Результат интеллектуальной деятельности: Способ 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 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.

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 р₁ - избыточное давление в емкости объемом V₁, р₂ - избыточное давление в системе объемом (V₁+V₂ - 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.

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_T - искомый объем тела, V_c - объем каждого сосуда, ΔV₁ - величина изменения объема воздуха в сосуде для проб, ΔV₂ - 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.

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_T его помещают в сосуд для проб 1, при этом вентили 2 и 3 открыты, а в сосудах 1 и 4 установлено атмосферное давление Р_атм. После этого включают насос 6, который в сосудах 1 и 4 создает разряжение величиной P₁, 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 ΔV₂ 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 ΔV₁ 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_атм и после удаления части воздуха можно отразить уравнениями, которые починяются закону Бойля-Мариотта:

где Р_атм - величина атмосферного давления,

P₁ - величина разрежения в сосудах после удаления воздуха,

V_c - объем каждого сосуда,

V_T - искомый объем тела,

ΔV₁ - объем воздуха, удаленный из сосуда для проб,

ΔV₂ - объем воздуха, удаленный из измерительного сосуда.

Выражая Р_атм из (1) и (2), получим:

Приравнивая правые части уравнений (3), (4), и, решая относительно искомого объема тела V_T, получим уравнение для расчета объема исследуемого тела 7:

Используя известную величину объема сосуда V_c и измеренные величины ΔV₁ и ΔV₂ можно рассчитать объем исследуемого тела 7, в свою очередь плотность определится по формуле:

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_T его помещают в сосуд для проб 1, при этом вентили 2 и 3 открыты, а в сосудах 1 и 4 установлено атмосферное давление Р_атм. После этого включают насос 6, который в сосудах 1 и 4 создает избыточное давление величиной Р₂, 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 ΔV₂ 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 ΔV₁ 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_атм и после создания избыточного давления можно отразить уравнениями, которые починяются закону Бойля-Мариотта:

где Р_атм - величина атмосферного давления,

Р₂ - величина избыточного давления в сосудах,

V_c - объем каждого сосуда,

V_T - искомый объем тела,

ΔV₁ - объем воздуха, перемещенный из атмосферы в сосуд для проб,

ΔV₂ - объем воздуха, перемещенный из атмосферы в измерительный сосуд.

Выражая Р_атм из (7) и (8), получим:

Приравнивая правые части уравнений (9), (10), и, решая относительно искомого объема тела V_T, получим уравнение для расчета объема исследуемого тела 7:

Используя известную величину объема сосуда V_c и измеренные величины ΔV₁ и ΔV₂ 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.