Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при оценке качества пористых материалов.
Известен способ определения проницаемости пористых материалов (А.С. № 631806, кл. G 01 N 15/08, 1978 г.), основанный на пропускании неразрывного газового потока через анализируемый материал и измерении перепада давления, расхода газа и скорости газа на выходе из материала.
Основным недостатком данного способа является невысокая точность определения проницаемости материалов, так как не учитываются структура и свойства материала.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ измерения газопроницаемости материалов (A.C. № 750346, кл. G 01 N 15/08, 1980 г.).
Согласно этому способу ячейку, разделенную испытуемым образцом на две камеры - рабочую и измерительную, 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 невозможность определения коэффициента пористости материала и возможность контроля только высокопроницаемых материалов.
Задачей, решаемой изобретением, является расширение функциональных возможностей способа путем обеспечения возможности определения пористости материалов и технологических возможностей способа, путем обеспечения возможности контроля труднопроницаемых и легкопроницаемых материалов.
Это достигается тем, что в способе, заключающемся в ваккумировании ячейки, разделенной испытуемым образцом на две камеры (рабочую и измерительную), последующей подаче газа в рабочую камеру и регистрации давления в измерительной камере, подачу газа в рабочую камеру осуществляют за счет соединения ее с атмосферой. Регистрируют температуру и время, в течение которого происходит изменение давления в измерительной камере. Коэффициент проницаемости определяют из формулы
коэффициент пористости из формулы:
где V0 - номинальный объем измерительной камеры;
S - площадь образца, разделяющего камеры;
R0 - газовая постоянная;
T - температура газа в измерительной камере;
Рc, tc - давление и время в измерительной камере при равенстве предыдущего и последующего приращений давления;
Рn, tn - давление во время, tn>tc;
ν - коэффициент кинематической вязкости;
Ра - атмосферное давление;
μ - коэффициент динамической вязкости газа;
l - толщина исследуемого образца.
Введение измерения температура и времени с помощью датчиков температуры и времени в измерительной камере позволяет повысить точность способа и расширить функциональные и технологические возможности, что подтверждается следующим.
Процесс фильтрации газа через твердую пористую среду может быть описан дифференциальным уравнением Лейбензона:
где k - коэффициент проницаемости,
П - коэффициент пористости среды.
Уравнение Лейбензона описывает процесс напорной фильтрации газа через материал, это позволяет использовать его при контроле труднопроницаемых материалов, что расширяет технологические возможности способа.
Введем обозначение:
Преобразуем уравнение (1). Будем иметь:
Решение уравнения (3) определяем при следующих начальных и краевых условиях:
где Ф0, А, B - некоторые постоянные.
Используя оператор Лапласа, перейдем от функции Ф(х, t) к изображению используя соотношение:
где s - оператор Лапласа.
Будем иметь:
При x0=0 и A=0 получим:
где
После обратного преобразования будем иметь:
Обозначив линейный размер в направлении фильтрации через l, будем иметь:
Учитывая, что x текущее (х*)=l-x, Ф(х*, t)=P2(x*, t), В=Р
Масса газа в измерительной камере в момент времени l определится как:
где S - площадь;
ρ - плотность материала.
Значение вычисляется из уравнения Дарси:
Введение уравнения Дарси, описывающего процесс фильтрации газа через пористые материалы, позволяет контролировать легкопроницаемые материалы, что расширяет технологические возможности способа.
При этом текущая масса газа в измерительной камере будет равна:
Давление на входе в измерительную камеру определится как:
где
R0 - газовая постоянная,
T0 - температура газовой среды.
С учетом того, что в начальный момент времени давление в измерительной камере равно нулю, будем иметь:
Учитывая, что где R0T0=const, преобразуем (15) к виду:
Решив совместно уравнения (10) и (16) будем иметь:
Так как сумма ряда равна то уравнение (17) преобразуется к виду:
Введем обозначение:
С учетом этого уравнение (18) запишется как:
Значение пористости при этом определим из уравнения:
что позволило расширить функциональные возможности способа.
Слагаемое
при t>tc достаточно мало и практически не влияет на изменение давления в измерительной камере. Поэтому вместо уравнения (20) с достаточной степенью точности будем иметь приближенное уравнение:
где tn - текущее значение времени, tn>tc.
Коэффициент газопроницаемости k определяется из уравнения:
где ν - коэффициент кинематической вязкости; Рn - давление в измерительной камере в момент времени tn>tc.
На чертеже представлена схема устройства для реализации данного способа.
Устройство содержит ячейку 1, разделяемую испытуемым образцом, помещенным в нее, на рабочую 2 и измерительную 3 камеры. Вентили 4 и 5 соединяют камеры с вакуумным насосом, вентиль 6 соединяет рабочую камеру с атмосферой. На измерительной камере установлены датчик давления 7, датчик температуры 8 и датчик времени 9, выходы которых подключены к ЭВМ 10, осуществляющей определение из уравнений численных значений коэффициентов проницаемости, пористости.
После вакуумирования измерительной и рабочей камер и последующего соединения рабочей камеры 2 с атмосферным воздухом давление в измерительной камере 3 начнет медленно возрастать вследствие проникновения воздуха из рабочей камеры 2 через образец в измерительную 3.
Определение Рc и tc осуществляется следующим образом. Датчик давления 7 регистрирует изменение давления газа в измерительной емкости 3 и подает сигнал на ЭВМ 10. Информация о температуре газа и времени, отсчитываемого с момента соединения рабочей камеры 2 с атмосферой, передается датчиками температуры 8 и времени 9 на ЭВМ 10. ЭВМ 10 по специально разработанной программе осуществляет построение графической зависимости изменения давления газа в измерительной камере 3 с течением времени, определяет численные значения давления Рc и
времени tc, соответствующих переходу от кнудсеновского к ламинарному режиму течения газа, при которых возникает равенство предыдущего и последующего приращения давления в измерительной камере 3, и значения давления Рn и времени tn, где tn>tc, Рn>Pc.
Данные о номинальном объеме измерительной камеры V0, площади S образца, разделяющего камеры, атмосферном давлении Pа, газовой постоянной R0, коэффициенте кинематической вязкости ν, коэффициенте динамической вязкости μ, толщине образца l введены в ЭВМ 10 заранее. Поэтому ЭВМ 9 осуществляет определение коэффициента проницаемости из формулы:
коэффициент пористости из формулы:
где V0 - номинальный объем измерительной камеры;
S - площадь образца, разделяющего 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;
Рn, tn - давление во время, tn>tc;
μ - коэффициент динамической вязкости;
Рa - атмосферное давление;
ν - коэффициент кинематической вязкости;
l - толщина исследуемого образца.
Пример: осуществляли измерение коэффициентов проницаемости, пористости цементостружечной плиты фирмы “Бизон”. Диаметр образца равен 28,50 мм, толщина 15,80 мм. Измерительную и рабочую камеры предварительно вакуумировали до давления 10-2 Па с использованием диффузионного вакуумного насоса. Затем соединяли рабочую камеру с атмосферой. Через 26,25 секунды (tc=26,25 с) ЭВМ 10 зафиксировала Pc=44,01 мм рт. столба. Через 40 секунд (tn=40) Рn=186,23 мм рт. столба и выдал значение k=2,061·10-15 м2, П=34,87%.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТОСТИ МАТЕРИАЛОВ | 2006 |
|
RU2305828C1 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТОСТИ МАТЕРИАЛОВ | 2003 |
|
RU2235308C1 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТОСТИ МАТЕРИАЛОВ | 2004 |
|
RU2275617C2 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТОСТИ МАТЕРИАЛОВ | 1999 |
|
RU2186365C2 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОЙ ПОРИСТОСТИ МАТЕРИАЛОВ | 2003 |
|
RU2244915C1 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОЙ ПОРИСТОСТИ МАТЕРИАЛОВ | 1999 |
|
RU2180743C2 |
Устройство для определения газопроницаемости природных сред | 2023 |
|
RU2821155C1 |
СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОЦЕНКИ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕЗЕРВУАРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА КРИВЫХ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПРИ ИСПЫТАНИИ РАЗРЫВА НАГНЕТАНИЕМ/СБРОСОМ | 2005 |
|
RU2359123C2 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТОВ | 2013 |
|
RU2628032C2 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНИЗОТРОПИИ ПРОНИЦАЕМОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД | 2020 |
|
RU2752913C1 |
Использование: при оценке качества различных пористых материалов. Сущность способа заключается в том, что образец помещают в ячейку, разделяя ее образцом пористого материала на рабочую и измерительную камеры. Камеры вакуумируют. Рабочую камеру соединяют с атмосферой. Регистрируют изменение давления газа, время и температуру в измерительной камере при помощи датчиков давления, температуры, времени. Предложены соотношения для расчета коэффициента проницаемости (k) и пористости (П). Технический результат: расширение функциональных и технологических возможностей способа. 1 ил.
Способ определения газопроницаемости и пористости материалов, согласно которому ячейку, разделенную испытуемым образцом на две камеры (рабочую и измерительную), вакуумируют, подают газ в рабочую камеру и регистрируют изменение давления в измерительной камере, отличающийся тем, что после вакуумирования рабочую камеру соединяют с атмосферой, регистрируют температуру и время, в течение которого происходит изменение давления в измерительной камере, а коэффициенты проницаемости (k) и пористости (П) определяют из соотношений:
коэффициент проницаемости из формулы:
коэффициент пористости из формулы:
где Vo - номинальный объем измерительной камеры;
S - площадь образца, разделяющего камеры;
R0 - газовая постоянная;
μ - коэффициент динамической вязкости;
Рc, tc - давление и время в измерительной камере при равенстве предыдущего и последующего приращений давления;
рn, tn - давление во время, tn>tc;
Pa - атмосферное давление;
Т - температура газа в измерительной камере;
v - коэффициент кинематической вязкости;
l - толщина исследуемого образца.
Способ измерения газопроницаемости материалов | 1979 |
|
SU750346A1 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТОСТИ МАТЕРИАЛОВ | 1999 |
|
RU2186365C2 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОЙ ПОРИСТОСТИ МАТЕРИАЛОВ | 1999 |
|
RU2180743C2 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОНИЦАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1991 |
|
RU2017135C1 |
Способ определения проницаемости пористых материалов | 1976 |
|
SU631806A1 |
Авторы
Даты
2005-02-27—Публикация
2003-07-21—Подача