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 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 способ измерения объема и определения плотности пористых материалов, предусматривающий 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 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 определяется по формуле , где - искомый объем тела, - объем каждого сосуда, - величина изменения объема воздуха в сосуде для проб, - величина изменения объема воздуха в измерительном сосуде, плотность исследуемого пористого тела определяется по формуле (Патент № 2744281 РФ, МПК G01F 17/00, G01N 9/26. Способ измерения объема и определения плотности пористых материалов / Гайнуллин Рен.Х., Цветкова Е.М., Гайнуллин Риш.Х., Федотова А.А., Воронцова В.В. № 2020124266; Заявл. 22.07.2020; Опубл. 04.03.2021; Бюл. № 7).

Недостатком данного способа является необходимость определения объема сосуда для дальнейших расчетов объема тела и его плотности.

Технический результат - повышение точности измерения объема и определения плотности пористых тел произвольной формы, различной влажности и фракционного состава.

Технический результат достигается тем, что после взвешивания исследуемое тело помещают в сосуд для проб, который последовательно через вентили соединен с аналогичным по объему, снабженным датчиком абсолютного давления, измерительным сосудом и насосом, создающий изменение давления заданной величины последовательно сначала в измерительном сосуде с одновременным измерением и фиксацией расходомером величины изменения объема воздуха, а затем, после перепуска воздуха открыванием вентиля между сосудами, в обоих сосудах одновременно также с измерением и фиксацией расходомером величины изменения объема воздуха, при этом объем тела определится по формуле , где - искомый объем тела, - величина атмосферного давления, - величина изменения давления, - величина изменения объема воздуха в сосуде для проб, - величина изменения объема воздуха в измерительном сосуде; а плотность исследуемого пористого тела определится по формуле .

Предлагаемый способ позволяет измерять объем и определять плотность пористых тел произвольной формы, различной влажности и фракционного состава с большей точностью.

В патентной и научно-технической литературе подобного способа измерения объема и определения плотности пористых тел не обнаружено.

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, снабженным датчиком абсолютного давления 4, измерительным сосудом 5, расходомер 6 и насос 7, создающий изменение давления.

Согласно предложенному способу измерение объема и определение плотности пористых тел может осуществляться при работе пневматической системы в режиме избыточного давления и режиме разрежения.

При работе пневматической системы в режиме избыточного давления измерение объема и определение плотности пористых тел осуществляется следующим образом. Взвешивают образец 8, определяя его массу m. Для измерения объема исследуемого образца его помещают в сосуд для проб 1, при этом вентиль 2 закрыт, вентиль 3 открыт, а в сосудах 1 и 5 установлено атмосферное давление . После этого включают насос 7, который в измерительном сосуде 5 создает заданное избыточное давление величиной , фиксируемое датчиком абсолютного давления 4. Одновременно с этим расходомером 6 осуществляют измерение и фиксацию объема воздуха, перемещающегося из атмосферы в измерительный сосуд 5. Затем закрывают перепускной вентиль 3 и выключают насос 7. После этого открывают вентиль 2, что сопровождается перепуском воздуха между сосудами и установлением некоторого равновесного давления, которое по величине больше атмосферного, но меньше заданного величиной . В дальнейшем при открытом вентиле 2 открывают вентиль 3, исключая перепуск воздуха между атмосферой и сосудами, и включают насос 7, который повышает равновесное давление до величины одновременно в двух сосудах. Параллельно с этим расходомером 6 осуществляют измерение и фиксацию объема воздуха, перемещающегося из атмосферы в оба сосуда (математически и физически значение представляет собой величину объема воздуха, перемещаемого из атмосферы в сосуд для проб до достижения заданного давления ). С учетом постоянства температуры системы, ее состояние в сосудах 1 и 5 при атмосферном давлении и после создания избыточного давления можно отразить уравнениями, которые подчиняются закону Бойля-Мариотта:

где – величина атмосферного давления,

- величина изменения давления,

- объем каждого сосуда,

- искомый объем тела,

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

- объем воздуха, перемещенный из атмосферы в измерительный сосуд.

После математических преобразований выражений (1) и (2), получим:

Левые части выражений (3) и (4) равны, следовательно, приравнивая правые части и решая относительно искомого объема тела , получим уравнение для расчета объема исследуемого тела 8:

Используя измеренные величины , , и можно рассчитать объем исследуемого тела 8, в свою очередь плотность определится по формуле:

При работе пневматической системы в режиме разрежения измерение объема и определение плотности пористых тел осуществляется следующим образом. Взвешивают образец 8, определяя его массу m. Для измерения объема исследуемого образца его помещают в сосуд для проб 1, при этом вентиль 2 закрыт, вентиль 3 открыт, а в сосудах 1 и 5 установлено атмосферное давление . После этого включают насос 7, который в измерительном сосуде 5 создает заданное разрежение величиной , фиксируемое датчиком абсолютного давления 4. Одновременно с этим расходомером 6 осуществляют измерение и фиксацию объема воздуха, перемещающегося из измерительного сосуда 5 в атмосферу. Затем закрывают перепускной вентиль 3 и выключают насос 7. После этого открывают вентиль 2, что сопровождается перепуском воздуха между сосудами и установлением некоторого равновесного давления, которое по величине меньше атмосферного, но больше заданного величиной . В дальнейшем при открытом вентиле 2 открывают вентиль 3, исключая перепуск воздуха между атмосферой и сосудами, и включают насос 7, который понижает равновесное давление до величины одновременно в двух сосудах. Параллельно с этим расходомером 6 осуществляют измерение и фиксацию объема воздуха, перемещающегося из обоих сосудов в атмосферу (математически и физически значение представляет собой величину объема воздуха, перемещаемого из сосуда для проб в атмосферу до достижения заданного давления ). С учетом постоянства температуры системы, ее состояние в сосудах 1 и 5 при атмосферном давлении и после создания разрежения можно отразить уравнениями, которые подчиняются закону Бойля-Мариотта:

где – величина атмосферного давления,

- величина изменения давления,

- объем каждого сосуда,

- искомый объем тела,

- объем воздуха, перемещенный из сосуда для проб в атмосферу,

- объем воздуха, перемещенный из измерительного сосуда в атмосферу.

После математических преобразований выражений (7) и (8), получим:

Левые части выражений (9) и (10) равны, следовательно, приравнивая правые части, и, решая относительно искомого объема тела , получим уравнение для расчета объема исследуемого тела 8:

Используя измеренные величины , , и можно рассчитать объем исследуемого тела 8, в свою очередь плотность определится по формуле: