Procédé et dispositif pour la détermination des masses spécifiques des solides
L'invention est relative à un procédé et à un dispositif pour la détermination des masses spécifiques des solides.
Il est connu de déterminer la masse spécifique d'un solide à une température donnée par la mesure de sa masse et par la mesure de son volume.
Toutefois la détermination précise des masses spéci- fiques des solides repose actuellement sur des méthodes picnométriques qui sont longues et délicates.
De plus, lorsque le solide étudié est une poudre, notamment une poudre fine, il devient extrêmement difficile d'obtenir des mesures de précision suffisante en raison notamment du gaz retenu par les grains de la poudre.
L'invention a pour but, surtout, de rendre les susdits procédé et dispositif tels qu'ils répondent mieux que jusqu'à ce jour aux divers desiderata de la pratique et qu'ils permettent une détermination précise de la masse spécifique, même lorsque la quantité de solide est faible et que l'échantillon est une poudre.
Le procédé selon l'invention, suivant lequel on détermine le volume de l'échantillon étudié par la détermination de la force ascensionnelle qu'il subit après immersion dans un liquide de masse spécifique connue, est caractérisé en ce que l'on effectue sans transport intermédiaire le dégazage de l'échantillon et son immersion consécutive.
Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte pouvant être mise sous vide et à l'intérieur de laquelle est disposée une balance de précision à l'un des bras du fléau de laquelle on accroche l'échantillon étudié, des moyens étant prévus, d'une part, pour effectuer, après le dégazage, l'immer- sion de l'échantillon sans transport de ce dernier et, d'autre part, pour amener l'échantillon avant et après l'immersion à une température donnée.
L'invention pourra, de toute manière, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication.
La fig. 1, de ces dessins, montre schématiquement en coupe une partie d'un dispositif selon l'invention.
La fig. 2 montre en coupe, à plus grande échelle, une autre partie du dispositif selon l'invention.
La fig. 3 montre schématiquement, à une autre échelle, une partie de la fig. 2 établie suivant une variante.
La fig. 4 est une vue en coupe, à une autre échelle, d'un détail de la fig. 2.
La fig. 5 est une coupe d'une variante de la partie du dispositif représenté fig. 2.
La fig. 6, enfin, est une coupe suivant IV-IV, fig. 5.
Se proposant de déterminer les masses spécifiques de poudre disponibles en faible quantité, on s'y prend comme suit ou de façon analogue.
A supposer que l'échantillon étudié se présente sous la forme d'une poudre P, on en détermine tout d'abord le poids dans l'air par pesée à l'aide d'une balance de précision.
Il est avantageux de procéder à cette pesée après avoir disposé la poudre dans un récipient C dont on connaît la masse ainsi que le volume, ce dernier en fonction de la température, c'est-à-dire Vc (t).
Les corrections découlant de la poussée de l'air sur le récipient et l'échantillon sont effectuées en fonction des densités atmosphériques après détermination du volume de l'échantillon.
La poudre est ensuite soumise à un dégazage à l'in- térieur du même récipient, puis conformément à l'in- vention, l'immersion de l'ensemble est réalisée sans transport intermédiaire dans un liquide dont on connaît la masse spécifique en fonction de la température, savoir AL (t).
En rétablissant de nouveau l'équilibre, on détermine la poussée hydrostatique exercée sur l'échantillon par le liquide et, connaissant les caractéristiques du récipient C, on détermine le volume de P et, par conséquent, sa masse spécifique, après avoir effectué les susdites corrections.
Pour mettre ce procédé en oeuvre, on utilise un dispositif comprenant une enceinte qui peut être mise sous vide et qui a été indiquée schématiquement par 1 sur la fig. 1 ; à l'intérieur de cette enceinte, on a disposé une balance de précision schématiquement représentée par son fléau 2 dont les plateaux ont été désignés par 2a et 2b ; à l'un des plateaux de ce fléau, par exemple au plateau 2a, on accroche l'échantillon P étudié et on fait comprendre à l'ensemble ainsi constitué des moyens propres à réaliser, après dégazage sous vide, 1'immersion de l'échantillon sans transport de ce dernier, d'autres moyens étant prévus pour amener l'échantillon, avant et après l'immersion, à une tempé- rature donnée.
Dans le mode de réalisation avantageux représenté et décrit, on a eu recours à une balance enregistreuse, en soi connue (à fléau de précision et à mécanisme enregistreur et de rééquilibrage par compensation élec tromagnétique non représenté et agissant sur le plateau 2b par l'intermédiaire d'un fil 3), assurant une précision au 1/20 de mg et pouvant fonctionner sous vide ainsi que sous atmosphère contrôlée. Un dispositif électromagnétique en soi connu, par exemple à levier basculant, schématiquement représenté en 4, est prévu pour charger le plateau 2b de cavaliers ou poids Mn, par télécommande, de l'extérieur de l'enceinte.
L'enceinte 1 communique par une canalisation 5 avec un ensemble de pompage non représenté. En ce qui concerne les susdits moyens permettant d'assurer l'immersion de l'échantillon après dégazage sans transport de ce dernier, on peut avoir recours à un dispositif constitué comme celui représenté fig. 2, c'est-à-dire se composant d'un tube 6, par exemple en un verre tel que celui connu sous la désignation Pyrex) et raccordé à l'enceinte 1, par exemple par l'intermédiaire d'un rodage sphérique 8.
Sur le tube 6, on prévoit plusieurs tubulures, savoir :
-une tubulure 6a par laquelle on peut introduire de manière étanche par exemple, à l'aide d'un rodage conique 7, un thermomètre 9, qui plonge à l'intérieur du tube jusqu'au voisinage du récipient C,
-une tubulure 6b à laquelle on raccorde, par exemple par un rodage conique 10, un réservoir 11 rempli du liquide de masse spécifique connue et servant aux mesures, ce liquide pouvant être introduit dans le tube 6 par rotation du réservoir 11 autour de l'axe de la tubulure 6b,
-une tubulure 6c par laquelle l'intérieur du tube 6 est raccordé à une pompe à vide ou analogue non représentée,
-une tubulure 6d sur laquelle est fixé, par exemple par l'intermédiaire d'un rodage conique 13,
un réservoir 14 servant de trop-plein au tube 6 et permettant de conserver un niveau constant dans le tube 6 lors de l'immersion de l'échantillon P.
Pour assurer l'immersion de l'échantillon sans transport de ce dernier on peut également avoir recours au dispositif représenté schématiquement fig. 3 et qui se compose d'un tube en < U renversé 12, dont une extrémité plonge au fond du tube 6 dans lequel le tube 12 pénètre grâce à la tubulure 6b (disposée comme montrée sur la figure), et le rodage conique 10, et dont l'autre extrémité plonge au fond d'un réservoir R (dans lequel ledit tube pénètre grâce à un rodage conique R9), rempli du liquide de masse spécifique connue. L'inté- rieur du réservoir R est relié par un tube Ri à une pompe à vide non représentée et la communication entre l'intérieur du tube 6 et l'intérieur du réservoir R, qui se fait par le tube 12, peut être interrompue à l'aide d'un robinet T.
Pour assurer un transfert lent vers le tube 6 du liquide contenu dans le réservoir R, or établit à l'intérieur dudit réservoir un vide un peu moins poussé que celui qui règne dans le tube 6 à la fin du dégazage, puis ono ouvre le robinet T. Pour freiner l'écoulement du liquide en direction du tube 6 on peut prévoir avantageusement sur le tube 12 un rétrécissement S.
En ce qui concerne enfin les moyens capables d'amener l'échantillon à une température donnée avant et après l'immersion, on peut les constituer comme visible sur la fig. 2 par un vase Dewar rempli par exemple d'eau et muni d'un agitateur 16, le tube 6 étant plongé dans ce vase Dewar.
Le récipient C, dont la contenance est d'environ 0, 5 cm et à l'intérieur duquel est disposé l'échantillon
P est suspendu à un fil 17 avantageusement en platine.
Ce récipient, dont la forme-choisie pour éviter toute éjection de substance au moment de l'immersion-res- sort bien de la fig. 4, comprend avantageusement deux orifices, dont seulement l'un, l'orifice 18, est visible.
La longueur du fil est telle que le récipient C se trouve au voisinage du fond du tube 6.
Sur les fig. 5 et 6, on a représenté un deuxième mode de réalisation du dispositif illustré par la fig. 2.
Dans ce deuxième mode de réalisation, le tube 6 est relié à un réservoir 20, également en un verre tel que le 4 (Pyrex , par l'intermédiaire d'une plaque 21, par exemple en métal, qui est soudée sur l'extrémité infé- rieure dudit tube et qui est fixée sur une bride 22 du réservoir 20 grâce à des vis 23 et avec interposition d'un joint d'étanchéité 24.
Le remplissage du réservoir 20 est assuré par un système comportant un tube 12 et un robinet T analogue à celui décrit en référence à la fig. 3. L'étanchéité du passage est assurée comme montré grâce à un joint 12a.
Pour éviter une introduction trop rapide du liquide de mesure dans le creuset et rendre plus efficace et plus pratique son remplissage, on a prévu un doigt 25 mobile suivant son axe et qui entre à l'intérieur du réservoir en passant par la plaque 21, par exemple grâ- ce à l'ensemble de pièces montré sur la fig. 4, I'étan- chéité étant assurée par un joint 26. Des moyens 26a de blocage du doigt sont également prévus. A celle de ses extrémités qui se trouve à l'intérieur du réservoir 20, le doigt 25 comprend une fourchette 27, qui se loge sous l'anse du creuset C, ce qui permet de ne plonger le creuset dans le liquide qu'une fois que ce dernier a été amené à un niveau déterminé. Une gra duatior. 28 permet de contrôler ce niveau.
Cette gra duation remplace le montage trop-plein de l'autre dispositif L'introduction du liquide par les orifices 18 prévus sur ! e creuset est très facilement contrôlable.
Pour faciliter l'utilisation de liquides de mesure ayant des tensions de vapeur assez élevées (il se produit alors à la sortie du tube 12 une agitation du liquide avec formation de bulles qui peut fausser les mesures en souillant le fil de suspension 17), on fait comprendre au réservoir 20 une cloison verticale 29, par exemple en acier inoxydable, le séparant en deux compartiments dont l'un contient le creuset C et l'autre le tube 12 ; la communication entre les deux compartiments est assurée par une fente 30 prévue sur le bord inférieur de la cloison 29. La cloison 29 peut être maintenue en place, comme montré, à l'aide de moyens élastiques tels que deux ressorts 31.
On fait comprendre, en outre, au dispositif un four 32 qui peut être solidarisé avec la plaque 21 grâce à des tiges filetées 33 et des écrous 34. Grâce à la présence de ce four, le dégazage est plus efficace et plus rapide et facilite l'étude de produits pulvérulents fixant rapidement l'humidité de l'air.
L'utilisation d'un dégazage avec chauffage entraîne la nécessité de pouvoir soustraire le thermomètre -désigné ici par 35 et qui entre dans le réservoir par une tubulure 36-à l'influence de la chaleur. Pour ce faire, on peut prévoir un montage coulissant tel que celui dont les pièces constitutives sont montrées fig. 5 (le thermomètre est montré en position rétractée). l'étanchéité étant assurée par un joint 37.
On attire l'attention sur le fait que la tubulure 36 et le thermomètre 35 ne se trouvent, en réalité, pas à l'endroit indiqué mais décalés de 90 , c'est-à-dire en avant ou en arrière du plan de la figure. La présente représentation n'a été adoptée que pour des raisons de facilité et de clarté du dessin.
Ceci étant, on dispose d'un dispositif dont les carac téristiques ressortent suffisamment de ce qui précède pour qu'il soit inutile d'insister à ce sujet et dont le mode opératoire est le suivant.
L'ensemble échantillon P-récipient C est pesé tout d'abord à l'aide d'une balance de précision, par exemple à l'aide d'une balance monoplateau au 1/50 de mg. Les corrections dues à la poussée aérostatique sur le récipient C et l'échantillon P sont effectuées d'après les densités de l'air après détermination de leurs volumes respectifs, étant entendu que le poids et le volume du récipient C peuvent être déterminés une fois pour toutes.
On suspend ensuite le récipient au fil 17, c'est-à-dire au plateau 2a, puis on établit l'équilibre par tarage en plaçant certains des poids Mn sur le plateau 2b.
L'équilibre obtenu, il est usuel d'effectuer un étalonnage de la sensibilité de la balance en ayant recours à l'un des poids étalons, par exemple un poids de 10 mg, de la gamme de poids Mn.
L'ensemble constitué par l'enceinte contenant la balance, d'une part, et le tube 6, d'autre part (on considère, ci-après, plus particulièrement la variante de la fig. 2), est ensuite mis sous vide pendant une douzaine d'heures, ce qui permet d'obtenir un dégazage poussé.
Il est certain que la tension de vapeur du liquide contenu dans le réservoir (liquide qui est souvent constitué par de l'orthophtalate de diéthyle) limite ce dégazage.
Dans le cas d'échantillons difficiles à dégazer, il est par conséquent souhaitable quelquefois de diminuer cette tension de vapeur et, pour ce faire, il suffit de plonger le réservoir 11 dans un mélange réfrigérant.
Le dégazage terminé, on introduit dans le tube 6 le liquide contenu dans le réservoir 11.
Il arrive qu'au moment où s'établit le contact entre le liquide et l'échantillon, il se forme de petites bulles qui adhèrent aux grains d'échantillon. Pour éliminer ces bulles, on peut avoir recours à un vibrage qui assure un mouillage rapide de tout l'échantillon et qui peut être obtenu à l'aide d'un vibreur électromagnétique (non représenté) du genre de ceux qui sont couramment utilisés en laboratoire et dont le doigt vibrant, d'amplitude réglable, est mis en contact avec le tube 6 au niveau du récipient C, les vibrations étant transmises à l'échantillon P par l'intermédiaire du liquide.
Lorsque l'immersion est réalisée, on rétablit la pression normale à l'intérieur de l'ensemble constitué par l'enceinte 1 et le tube 6.
Du fait de la poussée hydrostatique exercée sur l'échantillon par le liquide remplissant le tube 6, le susdit équilibre est rompu. On le rétablit, soit par un tarage sur le plateau 2a, soit par un nouveau tarage sur le plateau 2b en retirant les poids M,, nécessaires à cet effet.
On remarquera que, par suite de la connaissance des variations avec la température des masses spécifi- ques de l'air et du liquide remplissant le réservoir 11, il n'est pas nécessaire de réaliser les deux équilibres à la même température.
Etant donné en outre qu'il est commode de réduire dans la mesure du possible les manipulations de poids lors de l'établissement des équilibres, on s'arrange pour avoir des échantillons de masse à peu près constante en moyenne, masse qui peut être choisie avantageusement telle que la poussée hydrostatique s'exerçant sur l'échantillon soit voisine de 200 mg. Dans ces conditions, il suffit d'enlever un poids de 200 mg du plateau 2b au moment de l'établissement du deuxième équilibre ainsi qu'un poids Mu correspondant à la poussée exercée par le liquide sur le récipient C. Pour obtenir l'équilibre, il suffit alors d'ajouter ou de retrancher des poids représentant une masse m dans le plateau 2b.
Le calcul donnant le volume de l'échantillon, savoir
Vp (t) est alors très simple.
A supposer que le premier équilibre au sein d'un gaz, c'est-à-dire généralement l'air, correspond à un tarage Tl sur le plateau 2b et que le second équilibre, au sein du liquide, correspond à un tarage Ta, on a les relations :
Tl = MasseP + c-Vr,. r. (t) ôc, (t) avec = densité de l'air ou du gaz utilisé en fonction de la température,
Ta = Masse ?, c-Vp. c (t) AI (t) avec Al, (t) =densité du liquide utilisé en fonction de la température, ou encore Z'i-T-Vr, (t) [ (L'1I, (t)-Sc (t))] c'est-à-dire VP@C(t)=T1-T2
Aj/t)-8e (t)
Or le volume du récipient C est connu en fonction de la température, savoir V,. (t) et, par conséquent, V (t)-"-V,.
< t)
hI (t)-8f (t)
Or, étant donné les conventions indiquées plus haut au sujet de la quantité moyenne de l'échantillon (pous sée hydrostatique voisine de 200mg), étant donné en outre que l'on connaît le volume du récipient et, par conséquent, la valeur de la poussée Me exercée sur lui par le liquide L, et que par suite le deuxième équilibre est atteint en ajoutant ou en retranchant sur le plateau 2b des poids m après avoir enlevé automatiquement du plateau 2b un poids de 200 mg ainsi que des poids correspondant à Me, on a la relation :
Ti-Ta=200+Mcm et le volume de l'échantillon est donné par
200+Mc#m
Vp(t)= - Vc(t)
#L(t)-#G(t)
Connaissant par ailleurs le poids de l'ensemlbe r6ci pient + échantillon ainsi que le poids du récipient seul et sachant que la densité de l'air (ou du gaz) dans lequel a été faite la pesée de l'ensemble récipient échantillon est 8G (t), il est aisé de calculer la correction due à la poussée aérostatique et de déterminer le poids de l'échantillon avec précision.
De la connaissance du poids et du volume, on déduit alors la masse spécifique.
On conçoit que dans la pratique la manipulation de pesée se réduit à la mise en place des poids m relatifs à la différence des poussées au moment des deux équilibres.
Il est signalé que l'on détermine AL (t) en utilisant un solide étalon S connu. On compare les poussées exercées sur ce solide par le liquide étudié et par de l'eau distillée et désaérée dont la variation de la masse spéci- fique avec la température, soit As (t), est connue avec une très grande précision.
Cette détermination de AL (t) peut se faire rapide- ment et avec une grande précision en faisant varier lentement la température du liquide contenu dans le vase
Dewar et en enregistrant les poussées hydrostatiques exercées par le liquide sur le solide étalon.
Ci-après, on expose les calculs d'erreurs permettant d'apprécier la précision des moyens selon l'invention.
Les pesées sont effectuées sur une balance monoplateau au 1/50 mg ou à 0, 02 mg près.
La température du bain est connue à 0, 020 C près et les forces mesurées sur la balance enregistreuse sont connues à 0, 07 mg près.
A cette erreur, il faut ajouter celles commises sur tous les poids étalons utilisés et qui sont de 0, 02 mg.
Du fait que la température du bain est connue à 0, 02 C près, les erreurs commises sur la masse spécifi- que de l'eau sont de + 5 10-6 mg/mm3.
Comme il a été indiqué plus haut, on détermine AL (t) à l'aide d'un solide échantillon S. Par conséquent, le calcul de la valeur de dAL doit passer par le calcul
L de l'erreur sur le volume du solide étalon.
Ce calcul donne (pour l'eau distillée) :
dVs d (poussée sur S) +d(#eau dist.)
Vs poussée sur S Aeau dist.
Or d (poussée sur S) = 0, 02 + 0, 07 = 0, 09 mg.
A supposer que le solide S ait un volume voisin de 4. 000 mm3, la poussée exercée sur lui sera voisine de 4,000 mg et, par conséquent:
dVs 0,09
= +5,10-6 = 3.10-5
Vs 4. 000 et dVs = 0, 12 mm3
Sachant que la densité du liquide de mesure, lorsque celui-ci est de l'orthophtalate de diéthyle, est à 20 C voisine de 1, 1 et que la poussée exercée sur le solide S est par conséquent voisine de 4. 500 mg, on a :
dAL dVs d (poussée sur S)
AL VS poussée sur S
dAL 3 10-5 + 0'09 = 5, 5. 10-5
AL 4. 500
dAL #
6. 10-5 mg/mm3
Il est à souligner que cette précision pourrait encore être accrue par l'utilisation d'un solide étalon S de volume plus grand.
La précision obtenue sur le volume du récipient C et la partie immergée du fil de platine (volume qui pour une même température est toujours constant grâce au dispositif à compensation électromagnétique comporté par la balance et grâce au fait que le niveau est toujours constant dans le tube 6) sera, compte tenu du fait que le volume du récipient est voisin de 500 mm3 et la poussée exercée sur lui voisine de 550 mg, comme suit :
dVC dAL + d (poussée sur C)
Vc AL poussée sur C
= 5, 5. 10-5 + 0'09 # 2, 2. 10-4
550 dVo #
0, 11 mm3
Si l'on considère maintenant le volume total réci pient-échantillon, savoir VT, et compte tenu du fait que le volume de l'échantillon est de l'ordre de 200 mm3, on a
VT # 200 + 500 = 700 mm3 ainsi que
Poussée totale # 770 mg
Par conséquent, on aura :
dVT d (poussée totale) + dAL
VT poussé totale #L
0,09
= +5,5.10-5
770
# 1, 8. 10-4 dVT # 0, 13 mm3
De ce qui précède, on déduit l'erreur sur le volume de l'échantillon.
Sachant que : VP-VT-VC on a
dVp = dVT + dVc
= 0, 13 mm3 + 0, 11 mm3 dVp = 0, 24 mm3 et enfin dVp 24-1, 2. 10-3
Vp 200
D'où finalement la précision sur la masse spécifique de l'échantillon :
Mp Q=
VP
de ¯ dMp dVp # MP VP
0,02
= +1,2.10-3
200e et on trouve
de = 10-4 + 1, 2. 10-3. Q la précision sur la masse spécifique étant donc fonction de celle-ci et, à titre d'exemple, on aura, pour une masse spécifique de 3, la précision suivante :
d (masse spéc. éch.) = 10-4 + 3, 6. 10-3 = 3, 7. 10-3
Toujours pour illustrer l'invention, on donne ciaprès les résultats de mesures effectuées en vue de déterminer la masse spécifique du chlorure de sodium.
Pour ce faire, on a utilisé du chlorure de sodium précipité de sa solution aqueuse saturée par l'éthanol, ce chlorure de sodium ayant été lavé à l'alcool, puis séché sous vide primaire à 2000 C.
Sachant que le paramètre de CINa est
a = 5, 639 A et que sa densité cristallographique est de 2, 165 avec une variation en fonction de la température donnée par la relation :
Q5 o =2o1644 [1-0, 000121 (t-18)] on a fait quatre mesures, dont les résultats ont été consignés dans le tableau ci-après :
N-t, C mesuré calculé de
1 21 2, 160 g/cm3 2, 1637-0, 004
2 23 2, 163 g/cm3 2, 1632. 0, 000
3 19 2, 162 g/cm3 2, 1644 0, 002
4 25 2, 164 g/cm3 2, 1627 +0, 001
Ensuite de quoi on dispose d'un procédé et d'un dispositif pour la détermination des masses spécifiques dont les caractéristiques et le mode opératoire ressortent suffisamment de ce qui précède pour qu'il soit inutile d'insister à ce sujet et dont les avantages, qui sont nombreux, consistent notamment en une précision remarquable, des conditions de manipulation simple et, surtout, la possibilité d'utiliser des quantités très faibles de produit,
ce qui est extrêmement précieux dans le cas de produits coûteux ou disponibles en faible quantité.
REVENDICATIONS
I. Procédé pour la détermination des masses spéci- fiques des solides dans lequel on détermine le volume de l'échantillon étudié par la détermination de la force ascensionnelle qu'il subit après immersion dans un liquide de masse spécifique connue, caractérisé en ce que l'on effectue sans transport intermédiaire le dégazage de l'échantillon et son immersion consécutive.
Method and device for determining the specific masses of solids
The invention relates to a method and to a device for determining the specific masses of solids.
It is known to determine the specific mass of a solid at a given temperature by measuring its mass and by measuring its volume.
However, the precise determination of the specific masses of solids currently relies on picnometric methods which are long and delicate.
In addition, when the solid studied is a powder, in particular a fine powder, it becomes extremely difficult to obtain measurements of sufficient precision due in particular to the gas retained by the grains of the powder.
The object of the invention is, above all, to make the aforesaid method and device such that they respond better than to date to the various desiderata of practice and that they allow precise determination of the specific mass, even when the amount of solid is small and the sample is a powder.
The method according to the invention, according to which the volume of the sample studied is determined by determining the upward force which it undergoes after immersion in a liquid of known specific mass, is characterized in that it is carried out without transport intermediate degassing of the sample and its subsequent immersion.
The device according to the invention is characterized in that it comprises an enclosure which can be evacuated and inside which is placed a precision balance on one of the arms of the beam from which the sample studied is attached. , means being provided, on the one hand, for carrying out, after degassing, the immersion of the sample without transporting the latter and, on the other hand, for bringing the sample before and after immersion at a given temperature.
The invention can, in any case, be clearly understood with the aid of the additional description which follows, as well as the appended drawings, which supplement and drawings are, of course, given above all by way of indication.
Fig. 1 of these drawings shows schematically in section part of a device according to the invention.
Fig. 2 shows in section, on a larger scale, another part of the device according to the invention.
Fig. 3 schematically shows, on another scale, part of FIG. 2 established according to a variant.
Fig. 4 is a sectional view, on another scale, of a detail of FIG. 2.
Fig. 5 is a sectional view of a variant of the part of the device shown in FIG. 2.
Fig. 6, finally, is a section along IV-IV, fig. 5.
Intending to determine the specific masses of powder available in small quantities, the procedure is as follows or in a similar manner.
Assuming that the sample studied is in the form of a powder P, its weight in air is first determined by weighing using a precision balance.
It is advantageous to carry out this weighing after having placed the powder in a container C, the mass of which is known as well as the volume, the latter as a function of the temperature, that is to say Vc (t).
The corrections resulting from the air pressure on the container and the sample are made as a function of the atmospheric densities after determining the volume of the sample.
The powder is then subjected to degassing inside the same container, then in accordance with the invention, the whole is immersed without intermediate transport in a liquid whose specific mass is known as a function of the invention. temperature, namely AL (t).
By re-establishing the equilibrium, the hydrostatic thrust exerted on the sample by the liquid is determined and, knowing the characteristics of the container C, the volume of P and, consequently, its specific mass, is determined, after having carried out the aforesaid corrections.
To implement this method, a device is used comprising an enclosure which can be placed under vacuum and which has been indicated schematically by 1 in FIG. 1; inside this enclosure, a precision balance is arranged schematically represented by its beam 2, the plates of which have been designated by 2a and 2b; to one of the plates of this column, for example to the plate 2a, the sample P studied is attached and the assembly thus formed is made to understand the means suitable for producing, after vacuum degassing, the immersion of the sample without transporting the latter, other means being provided for bringing the sample, before and after immersion, to a given temperature.
In the advantageous embodiment shown and described, recourse was had to a recording scale, known per se (with a precision flail and a recording and rebalancing mechanism by electromagnetic compensation, not shown and acting on the plate 2b via of a wire 3), ensuring precision to 1/20 of a mg and being able to operate under vacuum as well as under controlled atmosphere. An electromagnetic device known per se, for example with a rocking lever, schematically represented at 4, is provided for loading the plate 2b with jumpers or weights Mn, by remote control, from outside the enclosure.
The enclosure 1 communicates via a pipe 5 with a pumping assembly, not shown. As regards the aforesaid means making it possible to ensure the immersion of the sample after degassing without transporting the latter, it is possible to use a device constituted as that shown in FIG. 2, that is to say consisting of a tube 6, for example of a glass such as that known under the designation Pyrex) and connected to the enclosure 1, for example by means of a spherical lapping 8.
On tube 6, there are several pipes, namely:
-a tubing 6a through which one can introduce in a sealed manner for example, using a conical lapping 7, a thermometer 9, which plunges inside the tube to the vicinity of the container C,
a pipe 6b to which is connected, for example by a conical lapping 10, a reservoir 11 filled with the liquid of known specific mass and serving for the measurements, this liquid being able to be introduced into the tube 6 by rotating the reservoir 11 around the axis of the tubing 6b,
a pipe 6c through which the interior of the tube 6 is connected to a vacuum pump or the like, not shown,
-a tubing 6d on which is fixed, for example by means of a conical lapping 13,
a reservoir 14 serving as an overflow for the tube 6 and making it possible to maintain a constant level in the tube 6 during the immersion of the sample P.
To ensure the immersion of the sample without transporting the latter, it is also possible to have recourse to the device shown schematically in FIG. 3 and which consists of an inverted U-shaped tube 12, one end of which plunges into the bottom of the tube 6 into which the tube 12 penetrates thanks to the tubing 6b (arranged as shown in the figure), and the conical lapping 10, and the other end of which plunges to the bottom of a reservoir R (into which said tube penetrates by virtue of a conical lapping R9), filled with liquid of known specific mass. The interior of the reservoir R is connected by a tube Ri to a vacuum pump, not shown, and the communication between the interior of the tube 6 and the interior of the reservoir R, which is effected by the tube 12, can be interrupted. using a T.
To ensure a slow transfer to the tube 6 of the liquid contained in the reservoir R, or establishes inside said reservoir a vacuum a little less intense than that which prevails in the tube 6 at the end of the degassing, then ono opens the valve T. To slow down the flow of liquid in the direction of the tube 6, there can advantageously be provided on the tube 12 a restriction S.
Finally, as regards the means capable of bringing the sample to a given temperature before and after immersion, they can be constituted as shown in FIG. 2 by a Dewar vessel filled for example with water and provided with a stirrer 16, the tube 6 being immersed in this Dewar vessel.
The container C, the capacity of which is approximately 0.5 cm and inside which the sample is placed
P is suspended from a wire 17 advantageously made of platinum.
This receptacle, the shape of which has been chosen to avoid any ejection of substance at the time of immersion, does well from FIG. 4, advantageously comprises two orifices, of which only one, the orifice 18, is visible.
The length of the wire is such that the container C is located near the bottom of the tube 6.
In fig. 5 and 6, there is shown a second embodiment of the device illustrated in FIG. 2.
In this second embodiment, the tube 6 is connected to a reservoir 20, also made of a glass such as 4 (Pyrex, via a plate 21, for example made of metal, which is welded to the end bottom of said tube and which is fixed to a flange 22 of the reservoir 20 by means of screws 23 and with the interposition of a seal 24.
The reservoir 20 is filled by a system comprising a tube 12 and a tap T similar to that described with reference to FIG. 3. The leaktightness of the passage is ensured as shown by means of a seal 12a.
To avoid too rapid introduction of the measuring liquid into the crucible and to make its filling more efficient and more practical, a finger 25 has been provided which can move along its axis and which enters the interior of the tank passing through the plate 21, by example thanks to the set of parts shown in fig. 4, sealing being provided by a seal 26. Means 26a for locking the finger are also provided. At that of its ends which is inside the reservoir 20, the finger 25 comprises a fork 27, which is housed under the handle of the crucible C, which makes it possible to immerse the crucible in the liquid only once that the latter has been brought to a specific level. A great deal. 28 controls this level.
This reduction replaces the overflow assembly of the other device The introduction of the liquid through the orifices 18 provided on! The crucible is very easy to control.
To facilitate the use of measuring liquids having fairly high vapor pressures (at the outlet of the tube 12 there is then agitation of the liquid with the formation of bubbles which can distort the measurements by soiling the suspension wire 17), it is necessary to makes the tank 20 comprise a vertical partition 29, for example made of stainless steel, separating it into two compartments, one of which contains the crucible C and the other the tube 12; communication between the two compartments is ensured by a slot 30 provided on the lower edge of the partition 29. The partition 29 can be held in place, as shown, using elastic means such as two springs 31.
The device is also made to understand an oven 32 which can be secured to the plate 21 by means of threaded rods 33 and nuts 34. Thanks to the presence of this oven, the degassing is more efficient and faster and facilitates the study of powdery products which rapidly fix the humidity of the air.
The use of degassing with heating entails the need to be able to remove the thermometer - designated here by 35 and which enters the tank through a pipe 36 - from the influence of heat. To do this, one can provide a sliding assembly such as that of which the constituent parts are shown in fig. 5 (the thermometer is shown in the retracted position). sealing being ensured by a gasket 37.
Attention is drawn to the fact that the tubing 36 and the thermometer 35 are not, in reality, at the location indicated but offset by 90, that is to say in front or behind the plane of the figure. This representation has been adopted only for reasons of ease and clarity of the drawing.
This being the case, there is a device whose characteristics emerge sufficiently from the foregoing so that it is unnecessary to dwell on this subject and whose operating mode is as follows.
The sample P-container C assembly is first weighed using a precision balance, for example using a single-pan scale at 1/50 mg. Corrections due to air buoyancy on vessel C and sample P are made from the air densities after determining their respective volumes, it being understood that the weight and volume of vessel C can be determined once. for all.
The container is then suspended from the wire 17, that is to say from the plate 2a, then the equilibrium is established by taring by placing some of the weights Mn on the plate 2b.
Once the equilibrium has been obtained, it is customary to calibrate the sensitivity of the balance using one of the standard weights, for example a 10 mg weight, from the Mn weight range.
The assembly consisting of the enclosure containing the balance, on the one hand, and the tube 6, on the other hand (the variant of FIG. 2 is considered hereinafter more particularly), is then placed under vacuum. during a dozen hours, which allows to obtain a thorough degassing.
It is certain that the vapor pressure of the liquid contained in the tank (liquid which is often constituted by diethyl orthophthalate) limits this degassing.
In the case of samples which are difficult to degas, it is therefore sometimes desirable to reduce this vapor pressure and, to do this, it is sufficient to immerse the reservoir 11 in a cooling mixture.
Once the degassing is complete, the liquid contained in the reservoir 11 is introduced into the tube 6.
Sometimes, when contact between the liquid and the sample is established, small bubbles form which adhere to the sample grains. To eliminate these bubbles, one can have recourse to a vibration which ensures a rapid wetting of the whole sample and which can be obtained using an electromagnetic vibrator (not shown) of the type which is commonly used in the laboratory. and the vibrating finger of which, of adjustable amplitude, is brought into contact with the tube 6 at the level of the container C, the vibrations being transmitted to the sample P by means of the liquid.
When the immersion is carried out, normal pressure is re-established inside the assembly formed by the chamber 1 and the tube 6.
Due to the hydrostatic thrust exerted on the sample by the liquid filling the tube 6, the aforesaid equilibrium is broken. It is re-established, either by taring on the plate 2a, or by a new taring on the plate 2b by removing the weights M ,, necessary for this purpose.
It will be noted that, owing to the knowledge of the variations with the temperature of the specific masses of the air and of the liquid filling the reservoir 11, it is not necessary to carry out the two equilibria at the same temperature.
Since, moreover, it is convenient to reduce as far as possible the manipulations of weights when establishing equilibria, one arranges to have samples of approximately constant mass on average, which mass can be chosen. advantageously such that the hydrostatic thrust exerted on the sample is close to 200 mg. Under these conditions, it suffices to remove a weight of 200 mg from the plate 2b when the second equilibrium is established as well as a weight Mu corresponding to the thrust exerted by the liquid on the container C. To obtain equilibrium , it is then sufficient to add or subtract weights representing a mass m in the plate 2b.
The calculation giving the volume of the sample, namely
Vp (t) is then very simple.
Assuming that the first equilibrium within a gas, that is to say generally air, corresponds to a calibration Tl on the plate 2b and that the second equilibrium, within the liquid, corresponds to a calibration Ta , we have the relations:
Tl = MasseP + c-Vr ,. r. (t) ôc, (t) with = density of the air or gas used as a function of the temperature,
Ta = Mass?, C-Vp. c (t) AI (t) with Al, (t) = density of the liquid used as a function of temperature, or Z'i-T-Vr, (t) [(L'1I, (t) -Sc ( t))] i.e. VP @ C (t) = T1-T2
Aj / t) -8e (t)
Now the volume of the container C is known as a function of the temperature, namely V i. (t) and, therefore, V (t) - "- V ,.
<t)
hI (t) -8f (t)
However, given the conventions indicated above concerning the average quantity of the sample (hydrostatic pressure close to 200 mg), given in addition that we know the volume of the container and, consequently, the value of the thrust Me exerted on it by the liquid L, and that consequently the second equilibrium is reached by adding or subtracting from the plate 2b weights m after having automatically removed from the plate 2b a weight of 200 mg as well as weights corresponding to Me , we have the relation:
Ti-Ta = 200 + Mcm and the sample volume is given by
200 + Mc # m
Vp (t) = - Vc (t)
#L (t) - # G (t)
Knowing also the weight of the r6ci pient + sample assembly as well as the weight of the container alone and knowing that the density of the air (or gas) in which the sample container assembly was weighed is 8G ( t), it is easy to calculate the correction due to air buoyancy and to determine the weight of the sample accurately.
From knowledge of weight and volume, we then deduce the specific mass.
It will be understood that in practice the handling of the weighing is reduced to the installation of the weights m relating to the difference in the thrusts at the time of the two balances.
It is reported that AL (t) is determined using a known solid S standard. We compare the thrusts exerted on this solid by the liquid studied and by distilled and deaerated water, the variation in specific mass of which with temperature, ie As (t), is known with very great precision.
This determination of AL (t) can be done quickly and with great precision by slowly varying the temperature of the liquid contained in the vessel.
Dewar and recording the hydrostatic thrusts exerted by the liquid on the standard solid.
Hereinafter, the error calculations making it possible to assess the precision of the means according to the invention are described.
The weighings are carried out on a single-pan balance to 1/50 mg or to the nearest 0.02 mg.
The bath temperature is known to within 0.020 C and the forces measured on the register scale are known to within 0.07 mg.
To this error must be added those made on all the standard weights used and which are 0.02 mg.
Since the bath temperature is known to within 0.02 C, the errors made on the specific mass of the water are + 5 10-6 mg / mm3.
As indicated above, AL (t) is determined using a sample solid S. Therefore, the calculation of the value of dAL must go through the calculation
L of the error on the volume of the standard solid.
This calculation gives (for distilled water):
dVs d (push on S) + d (# dist. water)
Vs thrust on S Aeau dist.
Or d (push on S) = 0.02 + 0.07 = 0.09 mg.
Assuming that the solid S has a volume close to 4.000 mm3, the thrust exerted on it will be close to 4.000 mg and, consequently:
dVs 0.09
= + 5.10-6 = 3.10-5
Vs 4.000 and dVs = 0.12 mm3
Knowing that the density of the measuring liquid, when the latter is diethyl orthophthalate, is at 20 C close to 1.1 and that the thrust exerted on the solid S is therefore close to 4.500 mg, we at :
dAL dVs d (push on S)
AL VS push on S
dAL 3 10-5 + 0'09 = 5, 5. 10-5
AL 4.500
dAL #
6.10-5 mg / mm3
It should be noted that this precision could be further increased by the use of a solid S standard of larger volume.
The precision obtained on the volume of the container C and the immersed part of the platinum wire (volume which for the same temperature is always constant thanks to the electromagnetic compensation device included by the balance and thanks to the fact that the level is always constant in the tube 6) will be, taking into account the fact that the volume of the receptacle is close to 500 mm3 and the thrust exerted on it close to 550 mg, as follows:
dVC dAL + d (push on C)
Vc AL thrust on C
= 5, 5. 10-5 + 0'09 # 2, 2.10-4
550 dVo #
0.11 mm3
If we now consider the total container-sample volume, namely VT, and taking into account the fact that the sample volume is of the order of 200 mm3, we have
VT # 200 + 500 = 700 mm3 as well as
Total thrust # 770 mg
Consequently, we will have:
dVT d (total thrust) + dAL
Total pushed VT #L
0.09
= + 5.5.10-5
770
# 1, 8. 10-4 dVT # 0.13 mm3
From the above, we deduce the error on the volume of the sample.
Knowing that: VP-VT-VC we have
dVp = dVT + dVc
= 0.13 mm3 + 0.11 mm3 dVp = 0.24 mm3 and finally dVp 24-1, 2. 10-3
Vp 200
Hence finally the precision on the specific mass of the sample:
Mp Q =
VP
from ¯ dMp dVp # MP VP
0.02
= + 1,2.10-3
200th and we find
de = 10-4 + 1, 2. 10-3. Q the precision on the specific mass therefore being a function of this one and, by way of example, we will have, for a specific mass of 3, the following precision:
d (spec. mass) = 10-4 + 3, 6. 10-3 = 3, 7. 10-3
Still to illustrate the invention, the results of measurements carried out with a view to determining the specific mass of sodium chloride are given below.
To do this, sodium chloride precipitated from its aqueous solution saturated with ethanol was used, this sodium chloride having been washed with alcohol and then dried under a primary vacuum at 2000 C.
Knowing that the parameter of CINa is
a = 5, 639 A and that its crystallographic density is 2, 165 with a variation according to the temperature given by the relation:
Q5 o = 2o1644 [1-0, 000121 (t-18)] four measurements were taken, the results of which are shown in the table below:
N-t, C measured calculated from
1 21 2, 160 g / cm3 2, 1637-0, 004
2 23 2, 163 g / cm3 2, 1632. 0, 000
3 19 2, 162 g / cm3 2, 1644 0, 002
4 25 2, 164 g / cm3 2, 1627 +0, 001
Then we have a method and a device for the determination of specific masses whose characteristics and operating mode emerge sufficiently from the above for it to be unnecessary to dwell on this subject and whose advantages, which are numerous, consist in particular of remarkable precision, simple handling conditions and, above all, the possibility of using very small quantities of product,
which is extremely valuable in the case of products that are expensive or available in small quantities.
CLAIMS
I. Method for the determination of the specific masses of solids in which the volume of the sample studied is determined by determining the upward force which it undergoes after immersion in a liquid of known specific mass, characterized in that l 'the degassing of the sample and its subsequent immersion is carried out without intermediate transport.