №2194970 выданный 20.12.2002. Он представляет собой трехкамерный прибор, состоящий из двух верхних бункеров, сообщающихся переливочной трубкой, нижней рабочей камеры известного объема для исследуемой жидкости, соединенных двумя откалиброванными по диаметру параллельными мерными капиллярными трубками. К правому из двух верхних бункеров вакуумно-плотно присоединяется в перпендикулярном к нему положении третий заправочный бункер с исходным образцом в ампуле и бойком для ее вскрытия, а нижний конец правого из мерных капилляров присоединяется к нижней рабочей камере на уровне ее дна.

Недостатками пикнометра являются ограниченный температурный интервал при высокоточных измерениях температурной зависимости плотности жидкостей, сложность конструкции прибора, состоящего из трех отсеков с трубками перелива, необходимость систематического извлечения пикнометра из вращающего воздушного термостата и вращения его по ходу экспериментов, а также отсутствие строгого контроля температуры и ее возможных градиентов непосредственно внутри исследуемых жидких образцов.

В результате перечисленные недостатки при высокоточных измерениях плотности в достаточно широких температурных интервалах приводят к необходимости нескольких перезаправок пикнометра, т.е. полного повторения цикла заправки и термовакуумной обработки пикнометра с исследуемыми жидкостями, которые на практике не могут быть совершенно идентичными и поэтому приводят в целом к потере относительной точности получаемых результатов для всего температурного интервала измерений.

Задачей настоящего изобретения является

- расширение температурного диапазона измерений плотности при одной заправке пикнометра исследуемыми образцами;

- повышение относительной точности получаемых результатов и надежности пикнометрического метода определения плотности;

- исключение экологической опасности при определении плотности токсичных и вредных для здоровья жидкостей;

- упрощение конструкции пикнометра и повышение его надежности и производительности;

- обеспечение статичности пикнометра во время измерений температурной зависимости плотности;

- экономия исследуемого материала.

Сущность изобретения заключается в том, что неподвижный термостат представляет собой длинный стакан с установленным внутри пикнометром, закрепленный неподвижно на вертикальной массивной стойке. Стакан с пикнометром вставляется в широкую трубу-термостат с циркулирующей термостатирующей жидкостью, подаваемой и отводимой через патрубки, которая в свою очередь устанавливается в теплоизолирующую трубу с толстым слоем пористого асбеста и нагревательную цилиндрическую печь. Вся система крепится на платформе.

Двухкапиллярный пикнометр включает заправочный бункер, отградуированные мерные капиллярные трубки и рабочую камеру, состоящую из двух отсеков - верхнего и нижнего. К конусообразному дну верхнего отсека вакуумно-плотно присоединяется система из нескольких последовательно соединенных между собой емкостей малых объемов (~1 см³), а в верхний торец нижнего отсека осесимметрично введена тонкостенная трубочка с термопарами, рабочие спаи которых располагаются соответственно в центре, вблизи противоположных стенок и около дна нижнего отсека с исследуемой жидкостью для прецизионного контроля истинной температуры исследуемой жидкости.

На фиг.1 изображен пикнометр для прецизионных измерений плотности жидкостей в широкой области температур.

На фиг.2 изображен термостат с пикнометром.

Пикнометр включает заправочный бункер 1 и рабочую камеру, состоящую из двух отсеков 2 и 3. Бункер 1 напаян на отсек 2 перпендикулярно к его корпусу. К нижнему конусообразному дну верхнего отсека 2 пикнометра вакуумно-плотно присоединены система из нескольких последовательно соединенных капиллярами 4 малых ~1 см³ емкостей 5, расположенных вертикально, а также две одинаковые, тщательно откалиброванные по внутреннему диаметру, мерные капиллярные трубки 6 и 7 с соответствующими ограничительными метками 8 и 9, указывающие рабочую (мерную) часть их. В рабочую камеру пикнометра, в нижний отсек 3 (расширительный бачок для исследуемой жидкости), осесимметрично введена крестообразная тонкостенная трубочка 10 (канал для четырех термопар), нижние запаянные кончики 11-14 которой находятся соответственно в центре 11, вблизи дна и у двух противоположно расположенных боковых стенок нижнего отсека с исследуемым образцом 15. Отградуированный по стандартной методике [12] пикнометр через трубку 16 несколько выше сечения А-А присоединяется к высоковакуумному откачному посту. При этом заправочный бункер 1 ориентируется вдоль вертикали, а пикнометр в целом - обязательно вдоль горизонтальной плоскости, т.е. пикнометр напаивается для заправки исследуемой жидкостью в положении «лежа». Пикнометр заправляется исследуемой жидкостью через трубку 17 и подвергается непрерывной многочасовой термовакуумной обработке при температуре, на 20-30°C превышающую ожидаемый запланированный (по плану эксперимента) верхний температурный интервал измерений плотности.

Термостат включает стакан 18 длиной 1,4 м, обладающий хорошей теплопроводностью, с установленным внутри пикнометром, закрепляемый специальными хомутиками 19 неподвижно на вертикальной массивной рельсовой стойке (не показана на фиг.2), широкую трубу-термостат 20 с циркулирующей термостатирующей жидкостью 21, подаваемой и отводимой через патрубки 22 и 23 соответственно, широкую толстостенную медную трубу 24 для «сглаживания» температурного поля теплоизолирующей трубы 25 с толстым слоем пористого асбеста, нагревательную цилиндрическую печь 26, платформу 27, на которой крепится вся система, и шток 28 для извлечения пикнометра.

Пикнометр и термостат работают следующим образом. После завершения многочасовой термовакуумной обработки пикнометра с помощью бойка, управляемого внешним электромагнитом, надеваемого на бункер 1 (не показан на фиг.2), вскрывают ампулу с исследуемой жидкостью. При этом жидкий образец стекает вниз и заполняет ориентированный вдоль горизонта верхний отсек 2 и растекается в нем широкой лужей.

После завершения финишной термовакуумной обработки образцов бункер 1 отпаивают от пикнометра по сужению В-В, а пикнометр в целом - от откачного поста (по сужению А-А). После указанных операций жидкий образец переливается из верхнего отсека 2 через правую капиллярную трубку 17 в нижний отсек 3 пикнометра медленным переводом его в вертикальное рабочее положение. Так как все отсеки и емкости пикнометра являются сообщающимися сосудами, то заполнение прибора, в том числе и капиллярных трубок 6 и 7, обычно происходит без затруднений. Но при этом следует отметить, что в процессе заправки нижнего отсека 3 и до его полного заполнения образцом 15 не допускается попадание исследуемой жидкости в капиллярную трубку 4 с малыми емкостями 5.

Поскольку количество заправляемой первоначально в пикнометр исследуемой жидкости (производимой при самой низкой температуре ожидаемого по плану эксперимента температурного диапазона измерений) предварительно определяется с большой точностью и заведомо берется с некоторым избытком для полного заполнения нижнего отсека 3 и двух мерных капиллярных трубок 6 и 7, то оставшаяся часть (избыток) жидкости автоматически стекает в воронкообразное дно верхнего отсека и по капиллярной трубке 4 поступает в самый нижний из малых емкостей. Отпаяв нижнюю емкость с поступившим в нее избытком исследуемой жидкости и взвесив ее до и после удаления жидкости на аналитических весах, с высокой точностью определяется вес оставшейся в пикнометре «рабочей» жидкости, т.е. начальный вес и объем (V₀) исследуемой жидкости, температурную зависимость плотности которой предстоит определить.

Пикнометр после указанных процедур устанавливают внутрь длинной трубы 18 (фиг.2) и закрепляют специальными хомутиками 19 неподвижно на вертикально установленной массивной рельсовой стойке (не показана на фиг.2). С помощью лебедки к стакану 18 с пикнометром в направлении «снизу - вверх» по вертикали подводят и осесимметрично с предыдущей устанавливают широкую трубу-термостат 20 с циркулирующей в ней термостатирующей жидкостью 21 (в нашем случае - не замерзающий при достаточно низких температурах этиловый спирт), подаваемой снизу через патрубок 22 и отводимой через другой патрубок 23 в верхней части этой же трубы.

Для предотвращения тепловых потерь при низкотемпературных измерениях плотности исследуемых жидкостей снизу вверх также подводится и осесимметрично с остальными трубами устанавливается самая внешняя хорошо теплоизолированная толстым слоем пористого асбеста труба 25. При измерениях плотности в области положительных и/или высоких температур внутрь трубы 25 устанавливается высокотемпературная цилиндрическая печь 26 с тонкой регулировкой подаваемой на нее мощностью от стабилизированного источника питания.

Таким образом, в отличие от прототипа, где пикнометр во время измерений плотности находится во вращающемся воздушном термостате, предлагаемый пикнометр эксплуатируется в неподвижном состоянии, что способствует существенному улучшению качества измерений.

В таблице приводятся результаты измерения температурной зависимости плотности чистой ртути, которые подтвердили высокую надежность и точность получаемых с использованием предложенного пикнометра результатов определения плотности токсичных жидкостей с повышенной упругостью собственных насыщенных паров. Отметим, что в области отрицательных температур ранее выполнено лишь небольшое число исследований [13], в которых были получены лишь несколько экспериментальных точек.

Технический результат:

- увеличение в несколько раз температурного диапазона (интервала) измерений плотности с высокой точностью измерений плотности;

- значительное упрощение конструкции пикнометра и его эксплуатации;

- обеспечение равновесных термодинамических условий измерений плотности исследуемых жидкостей в высоком статическом вакууме, без дальнейшего вскрытия пикнометра и нарушения в нем вакуума, в широком температурном диапазоне измерений, что особенно важно при высоких температурах;

- экологическая безопасность пикнометра при определении плотностей токсичных и легковоспламеняющихся жидкостей; так как его содержимое не сообщается с внешней средой и потому не представляет вреда для обслуживающего персонала и окружающей среды;

- получение возможности не только прецизионного контроля истинной температуры исследуемой жидкости, но и возможных температурных градиентов внутри образцов;

- повышение в несколько раз производительности исследовательского труда и значительная экономия высокочистых веществ при прецизионных измерениях температурной зависимости плотности жидкостей в широкой области температур.

Литература

1. Кивилис С.С. Плотномеры. - М.: Энергия, 1980. 280 с.

2. Глазов В.М., Вобст М., Тимошенко В.И. Методы исследования свойств жидких металлов и полупроводников. - М.: Металлургия, 1989. 384 с.

3. Алчагиров Б.Б., Карамурзов Б.С., Таова Т.М., Хоконов Х.Б. Плотность и поверхностные свойства щелочных металлов и легкоплавких металлов. - Нальчик: КБГУ, 2011. 214 с.

4. А.С. (СССР) 1221547. Алчагиров Б.В., Энеев О.М. Устройство для определения плотности и поверхностного натяжения жидких растворов. 1986. Бюл. №12.

5. Алчагиров Б.Б., Карамурзов Б.С., Хоконов Х.Б. Методы и приборы для определения плотности металлов и сплавов. - Нальчик: КБГУ, 2000. 91 с.

6. Алчагиров Б.Б., Дадашев Р.Х. Метод большой капли для определения плотности и поверхностного натяжения металлов и сплавов. - Нальчик: КБГУ, 2000. 94 с.

7. Шпильрайн Э.Э., Якимович К.А., Сковородько С.Н., Мозговой А.Г. Плотность и тепловое расширение жидких щелочных металлов. Обзоры по теплофизическим свойствам веществ. - Москва: ТФЦ, ИВТАН СССР, 1983. 6(44). 94 с.

8. А.С. №754257. Озниев Д.Т., Ибрагимов Х.И. Вакуумный пикнометр. 1980. Бюл. №44.

9. Гольцова Е.И. Плотность лития, натрия и калия до 1500-1600°C // ТВТ. 1966. Т.4. С.360-363.

10. Мозговой А.Г., Рощупкин В.В., Сковородько С.Н., Чернов А.И. и др. Плотность жидких сплавов щелочных металлов: Эксперимент. Обзоры. по теплофизическим свойствам веществ. - Москва: ТФЦ, ИВТАН СССР, 1989. 6(80). 147 с.

11. А.С. №147344. Пугачевич П.П., Бычков В.П. Вращающийся термостат для физико-химических исследований жидкостей. Бюл. №10. 1962. 3 с.

12. Ибрагимов Х.И., Покровский Н.Л., Пугачевич П.П. Вакуумный двухкапиллярный пикнометр для измерения плотности металлических расплавов. // ЖФХ. 1966. Т.40. №4. С.957-959.

13. Вукалович М.П., Иванов А.И., Фокин Л.Р., Яковлев А.Т. Теплофизические свойства ртути. М.: Изд-во стандартов. Серия: Монографии. 1971. №9. 312 с