Способ определения плотности материалов

 

Изобретение относится к различным отраслям хозяйственной деятельности, в которых имеется потребность в определении плотности образцов древесных и каменных материалов неправильной формы. Сущность способа заключается в том, что после взятия образца неправильной формы его помещают в один из двух прозрачных мерных сосудов, выполненных в виде чашек балансирных весов. Во второй мерный сосуд высыпают водостойкий сыпучий груз до момента достижения равновесия балансирных весов. Измеряют уровень сыпучего груза, а затем его пересыпают в мерный сосуд с образцом испытуемого материала. Измеряют общий уровень сыпучего груза, причем по отношению произведения объема сыпучего груза на его плотность к объему образца по разнице двух измерений определяют плотность образца неправильной формы. Это позволит упростить процесс измерения плотности образцов неправильной формы различных природных материалов. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к различным отраслям хозяйственной деятельности, в которых имеется потребность в определении плотности образцов древесных и каменных материалов неправильной формы, а также из разных территорий или разрезов берега для сопоставления плотности изучаемых материалов из различных геологических слоев (например, в археологии). Способ применим также и для растущих деревьев, например при обследовании шишек, кусков коры или образцов древесины, взятых из корней, ствола или ветвей и сучьев.

Известен способ испытания образцов неправильной формы при помощи, например, ртутного объемометра ((см., например, книгу: Д.Б.Соколов, А.Л.Синькевич, П.А.Емельянова. Древесиноведение /Учебное пособие. - Л.: ЛТА, 1974. - С.58-61), включающий взятие образца древесины объемом 5-10 см³, взвешивание этого образца (иначе потом будет сделать это невозможно), размещение этого образца внутри емкости с фиксацией, подача ртути в емкость до заполнения его до измеряемого уровня (указателя), слив ртути из емкости и снятие образца с фиксатора и из емкости, повторная подача ртути для измерения его расхода до указателя, расчет объема образца, обработка образца для снятия и слива остатков ртути обратно в емкость. Затем берется отношение массы к объему и вычисляется значение плотности образца материала.

Недостатком этого относительно точного способа является высокая опасность отравления ртутью, невозможность измерения объема образца коры и других крупнопористых объектов, необходимость в фиксированном интервале объема образца в 5-10 см³, необходимость изготовления не меньше двух партий образцов (один для измерения влажности, а другой - для измерения объема), сложность конструкции прибора (что не позволяет использовать его в экспедициях).

Известен также способ испытания древесных растений и различных материалов по положительному решению по заявке №2001115402/13 от 26 июля 2002 года, включающий взятие образца неправильной формы, размещение его внутри емкости в виде прозрачного мерного сосуда, обсыпание образца водостойким сыпучим грузом, извлечение образца из емкости, встряхивание сосуда с дополнительным грузом до и после извлечения образца из сосуда, расчет объема образца по разнице двух измерений на мерном сосуде.

Недостатком является необходимость взвешивания образца на точных весах, которые не приемлемы в экспедиционных исследованиях. При этом возможно использовать дополнительный сыпучий влагоустойчивый материал, которым измеряется масса образца материала. Но при этом сам образец древесины забирается в лабораторию для последующих камеральных измерений. А во многих случаях после определения плотности образца его следовало бы выбросить, что позволяет измерять много по численности образцов, а затем определить среднестатистическое значение плотности различных видов материалов, находящихся в данном месте. Прототип этого не обеспечивает.

Технический результат - упрощение процесса непосредственного измерения плотности образцов неправильной и естественной формы различных природных материалов.

Этот технический результат достигается тем, что берется образец материала для определения плотности и помещается в один из двух одинаковых по массе мерных сосудов. Затем в другой мерный сосуд засыпается водостойкий сыпучий груз, причем оба мерных сосуда располагаются на тарелках балансирных весов. После этого действия уравновешенные на балансирных весах оба мерных сосуда с испытуемым материалом и водостойким грузом получают равную по массе образца материала массу водостойкого сыпучего груза.

Масса образца материала будет равна объему водостойкого сыпучего груза, умноженному на известную постоянную плотность этого сыпучего груза. Из-за того, что плотность сыпучего груза намного меньше каменного материала (меньше в 2-4 раза), то объем сыпучего груза будет достаточным для обсыпания каменных и окаменелых образцов. Если же плотность образцов меньше плотности водостойкого сыпучего груза, например плотность древесины мягких пород меньше в 1,5-2,5 раза термопласта, то выполняют на балансирных весах взвешивание два и более раз, увеличивая объем сыпучего груза до достаточного для обсыпания легкого материала уровня.

Затем водостойкий сыпучий груз пересыпают в мерный сосуд с образцом неправильной формы, а затем, как и по прототипу, происходит извлечение образца из емкости, встряхивание сосуда с дополнительным грузом до и после извлечения образца из сосуда, расчет объема образца по разнице двух измерений на мерном сосуде.

После испытания образец материала выбрасывают, а его плотность определяется делением массы одной порции водостойкого сыпучего груза на вычисленный объем. Для древесины, коры и частиц корней или ветвей растущего дерева в этом случае получается показатель базисной плотности. Если этот образец после некоторого времени можно повторно подвергнуть измерениям массы уже в камеральных условиях на аналитических точных весах, а уменьшенный после высыхания объем снова измерить, но уже по прототипу.

Сущность изобретения заключается в том, что в полевых условиях относительно водостойкого груза измеряется как масса, так и объем образца любого вида материала (как древесных, так и каменных и окаменелых) при наличии двух прозрачных мерных сосудов, выполненных в виде чашек простых по конструкции и точных по принципу уравновешенных сторон балансирных весов.

Положительный эффект заключается в том, что не требуется носить в лабораторию множество образцов материалов, а непосредственно в полевых условиях возможно получение массовых статистических данных по каждому виду материала. Это позволяет получить весьма точные значения плотности, например, на берегу реки при археологических раскопках различных исторических слоев, плотности гальки, щебня, кусков известняка, окаменелых остатков древесины и других материалов, а также частиц древесины, коры и корней у растущих древесных растений. При этом одинаковые по виду материала образцы можно повторять 1-20 и более раз. Поэтому способ будет полезен и геологам, так как позволяет определять плотность и тех материалов, которые нет необходимости нести в базовый лагерь, а затем и в лабораторию.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и положительным эффектом. В научно-технической и патентной литературе информационных материалов, порочащих новизну предлагаемого изобретения, не обнаружено.

Способ определения плотности материалов включает такие действия.

После взятия образца неправильной формы, например из откола ствола, с пня, корня или ветви срубленного дерева, его очищают от посторонних предметов и коры. Затем помещают кусок древесины в один из двух прозрачных мерных сосудов, выполненных в виде чашек балансирных весов, а в другой сосуд засыпают до момента равновесия балансирных весов водостойким полимерным порошком.

Затем малыми и частыми движениями встряхивают мерный сосуд с находящимся в нем порошком. При этом порошок несколько уплотняется и занимает по верхнему краю горизонтальное положение. По меткам на стенке сосуда определяют объем порошка, по массе равного массе образца.

Тогда можем записать математическое соотношение

где m - масса образца неправильной формы, ρ_n - плотность порошка, V_n - объем порошка в мерном сосуде в момент равновесия балансирных весов.

После этого порошком обсыпают образец во втором мерном сосуде, встряхивают и измеряют общий объем V+V_n образца совместно с порошком. Разница двух значений меток на первом и втором мерных сосудах дает объем V образца испытуемого материала.

Тогда плотность образца рассчитывают по формуле

причем значение ρ_n всегда постоянно по значению. Поэтому требуется измерить только два значения объема: сыпучего груза и образца с сыпучим грузом. Эти два числа позволяют быстро определить плотность материала.

Для древесины это будет действительное значение плотности, а для определения базисной плотности образец древесины высушивают в лабораторных условиях до абсолютно сухого состояния, а затем делят полученное значение массы на измеренный в полевых условиях объем V.

Из-за того, что плотность мягкой древесины несколько меньше плотности полимерного порошка, может оказаться так, что образец при широком мерном сосуде не покроется порошком. Тогда на балансирных весах выполняют взвешивание образца с помощью сыпучего груза дважды (или даже больше).

В этом случае формула (1) видоизменяется так

где n - количество повторных взвешиваний образца сыпучим грузом, причем n=1,2,3,....

Способ испытания плотности материалов, например образца древесины неправильной формы, реализуется следующим образом.

После взятия образца древесины, например, лезвием топора из выбранного места древесного растения, например в виде клиновидного откола, осматривают его, очищают и помещают в один из двух мерных сосудов, выполненных в виде чашек балансирных весов.

Затем в свободный мерный сосуд высыпают полимерный водостойкий порошок до тех пор, пока балансирные весы не будут уравновешены. После этого встряхивают мерный сосуд с порошком. По верхнему краю порошка в мерном сосуде измеряют объем порошка.

После этого пересыпают порошок в мерный сосуд с образцом древесины и повторно встряхивают мерный сосуд, измеряют общий объем образца с порошком. Причем разность между вторым и первым уровнями определяет объем образца неправильной формы. Далее образец выбрасывается или упаковывается и отправляется на камеральные испытания.

Применение предлагаемого способа расширяет возможности испытания различных материалов для получения большого количества статистических данных, позволяет проводить структурный анализ местности по содержанию различных видов естественных материалов и одновременно проводить экологический мониторинг территорий путем изучения свойств древесины различных частей произрастающих древесных растений.

Формула изобретения

1. Способ определения плотности материалов, включающий взятие образца неправильной формы, размещение его внутри емкости в виде прозрачного мерного сосуда, подачу дополнительного материала в виде водостойкого сыпучего груза в прозрачный мерный сосуд, встряхивание мерного сосуда с дополнительным грузом и сыпучего груза с образцом, расчет объема образца по разнице двух измерений, отличающийся тем, что после взятия образца неправильной формы его помещают в один из двух прозрачных мерных сосудов, выполненных в виде чашек балансирных весов, а во второй мерный сосуд высыпают водостойкий сыпучий груз до момента достижения равновесия балансирных весов, измеряют уровень сыпучего груза, а затем его пересыпают в мерный сосуд с образцом испытуемого материала, измеряют общий уровень сыпучего груза, причем по отношению произведения объема сыпучего груза на его плотность к объему образца по разнице двух измерений определяют плотность образца неправильной формы.

2. Способ определения плотности материалов по п.1, отличающийся тем, что плотность легких материалов, несколько меньших плотности полимерного порошка, а также при широком мерном сосуде на балансирных весах с мерными сосудами в виде чашек выполняют взвешивание образца с помощью сыпучего груза дважды и более, а плотность образца материала определяют из соотношений

m=ρ_nV_n/n;

ρ=m/V,

где m - масса образца неправильной формы;

ρ_n - плотность водостойкого сыпучего груза;

V_n - объем сыпучего груза в мерном сосуде в момент равновесия балансирных весов;

n - количество повторных взвешиваний образца неправильной формы сыпучим грузом, причем n=1, 2, 3,...;

ρ - плотность образца неправильной формы;

V - объем образца неправильной формы по разнице двух измерений.