Способ определения пористости материала Советский патент 1993 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к исследованию физических характеристик твердых тел, преимущественно пористых горных пород,

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения пористости материала, включающий измерение в одной поршневой камере общего объема материала путем определения изменения уровня сыпучего заполнителя, находящегося в камере, и объема твердой фазы путем определения изменения объема камеры при создании в ней заданного избыточного давления газа в отсутствие образца и при его наличии в камере. Если производится измерение сначала в пустой камере, а затем в образцом, то величина объема твердой фазы образца определяется исходя из закона Бойля-Мариот- та по следующей формуле:

VT.4. Vo- AV(1+), (1)

где VT.J. - объем твердой фазы образца;

Vo - объем воздуха, заключенный в полости камеры без образца;

Ро - барометрическое давление;

ДР - избыточное давление, создаваемое при изменении объема камеры, на которое настроен датчик давления;

Д V - изменение объема камеры, соответствующее появлению избыточного давления АР.

Из формулы следует, что для определения искомой величины необходимо знание барометрического давления и температуры, с изменением которой будет происходить и изменение А V, необходимое для создания избыточного давления АР.

Величина общего объема образца определяется по разности уровня сыпучего заСО

о

N о

ICO

полнителя в пустой камере и при наличии в ней образца.

Значение объема находят по формуле

VB н. - Vo - V06p,(2) где VB н - общий объем образца;

VQ- объем камеры, заключенный между зеркалом сыпучего заполнителя и верхней ограничивающей поверхностью камеры, при измерении в пустой камере;

Уобр-объем камеры, заключенный меж- ду зеркалом сыпучего заполнителя и верхней ограничивающей поверхностью, при измерении образца.

Зная общий объем образца и объем его твердой фазы, вычисляют коэффициент по- ристости (Кп):

.О)

При устранении недостатков способов раздельного определения общего объема и твердой фазы данному способу присуща невысокая точность по причинам, характерным и для аналогов: влияние барометрического давления, температуры, требования к высокой точности и постоян- ству параметров эталона. Существенные ошибки обнаруживаются при измерении одновременно группы образцов, например частиц шлама. Они определяются в основном

составляющей погрешности от измерения

внешнего объема и обусловлены неадекватной структурой укладки сыпучего заполнителя при измерении мелкого кускового материала и эталона.

Цель изобретения - повышение точно- сти определения пористости.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения пористости материала, включающем совместное измерение в поршневой камере общего объема образца материала путем определения изменения уровня сыпучего заполнителя, находящегося в камере, и объема твердой фазы образца путем определения изменения объема камеры при создании в ней заданного избы- точного давления в пустой камере и при наличии в ней исследуемого образца, и расчет пористости по данным измерений, после измерения в пустой камере дополнительно проводят измерения при на- личии в камере твердого сплошного тела произвольного объема и затем исследуемого образца, а искомую пористость оценивают по формуле

A VQ-А Уобр Уо - Ут .д. п 1 AVo-AV/ Vo -Уббр (

где Кп - пористость исследуемого образца;

0

5

0 5

0

5

0 5 0

AVo. A VT, AV06p - изменение объема камеры до появления в ней заданного избы-; точного давления соответственно в пустой камере, при наличии в ней произвольного тела и исследуемого образца;

Vo VT , V06p - объем камеры, заключенный между зеркалом сыпучего заполнителя и верхней ограничивающей поверхностью камеры соотетственно в пустой камере, при наличии в ней произвольного тела и исследуемого образца.

Кроме того, с целью повышения точности определения пористости одновременно измеряемой группы образцов, например частиц шлама, проводят измерение на группе твердых тел, приближающихся по количеству и форме к исследуемым частицам.

Использование вместо эталона, имеющего строго определенный объем, твердого тела любого произвольного объема значительно упрощает способ, повышает его точность за счет исключения влияния погрешностей эталона, а также барометрического давления и температуры.

Способ реализуется в поршневой камере переменного объема (для изменения давления в камере), снабженной датчиком избыточного давления газа и датчиком верхнего уровня сыпучего заполнителя, который постоянно находится в камере. Осуществляют измерение в пустой камере при перемещении поршня с некоторого начального положения. При этом определяют изменение объема камеры A Vo, соответствующее появлению в ней заданного избыточного давления АР, и свободный объем между зеркалом заполнителя и ограничивающей поверхностью камеры Vo. Далее производят такие же измерения при помещении в камеру сплошного твердого тела произвольного объема и определяют для него соответствующие величины AVT и VT. После этого производят измерения с исследуемым образом и определяют А Уобр и Уобр. Произведенные измерения позволяют определить объемные характеристики образца по формулам,выведенным из выражений (1) и (2):

.... AVo-АУобр /сч

Ут.ф.обр - Ут.ф.т. AV0-AVT (5)

/ к

VBH.OOp. - VBH.Tу. t/.

(6)

где Ут.ф.обр., УТ.Ф.Т. - объемы твердой фазы исследуемого образца и произвольного тела;

Увн.об, VBH.T. - общие объемы исследуемого образца и произвольного тела.

Из формул следует, что при осуществлении указанных измерений исключается влияние внешних факторов, не требуется точное значение объема заполнителя, который может изменяться при длительной работе (например, частичное уменьшение его при неаккуратном извлечении образца).

Требования к проведению дополнительного измерения на сплошном твердом теле вытекают из следующего. Твердость тела должна быть достаточна во избежание возможных деформаций при сжатии тела в сыпучем заполнителе, осуществляемом при измерении, которые будут снижать точность. Сплошность тела, т.е. отсутствие в нем пористости, определяет равенство объема, фазы и общего объема тела. При этом условии, учитывая выражения (5) и (6), а также то, что /т.ф.т. VBH.T., пористость исследуемого образца определяют по формуле

У . АУо-АУобр Уо - Ут™ 1 ДУо-ДУт Уо-Уобр ()

Из приведенного выражения следует, что измерение пористости образцов не зависит от внешних факторов (барометрического давления и температуры) и конкретных объемных характеристик эталонных тел и определяется только изменениями объема в измерительной камере, происходящими при операциях по предлагаемому способу.

Однако при измерении одновременно группы образцов, например частиц шлама, дополнительное измерение на одиночном теле не позволяет достичь требуемой точности. Появляется ошибка, обусловленная неадекватной структурой укладки сыпучего заполнителя при наличии в нем одного тела или нескольких. Аналогично, но в меньшей степени, влияет и различие форм эталонного тела и исследуемого образца. Добиться одинаковой укладки сыпучего заполнителя изменением механических воздействий на него трудно. Повышение точности достигается, если дополнительное измерение проводится не на одном теле произвольного объема, а на группе твердых тел, приближающихся по количеству и форме к исследуемым частицам. Причем очень удобно, что это могут быть самые разнообразные тела, имеющиеся у исследователя под рукой: шарики, гайки, шайбы, кусочки металла и т.д.

Практически способ реализуется в поршневой камере, внутри которой находится сыпучий заполнитель. Камера имеет герметизирующую крышку, служащую упором для

заполнителя при перемещении поршня. К роме того, камера имеет датчик избыточного давления и устройство для регистрации линейного перемещения поршня.

Пример1 (реализация способа при измерении одиночных образцов). Камера герметизируется, и осуществляется перемещение поршня с некоторого начального положения только с сыпучим заполнителем.

При этом фиксируются, например запоминающим устройством микропроцессорной системы управления, значения Д У0 и У0. После этого в камеру помещается твердое сплошное тело произвольного объема, и поеле герметизации камеры поршень вновь перемещается с начального положения до упора заполнителя в крышку; фиксируются результаты ДУТ и Ут. Далее аналогично измеряются исследуемые образцы. Данные

же измерений в пустой камере и с телом произвольного объема автоматически извлекаются из памяти процессора, и на их основе вычисляется по указанной выше формуле пористость исследуемого образца.

Так определяется пористость любой по количеству партии исследуемых образцов вплоть до существенного изменения внешних факторов, которые могут контролироваться, например, по результатам

измерения первого образца. При необходимости изменения результатов измерения в пустой камере и с твердым сплошным телом произвольного объема данные в памяти стираются и процедура повторяется.

При опробывании способа исследовались стандартные образцы керна с Уренгойского месторождения. Данные опытов представлены в таблице. Там же приведеныi результаты измерений частиц шлама, полученных со скважиной Ms 41 Камынской площади.

Как видно, при исследовании одного и того же образца при разных условиях по предлагаемому способу абсолютная погрешность определения пористости не превышает 0,5 %. В то же время при определении по способу-прототипу она достигает 2 %.

П р и м е р 2. При одновременном изме- рении группы образцов, например частиц шлама, операции способа полностью повторяются, только дополнительное измерение проводят не на одиночном теле, а на группе твердых сплошных тел, приближающихся по количеству и форме к исследуемым частицам. В опытах в качестве таких тел использовались стальные шарики размером 4-5 мм.

Результаты представлены в таблице.

Из таблицы видно, что при измерениях по способу-прототипу результаты оказываются неудовлетворительными: разброс показаний достигает более 7%. Применение дополни- тельного измерения на группе шариков, равных по количеству исследуемым частицам шлама, снизило абсолютную погрешность до 2 %, что уже достаточно для качественной оценки при экспрессном определении пори- стости. Повышение точности при групповом измерении частиц шлама обусловлено в основном снижением ошибки в определении общего объема исследуемых частиц.

Необходимо отметить, что проведение дополнительного измерения на телах с произвольным объемом существенно упростило алгоритм работы прибора и систему управления, так как отпала необходимость занесения в программно-запоминающие устройства конкретных характеристик объема эталонных тел,

Формула изобретения

1. Способ определения пористости материала, включающий совместное измере- ниё в поршневой камере общего объема образца материала путем определения изменения уровня сыпучего заполнителя, находящегося в камере, и объема твердой фазы образца путем определения измене- ния объема камеры при создании в ней заданного избыточного давления в пустой камере и при наличии в ней исследуемого

образца и расчет пористости по данным измерений, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения точности определения пористости, после измерения в пустой камере проводят измерения при наличии в камере твердого сплошного тела произвольного объема и затем исследуемого образца, а искомую пористость оценивают по формуле:

к -.АУо-АУотр Уо-Ут пДУо-ДУт УО Уббр

где Кп - пористость исследуемого образца;

ДУо, ДУг, ДУобр - изменение объема камеры до появления в ней заданного избыточного давления соответственно в пустой камере, при наличии в ней произвольного тела и исследуемого образца;

Уо, Ут, Уобр объем камеры, заключенный между зеркалом сыпучего заполнителя и верхней ограничивающей поверхностью камеры соответственно в пустой камере, при наличии в ней произвольного тела и исследуемого образца.

2. Способ по п.1 .отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения пористости одновременно измеряемой группы образцов, например, частиц шлама, дополнительное измерение проводят на группе твердых сплошных тел, приближающихся .по количеству и форме к исследуемым частицам.

Изобретение относится к исследованию физических характеристик твердых тел, преимущественно пористых горных пород. Способ включает совместное измерение в поршневой камере общего объема образца материала, объема твердой фазы и расчет пористости по данным измерений. Для определения пористости одновременно измеряемой группы образцов дополнительное измерение проводят на группе твердых сплошных тел, приближающихся по количеству и форме к исследуемым частицам. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.