Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТОСТИ МАТЕРИАЛОВ
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТОСТИ МАТЕРИАЛОВ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: при оценке качества различных пористых материалов. Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей способа. Сущность: образец помещают в ячейку, разделяя ее на рабочую и измерительную камеры. Камеры вакуумируют. Рабочую камеру соединяют с атмосферой. Регистрируют температуру и приращение давления в измерительной камере за определенный промежуток времени. Сравнивают каждое последующее приращение с предыдущим и фиксируют время и соответствующее этому времени давление, когда они окажутся равны. Предложены соотношения для расчета коэффициента фильтрации (Кф), проницаемости (К0), диффузии (D) и растворимости (константа Генри - КГ). 1 з.п.ф-лы, 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2186365
Класс(ы) патента: G01N15/08
Номер заявки: 99120869/28
Дата подачи заявки: 29.09.1999
Дата публикации: 27.07.2002
Заявитель(и): Ковровская государственная технологическая академия
Автор(ы): Можегов Н.А.; Житников Ю.З.; Матросова Ю.Н.
Патентообладатель(и): Ковровская государственная технологическая академия
Описание изобретения: Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при оценке качества материалов, например бетонов и бетонных конструкций.
Известен способ определения коэффициента диффузии (А.с. 652473, кл G 01 N 15/00, 1979 г. ) заключающийся в том, что измеряют скорость диффузного потока газа через образец и по ней рассчитывают искомый коэффициент диффузии.
Основным недостатком данного способа является невысокая точность определения коэффициента диффузии. Диффузионные потоки настолько малы, что измерить скорость диффузионного потока через образец с высокой точностью не представляется возможным. Поэтому погрешность измерения коэффициента диффузии будет очень высока.
Известен способ для определения коэффициента фильтрации (А.с. 1056001 А, кл G 01 N 15/08, 1983 г.), заключающийся в измерении напорного градиента, найденного через отрывающее усилие механического штампа, приведенного к площади механического штампа. Данный способ имеет недостаточно высокую точность измерения вследствие необходимости применения сложных механических систем, погрешность которых достаточно велика.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ измерения газопроницаемости материалов (А.с. 750346, кл G 01 N 15/08, 1980 г.).
Согласно этому способу ячейку, состоящую из двух камер - рабочей и измерительной и разделенную испытуемым образцом, вакуумируют, затем подают газ в рабочую камеру и изолируют рабочую камеру от системы подачи. После этого регистрируют изменение давления в рабочей и измерительной камере и по величине этих изменений судят о величине коэффициента проницаемости.
Недостатком данного способа является то, что способ не позволяет измерить другие параметры пористости материалов, а именно коэффициенты фильтрации, диффузии и растворимости газа.
Целью изобретения является расширение его функциональных возможностей.
Поставленная цель достигается тем, что в способе, заключающемся в вакуумировании ячейки, разделенной испытуемым образцом на две камеры (рабочую и измерительную), последующей подаче газа в рабочую камеру и регистрации изменения давления, регистрируют температуру и приращение давления в измерительной емкости за определенный промежуток времени и осуществляют сравнение каждого приращения давления с предыдущим приращением, фиксируют время при котором величина последующего приращения давления окажется равной предыдущему приращению и измеряют величину давления в измерительной емкости за фиксированное время, определяя коэффициент фильтрации из формулы:

Коэффициент проницаемости из формулы:

Коэффициент диффузии из формулы:
D=l2/6tc.
Коэффициент растворимости (константа Генри):

здесь Vn - номинальный объем измерительной емкости;
М - молярная масса газа;
F - площадь образца, разделяющей камеры;
R0 - газовая постоянная;
Т - температура газа в измерительной камере;
Pc, tc - давление и время в измерительной камере при равенстве предыдущего и последующего приращений давления;
Pn, tn - давление во время tn>tc;
l - толщина исследуемого образца.
Подачу газа в рабочую камеру осуществляют за счет соединения ее с атмосферой.
Основными уравнениями, характеризующими процесс проникновения воздуха через образец являются:
уравнение Дарси

уравнение Фика для стационарного потока
q = D▿ρ (2)
и нестационарного потока

где ρ - плотность газа;
q - поток газа в единицу времени через единицу площади;
Кф - коэффициент фильтрации;
l - линейный размер в направлении фильтрации;
ΔP - перепад давления в материале;
D - константа диффузии;
▿ρ - градиент концентрации газа в исследуемом материале.
Так как давление газа Рn в вакуумированной измерительной камере в течение опыта остается очень небольшим по сравнению с атмосферным давлением на поверхности материала со стороны рабочей камеры, принимаем его нулевым, а ΔP = Pa.
Граничное условие ρa на поверхности материала
ρa = KгPa (4)
Для решения уравнений (1), (2), (3) в данных граничных условиях добавим уравнение

здесь Vn - номинальный объем вакуумированной измерительной камеры;
М - молярная масса газа;
F - площадь исследуемого материала в направлении фильтрации;
R0 - газовая постоянная;
В указанных граничных условиях решение уравнения (3) наиболее удобно представить в форме ряда Фурье. Полученное уравнение после совместного решения с уравнениями (1) и (2) ведет к результату:

Как видно из уравнения (6), после достаточного промежутка времени приращение dPn/dt в измерительной камере достигнет постоянного значения, равного:

Сравнение уравнений (7), (1), (2) показывает, что произведение DKГф. Осуществив такую замену, получим уравнение для определения коэффициента фильтрации

Далее, используя взаимосвязь между коэффициентом фильтрации Кф и коэффициентом проницаемости К0, данную Нуттингом, получим:

здесь υ коэффициент кинематической вязкости, м2/с. Из уравнения следует, что размерность коэффициента проницаемости К0 - [м2], что соответствует стандарту.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить, кроме коэффициента проницаемости, еще и коэффициенты фильтрации, диффузии, растворимости газа.
Проинтегрировав уравнение (6) по времени от начала отсчета (t=0) до времени t, получим уравнение, характеризующее изменение давления в измерительной камере в течение опыта.

Член 12/6D в этом уравнении появляется при суммировании ряда на нижнем пределе интегрирования.
Из уравнения (10), так же как и из уравнения (6), видно, что при достаточном времени экспоненциальные члены становятся незначительно малыми и давление Рn в предварительно вакуумированной измерительной камере становится линейным во времени.
При этом уравнение (10) упрощается:

где tc= l2/6D и Рc есть мера времени и давления, необходимых, чтобы установился постоянный поток.
На чертеже представлена схема устройства для реализации данного способа.
Устройство содержит ячейку, разделенную испытуемым образцом, помещенным в нее, на рабочую (слева) и измерительную (справа) камеры. Вентили 1 и 2 соединяют камеры с вакуумным насосом, вентиль 3 соединяет рабочую камеру с атмосферой. На измерительной камере установлен датчик 4 давления, датчик 5 измерения приращения давления, один выход которого соединен с запоминающим устройством 6, а второй выход вместе с выходом запоминающего устройства 6 с блоком 7 сравнения. Выход блока сравнения подключен ко входу коммутатора 8. Первый и второй выходы коммутатора 8 подключены к запоминающим устройствам давления 9 и времени 11, подключенным к выходам датчика давления 4 и времени 10. Датчики времени 10 и температуры 13 также установлены на измерительной емкости. Выходы датчика 13 температуры и запоминающих устройств давления 9 и времени 11 подключены к микропроцессору, осуществляющему определение из уравнений численных значений коэффициентов фильтрации, проницаемости, диффузии и растворимости.
После вакуумирования измерительной и рабочей камер и последующего соединения рабочей камеры с атмосферным воздухом давление в измерительной камере начнет медленно возрастать, вследствие проникновения воздуха из рабочей камеры через образец в измерительную.
Определение Рc и tc осуществляется следующим образом. Датчик 5 измерения приращения давления за определенный промежуток времени регистрирует данное приращение и передает его запоминающему устройству 6. Когда датчик 5 зарегистрирует приращение давления за следующий промежуток времени, блок 7 сравнения сравнит этот результат с предыдущим, находящимся в памяти запоминающего устройства 6.
Как видно из уравнений (10) и (11), в начальный период времени эти приращения не будут равны и блок сравнения зарегистрирует, что последующее приращение давления больше предыдущего.
Из уравнений (10) и (11) видно, в момент времени tc приращения давления уравняются и в дальнейшем будут равными.
В этом случае блок 7 сравнения зарегистрирует равенство приращений давления в измерительной камере в момент времени c и даст сигнал на коммутатор 8, который включит запоминающее устройство 9 датчика 4 давления и запоминающее устройство 11 датчика 10 времени. Запоминающие устройства 9 и 11 зафиксируют численные значения давления Рс и времени tc и передадут эти данные на вход микропроцессора 12. В самом начале опыта на вход микропроцессора 12 было уже передано с датчика температуры 13 численное значение температуры в измерительной камере.
Следующее приращение давления в измерительной камере устройства снова окажется равным предыдущему. Поэтому снова блок 7 сравнения даст сигнал коммутатору 8, а коммутатор 8 даст сигнал запоминающему устройству 9 датчика 4 давления и запоминающему устройству 11 датчика 10 времени и последние зафиксируют значение давления Рn и времени tn, где tn>tc, Рn>Ps. После этого запоминающие устройства 9 и 11 передадут эти данные на вход микропроцессора 12.
Так как временный интервал приращения давления в измерительной камере очень мал, то коммутатор 8 можно построить таким образом, чтобы сигнал о регистрации запоминающими устройствами 9 и 11 давления Pn и времени tn был осуществлен через более длительный промежуток времени. Для этой цели в коммутатор может быть встроено реле времени и сигнал запоминающим устройствам 9 и 11 о запоминании Рn и tn и передаче значений Рn и tn микропроцессору 12 пойдет с задержкой времени.
Данные о номинальном объеме измерительной камеры Vn, молярной массе газа М, площади F образца, разделяющего камеры, атмосферного давления Рa, газовой постоянной R0, коэффициенте кинематической вязкости толщине образца l введены в микропроцессор заранее. Поэтому микропроцессор 12 осуществляет определение коэффициента фильтрации из формулы:

коэффициента проницаемости из формулы:

коэффициента диффузии из формулы:
D=l2/6tc
коэффициента растворимости (константа Генри) из формулы:

Пример: осуществляли измерение коэффициентов фильтрации, проницаемости, диффузии и растворимости образца серийной плиты ДСтП марки П1 с облицовкой в виде термопластичного полимера. Диаметр образца равен 30 мм, толщина 11,3 мм. Измерительную и рабочую камеры предварительно вакуумировали до давления 10-2 Па с использованием диффузионного вакуумного насоса. Затем соединяли рабочую камеру с атмосферой. Через 28,26 с (tс=28,26 с) микропроцессор 12 зафиксировал Рс= 0,75 мм рт. столба. Через 40 с (tn=40 с) Рn=1,26 мм рт. столба и выдал значение Кф=1,708•10-11 с, К0=2,714•10-6 м2, D=7,601•10-7 м2/с. КГ=1,982•10-5 с22.
Формула изобретения: 1. Способ определения параметров пористости материалов, согласно которому ячейку, состоящую из двух камер (рабочей и измерительной), разделенных испытуемым образцом вакуумируют, затем подают газ в рабочую камеру и регистрируют изменение давления в измерительной камере, отличающийся тем, что регистрируют температуру и приращение давления в измерительной камере за определенный промежуток времени и осуществляют сравнение каждого приращения давления с предыдущим приращением, фиксируют время, при котором величина последующего приращения давления окажется равной предыдущему приращению, измеряют величину давления в измерительной емкости за фиксированное время, а коэффициенты фильтрации (КФ), проницаемости (К0), диффузии (D) и растворимости (константа Генри - КГ) определяют из соотношений


D= l2/6tc;

где Vn - номинальный объем измерительной емкости;
М - молярная масса газа;
F - площадь образца, разделяющего камеры;
R0 - газовая постоянная;
Т - температура газа в измерительной камере;
Рс - давление в измерительной камере при равенстве предыдущего и последующего приращений давления;
Ра - атмосферное давление;
υ - коэффициент кинематической вязкости, м2/с;
tс - время в измерительной камере при равенстве предыдущего и последующего приращений давления;
Рn - давление во время tn, где tn>tc;
l - толщина исследуемого образца.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу газа в рабочую камеру осуществляют за счет соединения ее с атмосферой.