УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Российский патент 1994 года по МПК G01N9/08 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения плотности твердых тел, и может быть использовано для определения плотности жидкости при известных параметрах образцового твердого тела.

Известно устройство для определения плотности твердых тел, которое содержит корпус с внешним нагревателем, заполняемый жидкостью. Причем температурный коэффициент плотности жидкости выше, чем температурный коэффициент твердого тела, плотность которого определяется [1] .

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, продолжительность процесса измерения.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения плотности твердых тел методом гидростатического взвешивания, содержащее весы и расположенный под ними сосуд с внешним нагревателем. При этом основание весов снабжено двумя жестко закрепленными на нем втулками, коаксиально которым установлены подвижные насадки, перекрывающие отверстия для ввода нитей подвески весов в верхнем торце сосуда, выполненного в виде герметичной камеры с патрубком, соединенным с системой вакуумирования и напуска газов [2] .

Недостатком известного устройства является сложность конструкции, продолжительность процесса измерения, ограниченная точность.

Целью изобретения является повышение точности и сокращение времени измерения за счет взаимодействия электрического и магнитного полей.

Цель достигается за счет того, что устройство для измерения плотности твердого тела методом гидростатического взвешивания содержит весы и сосуд с жидкостью, в которую погружен контролируемый образец, связанный с весами нитями подвески. При этом сосуд заполнен токопроводящей жидкостью и помещен между полюсами источника магнитного поля, а внутри сосуда установлены электроды, причем силовые линии электрического поля, образованного током, протекающим в электролите между электродами, пересечены магнитными силовыми линиями источника магнитного поля. Технический результат - повышение точности измерения - достигается за счет перехода от метода непосредственной оценки, реализованного в известном устройстве, путем последовательных взвешиваний образца в жидкости, к компенсационному методу измерения, в предложенном техническом решении, при котором в результате взаимодействия электрического и магнитного полей образуется объемная электромагнитная сила, посредством которой изменяется результирующая "кажущаяся" плотность проводящей жидкости. Таким образом, изменяя ток в проводящей жидкости, ее "кажущуюся" плотность устанавливают равной измеряемой плотности контролируемого образца. В этом случае весы работают в режиме компаратора и используются не для последовательных взвешиваний контролируемого образца в электролите, а для выявления нулевого значения результирующей сил, приложенных к контролируемому образцу. Снижение погрешности измерения достигается за счет уменьшения диапазона измерения компаратора, вплоть до порога чувствительности весов.

Сокращение продолжительности измерения связано с тем, что изменение компенсационной объемной электромагнитной силы достигается за счет изменения тока в проводящей жидкости путем изменения напряжения, подводимого к электродам, благодаря чему исключается время, необходимое для работы систем вакуумирования и напуска газа, используемых в известном устройстве.

На фиг. 1 представлено устройство, вид спереди; на фиг. 2 - то же, вид слева.

Устройство состоит из установленного на опоре 1 коромысла 2, у которого с одной стороны размещен уравновешивающий груз 3, а с другой - контролируемый образец 4. На соединительной нити 5 закреплен ограничитель 6, ограничивающий максимальное отклонение коромысла 2. Контролируемый образец 4 погружен в токопроводящую жидкость 7, который заполнен сосуд 8 с крышкой 9. В сосуде 8 помещены электроды 10, подключенные посредством проводов 11 через миллиамперметр 12 к источнику 13 тока. Сосуд 8 размещен между полюсами источника 14 магнитного поля. Электроды 10 расположены таким образом, чтобы силовые линии источника 14 магнитного поля в сосуде 8 были пересечены силовыми линиями электрического поля тока, протекающего в электропроводящей жидкости между электродами 10. Угол пересечения выбран близким к 90^о, а плотность распределения электрического и магнитного полей предпочтительно равномерная.

Принцип действия устройства основан на создании компенсирующего воздействия той же природы, что и определяемый параметр (плотность вещества).

При включении электродов 10 посредством соединительных проводов 11 через миллиамперметр 12 к источнику 13 тока в проводящей жидкости 7 с электропроводностью образуется электрический ток, причем вектор плотности тока проводимости = , где - вектор напряженности электрического поля. Причем вектор напряженности электрического поля пересечен вектором магнитной индукции источника 14 магнитного поля. Электромагнитная сила, приходящая на единицу объема проводящей жидкости 7 при взаимодействии электрического и магнитного полей, определяется выражением = x
Вектор = -grad напряженности электрического поля зависит от распределения потенциала электрического поля, определяемого напряжением на зажимах управляемого источника 13 постоянного тока. Таким образом, изменяя напряжение, подводимое к электродам 10, изменяют величину = -grad объемной электромагнитной силы, действующей на единицу объема электропроводящей жидкости 7. Размерность объемной электромагнитной силы и удельного веса γ совпадают:
dim= dim(j)= T= =
dim(γ)= dim(ρ·g)= =
т. е. dim()= dim(γ) Следовательно, изменяя объемную электромагнитную силу изменением подведенного к электродам 10 питающего напряжения управляемого источника 13 тока, изменяют "кажущийся" удельный вес и, соответственно, "кажущуюся" плотность электропроводящей жидкости 7. Когда "кажущаяся" плотность проводящей жидкости 7 достигает значения, равного действительной плотности контролируемого образца 4, силы, приложенные к коромыслу 2, посредством соединительных нитей 5 уравновешиваются.

По величине тока миллиамперметра 12 определяют плотность контролируемого образца 4.

Устройство позволяет реализовать дифференциальные изменения. При измерении отклонения плотности контролируемого образца 4 от плотности проводящей жидкости 7 коромысло 2 предварительно уравновешивают с помощью образцового груза 3 и контрольного образца с известной плотностью вещества, установленного вместо контролируемого образца 4. Затем устанавливают контролируемый образец 4 и, изменением питающего напряжения источника тока 13 осуществляют уравновешивание. По показаниям миллиамперметра определяют отклонение плотности контролируемого образца от контрольного.

Погрешность измерения как при использовании прототипа, так и в заявляемом устройстве определяется выражением Δ= , где К_т - класс точности весов, который для сравнения принимаем одинаковым для прототипа и для заявляемого устройства;
D - диапазон измерения;
D_n - диапазон измерения весов прототипа определяется максимальным весом образца, так как весы в прототипе предназначены для взвешивания контролируемого образца 4 в различных условиях измерения;
D_зу - диапазон отклонения весов заявляемого устройства, используемых в качестве индикатора нулевого значения в состоянии равновесия, зависит от разрешающей способности весов. D_из - диапазон отклонения весов заявляемого устройства на один - два порядка меньше диапазона измерения D_n весов прототипа. Следовательно, погрешность заявляемого устройства Δз_у на один - два порядка меньше погрешности Δ_n прототипа = = = 0,1.

Возможность измерения плотности путем компенсации одноименной величиной позволяет исключить необходимость нескольких измерений в разных условиях, а также позволяет отказаться от длительных и трудоемких операций вакуумирования и напуска газов, что существенно сокращает время измерения. (56) 1. "Измерения в промышленности". Справочник под ред. проф. докт. П. Профоса, М. , 1990, с. 228.

2. Авторское свидетельство СССР N 445884, кл. G 01 N 9/08, 1974.

Использование: исследование анализа материалов путем определения их химических или физических свойств. Сущность изобретения: устройство для определения плотности твердых тел содержит весы и сосуд. В сосуде установлены электроды, и он заполнен токопроводящей жидкостью. Снаружи, параллельно боковым стенкам сосуда, установлены противоположные полюса источника магнитного поля. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, содержащее весы и сосуд для жидкости, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и экспрессности определения, оно содержит источник магнитного поля, сосуд заполнен токопроводящей жидкостью и помещен между полюсами источника магнитного поля, а внутри сосуда установлены электроды, которые расположены так, что силовые линии электрического поля, образованного током в проводящей жидкости между электродами, пересечены магнитными силовыми линиями источника магнитного поля.