ПИКНОМЕТР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ С ПОВЫШЕННОЙ УПРУГОСТЬЮ СОБСТВЕННЫХ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ Российский патент 2002 года по МПК G01N9/04 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к приборам для исследования плотности жидкостей пикнометрическим методом. Оно предназначено для прецизионного определения плотности жидкостей с повышенной упругостью собственных насыщенных паров (ртуть и амальгамы, щелочные металлы, органические жидкости и т.п.), при исследовании которых существующими приборами и устройствами велика вероятность возникновения труднообнаруживаемых пустот или полостей в объеме жидкости или пристеночных пузырьков.

Прибор может найти широкое применение в физике и физической химии, металлургии легкоплавких металлов и сплавов, лабораториях физико-химического анализа вещества.

Известно большое число методов, приборов и устройств для изучения плотности жидкостей [1-4], но наиболее прецизионными из них являются пикнометрические способы и устройства, реализующие их [4]. Однако общим недостатком известных пикнометров являются большие трудности, возникающие при их заполнении через тонкие капилляры исследуемой жидкостью, большая вероятность появления в объеме образца и пристеночных местах труднообнаруживаемых газовых полостей, существенно снижающих надежность и точность метода. Однокапиллярный вакуумный пикнометр, описанный в [5], не пригоден для изучения плотности жидкостей, смачивающих материал (стекло, кварц), из которого изготовляется пикнометр, так как для подобных жидкостей основной узел пикнометра [5] - 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, жидкий цезий, рубидий, растворы щелочных металлов и т.д.

При использовании однокапиллярных пикнометров, разработанных авторами [6,7] , к проблеме заправки их исследуемыми жидкостями добавляются громоздкость и значительные трудности измерительного характера, т.к. после измерения плотности при каждой температуре требуется производить химическое травление или механическое удаление выдавленной из верхнего штока части исследуемой жидкости в результате ее расширения, а также взвешивание массы пикнометра с оставшейся жидкостью. Указанный процесс повторяется для каждой температуры во всем температурном интервале измерений плотности и связан, вдобавок, со значительной потерей исследуемого материала.

Наиболее близким к предлагаемому является прибор (прототип) - вакуумный двухкапиллярный пикнометр для изучения температурной зависимости плотности легкоплавких металлических расплавов [8]. Он представляет собой цельнопаяный стеклянный прибор, состоящий из двух верхних бункеров, нижней рабочей камеры известного объема для исследуемой жидкости, соединенные двумя откалиброванными по диаметру параллельными мерными капиллярными трубками.

Недостатками этого пикнометра (прототипа) являются прерывистость и турбулентность режима подачи в нижнюю рабочую камеру исследуемой жидкости, значительные трудности обезгаживания не только самой жидкости, но и внутренней поверхности рабочей камеры. По мере повышения температуры исходного образца и расплавления его в верхнем бункере образовавшаяся жидкость сразу же частями быстро стекает вниз с ускорением. Это приводит к разбрызгиванию жидкости, разрывам столба жидкости в узком капилляре по пути к заполняемой нижней рабочей камере. Более того, при этом расплавившаяся часть металла не успевает обезгазиться, так как сразу же стекает в нижнюю рабочую камеру, в которой свободная поверхность жидкости настолько мала, что ее недостаточно для сколько-нибудь эффективного обезгаживания. В результате перечисленные недостатки пикнометра-прототипа приводят к появлению трудно обнаруживаемых газовых полостей и пустот с собственными насыщенными парами в объеме поступившей в рабочую камеру исследуемой жидкости, что в целом значительно снижает преимущества пикнометрического метода. Эти недостатки пикнометра и трудности работы с ним многократно возрастают при определении плотности жидкостей с повышенной упругостью собственных насыщенных паров (ртуть, амальгамы, кадмий, цинк, цезий и другие щелочные металлы и их растворы), что неизбежно сопряжено с потерей надежности и точности измерений плотности.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности и точности пикнометрического метода для определения плотности жидкостей с повышенной упругостью собственных насыщенных паров.

Поставленная цель достигается тем, что к правому из двух вертикальных бункеров вакуумно-плотно присоединяется в перпендикулярном к нему положении третий 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 дна ее.

Пикнометр состоит из бункера 1, внутри которого установлен цилиндрический стакан 2 с открытым дном. Поверх стакана установлена ампула 3 с исходным металлом, нижний конец которой оттянут в виде капилляра. Объем ампулы поделен на два отсека тонкой полусферической перегородкой 4, по одну сторону которой находится исследуемый образец, а по другую - боек 5, представляющий собой металлический стерженек, заключенный в стеклянную оболочку. Бункер 1 напаивается на емкость 6 перпендикулярно к ее корпусу. Емкости 6 и 7 соединены между собой переливочной трубкой 8. К нижним частям емкостей 6 и 7 припаяны две отградуированные по диаметру капиллярные мерные трубки 9 с соответствующими ограничительными метками 10 и 11, указывающие рабочую (мерную) часть их. Рабочая камера 12 пикнометра напаяна к нижним концам мерных капиллярных трубок 9 (фиг.1).

Отградуированный по стандартной методике [8] прибор через трубку несколько выше сечения А-А присоединяется к сверхвысоковакуумному откачному посту. При этом бункер 1 ориентируется вдоль вертикали, а емкость 6 - обязательно вдоль горизонтальной плоскости, так чтобы емкость 6 оказалась под другой емкостью 7. Таким образом, прибор напаивается для заправки исходными металлами в положении "лежа".

Прибор заправляется исследуемой жидкостью и работает следующим образом. Пocлe многочасовой термовакуумной обработки металлов и самого пикнометра с помощью бойка 5, управляемого внешним электромагнитом, вскрывают перегородку 4 ампулы. При этом жидкий образец стекает вниз и заполняет ориентированную вдоль горизонта емкость 6 и поэтому растекается вдоль ее стенок широкой тонкой лужей. Наличие широкой открытой поверхности, граничащей со сверхвысоким вакуумом, значительно облегчает обезгаживание исследуемого образна, способствует удалению возможных газовых пузырьков и т.п. В этом одно из принципиальных отличий конструкции предлагаемого прибора от прототипа, в котором металл из бункера 1, не задерживаясь в емкости 6, сразу же попадает в рабочий объем 12, где условия для термовакуумной обработки сведены к минимуму. Наличие же оттянутого нижнего конца ампулы в виде капилляра 13 предотвращает от попадания в основной прибор стеклянных осколков разбитой перегородки 4 при ее вскрытии.

После завершения финишной термовакуумной обработки образцов бункер 1 отпаивается от баллона 6 по перетяжке В - В, а пикнометр в целом - от откачного поста (по сужению А - А). И только после указанных операций жидкометаллический образец медленно и без толчков, в режиме ламинарного течения, переливается из 6 через правую капиллярную трубку в рабочую камеру 12 пикнометра поворотом прибора против хода стрелки часов на 90^o, т.е. переводя прибор в целом в вертикальное рабочее положение. Так как все емкости пикнометра являются сообщающимися сосудами, то заполнение прибора, в том числе и капиллярных трубок 9, происходит без затруднении, прибор закрепляется на специальной рамке, устанавливается во вращающийся воздушный термостат, позволяющий ориентировать пикнометр в любом положении в пространстве, и производят измерения плотности известным способом [8].

На фиг. 2 приводятся результаты измерения температурной зависимости плотности тройных жидких растворов натрий - калий - цезий, полученные нами с использованием предлагаемого пикнометра в сравнении с литературными данными [9, 10] . Они подтвердили высокую надежность и точность получаемых с использованием предложенного прибора результатов определения плотности жидкостей с повышенной упругостью собственных насыщенных паров.

Предложенный пикнометр обладает рядом преимуществ перед существующими устройствами и приборами подобного назначения:
- он обеспечивает полное обезгаживание и термовакуумную обработку исследуемой жидкости до ее непосредственного попадания в рабочую (расширительную) камеру 12 пикнометра;
- он позволяет непрерывную и медленную подачу жидкости в рабочую камеру в режиме ламинарного течения, исключающем разбрызгивание и образование разрывов столба жидкости в капиллярных трубках;
- новая форма рабочей камеры и конструкция предложенного пикнометра позволяют вести заполнение прибора исследуемой жидкостью в режиме подачи ее "снизу вверх", что исключает возможность захлопывания газовых пузырьков или полостей с собственным насыщенным паром, характерных для жидкостей с повышенной упругостью собственных насыщенных паров;
- легкость и простота определения плотности, а также высокая производительность предложенного пикнометра позволяют вести более детальные исследования температурной зависимости плотности: из фиг.2 видно, что для одного и того же температурного интервала в 100^oC нами получено 40 экспериментальных точек (по 20 значений плотности при повышении и понижении температуры). В то же время в работе [10] - три точки, и те - только при повышении температуры, т. к. используемый автором [10] пикнометр позволяет определять плотность только расширяющейся жидкости.

Таким образом, предложенный нами прибор позволяет повысить надежность и точность определения плотности жидкостей с повышенной упругостью собственных насыщенных паров.

Литература
1. Кивилис С.С. Плотномеры. М.: Энергия, 1980 г., 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.В., Энеев О.М. АС (СССР) 1221547. Устройство для определения плотности и поверхностного натяжения жидких растворов. Бюл. изобр., 12, 1986 г.

4. 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.

5. Озниев Д.Т., Ибрагимов Х.И., А.С.(СССР) 754257. Вакуумный пикнометр. Бюл. изобр. 44 (1980).

6. Гольцова Е.И. Плотность лития, натрия и калия до 1500-1600^oС. -Теплофизика высоких температур. 1966. Т.4. 3, с.360-363.

7. Stone J.P., Ewing C.T., Spann J.R. e.a. - High temperature specific volumes of liquid sodium, potassium, and cesium. - Journ. Eng. Data. 1966. V.11. 3. P.320-322.

8. Ибрагимов Х.Н., Покровский H.Л., Пугачевич П.П.- Вакуумный двухкапиллярный пикнометр для измерения плотности металлических расплавов. // Журн. физич. химии, 1966 г. Т.40. 4, с. 957-959.

9. 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). 147с.

10. Сковородько С.Н. Экспериментальное исследование плотности и вязкости щелочных металлов и их сплавов. Дисс. на соискание уч. степени канд. технич. наук. - Москва: ИВТАН. 1979. -224с.

Использование: для изучения физико-химических свойств жидкостей. Сущность: в устройстве к правому из двух верхних бункеров вакуумно-плотно присоединяется в перпендикулярном к нему положении третий бункер с исходным исследуемым образцом, заключенным в ампулу, и бойком для ее вскрытия, а нижний конец правого из мерных капилляров присоединяется к нижней рабочей камере на уровне ее дна. Технический результат: улучшение условия для термовакуумной обработки, упрощение заполнения рабочей камеры исследуемой жидкостью без образования разрывов столба жидкости в капиллярах и полостей в объеме жидкости, повышение производительности, надежности и точности измерений. 2 ил.

Пикнометр для прецизионного определения плотности жидкостей с повышенной упругостью собственных насыщенных паров, содержащий два верхних бункера, нижнюю рабочую камеру известного объема для исследуемой жидкости, соединенными двумя откалиброванными по диаметру мерными капиллярными трубками, отличающийся тем, что к правому из двух верхних бункеров вакуумно-плотно присоединяется в перпендикулярном к нему положении третий 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.