RU2180743C2 - Process determining active porosity of materials - Google Patents
Process determining active porosity of materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2180743C2 RU2180743C2 RU99120607A RU99120607A RU2180743C2 RU 2180743 C2 RU2180743 C2 RU 2180743C2 RU 99120607 A RU99120607 A RU 99120607A RU 99120607 A RU99120607 A RU 99120607A RU 2180743 C2 RU2180743 C2 RU 2180743C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sample
- gas
- amplitude
- pressure
- space
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения пористости различных материалов. The invention relates to measuring technique and can be used to determine the porosity of various materials.
Известен способ определения пористости материалов, заключающийся в помещении исследуемого тела в измерительную емкость, соединении измерительной емкости с калиброванной емкостью избыточного давления, перепуске газа из калиброванной емкости в измерительную и измерении давлений в емкостях до и после перепуска (А.С. 1368720 кл. G 01 N 15/08, 1988 г.). There is a method of determining the porosity of materials, which consists in placing the test body in a measuring vessel, connecting the measuring vessel with a calibrated overpressure vessel, transferring gas from a calibrated vessel to a measuring vessel, and measuring pressure in the vessels before and after the bypass (A.S. 1368720 class G 01
Данный способ обладает низкой точностью определения активной пористости, так как в момент перепуска газа из калиброванной емкости в измерительную газ в основном адсорбирует на исследуемом образце, а не проникает по активным порам внутрь. This method has low accuracy in determining active porosity, since at the time of gas bypass from a calibrated vessel into the measuring gas, it mainly adsorbs on the test sample, and does not penetrate through the active pores.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения пористости материалов, включающий ламинарную фильтрацию газа через заключенный в обечайку из газонепроницаемого материала образец, создании гармонических колебаний газа определенной частоты и амплитуды в замкнутом пространстве перед образцом и измерения колебаний давления газа в замкнутом пространстве после образца (А.С. 1679287 кл. G 01 N 15/02, 1991 г.). Closest to the proposed invention is a method for determining the porosity of materials, including laminar gas filtration through a sample enclosed in a shell made of a gas-tight material, creating harmonic oscillations of a gas of a certain frequency and amplitude in a closed space in front of the sample, and measuring gas pressure fluctuations in a closed space after the sample (A. S. 1679287 C. G 01
Данный способ определения активной пористости обладает незначительными функциональными возможностями, так как оценивает только численное значение активной пористости материалов, без определения радиуса активных пор и оценки извилистости пор и потерь давления на входе и выходе. Необходимо отметить, что неучтение радиуса активных пор, извилистости и потерь давления на входе и выходе приводит к увеличению погрешности измерения активной пористости. This method of determining active porosity has little functionality, since it only estimates the numerical value of the active porosity of materials, without determining the radius of the active pores and evaluating the tortuosity of the pores and pressure losses at the inlet and outlet. It should be noted that ignoring the radius of active pores, tortuosity, and pressure loss at the inlet and outlet leads to an increase in the error in measuring active porosity.
Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения активной пористости материалов путем обеспечения возможности определения радиуса активных пор, извилистости пор и потерь давления на входе и выходе. The aim of the present invention is to improve the accuracy of measuring the active porosity of materials by providing the ability to determine the radius of active pores, tortuosity of pores and pressure losses at the inlet and outlet.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, включающем ламинарную фильтрацию газа через заключенный в обечайку из газонепроницаемого материала образец из замкнутого пространства перед образцом в замкнутое пространство после него, путем создания в замкнутом пространстве перед образцом гармонических колебаний давления газа определенной частоты и амплитуды, и измерения амплитуды колебаний газа в замкнутом пространстве после образца, гармонические колебания давления газа в замкнутом пространстве перед образцом осуществляют с изменяющейся частотой, измеряют изменение амплитуды давления газа в замкнутом пространстве перед образцом и после образца, вычисляют разность амплитуд и определяют три значения частоты из условия равенства разности амплитуд, определяя активную пористость материалов в результате совместного решения на ЭВМ трех уравнений:
где
ω*, ω**, ω*** - соответственно три значения частоты, при которых обеспечивается одинаковое значение
где Аа - амплитуда колебаний давления в замкнутом пространстве перед образцом;
An - после образца;
ΔP - перепад давлений на образце;
Lм - толщина исследуемого материала;
соответственно отношение амплитуд в замкнутом пространстве после образца и до образца при ω*, ω**, ω***.
ρ0 - плотность газа в установившемся состоянии;
i - комплексное число;
R - эквивалентный радиус пор;
Р0 - давление в установившемся состоянии;
К - коэффициент адиабаты;
υ - коэффициент кинематической вязкости;
J0, J2 - функции Бесселя;
ch(iω), sh(iω) - эллиптические синусы и косинусы;
L = βLм, где Lм - толщина исследуемого материала;
β - коэффициент, учитывающий извилистость пор и потери давления на входе и выходе образца;
V - газовый объем пространства после образца;
П - значение активной пористости материала;
а0 - скорость звука.This goal is achieved by the fact that in the known method, comprising laminar gas filtration through a sample enclosed in a shell of gas-tight material from a closed space in front of the sample into a closed space after it, by creating harmonic oscillations of gas pressure of a certain frequency and amplitude in a closed space in front of the sample, and measuring the amplitude of gas oscillations in a closed space after a sample, harmonic fluctuations in gas pressure in a closed space in front of a sample are vlyayut variable frequency measured amplitude variation of the gas pressure in the enclosed space prior to the sample and after the sample, and calculating a difference between the amplitudes is determined by three values by equating the frequency amplitude difference, determining a porosity of the active material by co-solutions of computer three equations:
Where
ω * , ω ** , ω *** - respectively, three frequency values at which the same value is provided
where A a is the amplitude of pressure fluctuations in a confined space in front of the sample;
A n - after the sample;
ΔP is the pressure drop across the sample;
L m - the thickness of the test material;
accordingly, the ratio of the amplitudes in the confined space after the sample and to the sample for ω * , ω ** , ω *** .
ρ 0 is the steady state gas density;
i is a complex number;
R is the equivalent pore radius;
P 0 - steady state pressure;
K is the adiabatic coefficient;
υ is the kinematic viscosity coefficient;
J 0 , J 2 - Bessel functions;
ch (iω), sh (iω) - elliptic sines and cosines;
L = βL m , where L m is the thickness of the test material;
β - coefficient taking into account tortuosity of pores and pressure loss at the inlet and outlet of the sample;
V is the gas volume of space after the sample;
P is the value of the active porosity of the material;
and 0 is the speed of sound.
В системе цилиндрических координат х, r, θ, при допущении осевой симметрии емкостей 4 и 3 и обечайки 1 (при условии, что образец 2 имеет поры в виде капилляров, длина которых намного превышает диаметр) математическая модель перетекания газа по этим порам может быть представлена следующими уравнениями:
- уравнение Навье-Стокса или уравнение, вытекающее из закона сохранения количества движения:
- уравнение неразрывности или уравнение, вытекающее из закона сохранения массы
- уравнение адиабаты:
PVK=const (3)
Линеаризируем уравнение (3). Будем иметь
где ρ - плотность газа;
Р - давление газа;
u - осевая составляющая скорости течения газа;
радиальная составляющая скорости течения газа;
μ - коэффициент динамической вязкости;
r - текущий радиус капилляра;
К - показатель адиабаты.In the cylindrical coordinate system x, r, θ, assuming the axial symmetry of containers 4 and 3 and shell 1 (provided that sample 2 has pores in the form of capillaries whose length is much larger than the diameter), a mathematical model of gas flow through these pores can be represented the following equations:
- the Navier-Stokes equation or the equation resulting from the law of conservation of momentum:
- the continuity equation or the equation resulting from the law of conservation of mass
- adiabatic equation:
PV K = const (3)
We linearize equation (3). Will have
where ρ is the gas density;
P is the gas pressure;
u is the axial component of the gas flow velocity;
the radial component of the gas flow rate;
μ is the dynamic viscosity coefficient;
r is the current radius of the capillary;
K is the adiabatic exponent.
Решив совместно уравнения 2 и 4, исключим плотность ρ и, умножив полученное выражение на r, выразим
Будем иметь:
(5)
Проинтегрировав последнее от 0 до R по r при условии, что при r=0 и r=R, а также получим:
Аналогично проинтегрируем уравнение 1. Используя условие ∂u/∂r/r=0 = 0 и предварительно умножив на r, будем иметь:
где коэффициент кинематической вязкости.Solving equations 2 and 4 together, we eliminate the density ρ and, multiplying the resulting expression by r, express
Will have:
(5)
Integrating the latter from 0 to R over r, provided that for r = 0 and r = R, and also we get:
We similarly integrate equation 1. Using the condition ∂u / ∂r / r = 0 = 0 and previously multiplying by r, we have:
Where kinematic viscosity coefficient.
Введем обозначение:
где среднее значение осевой составляющей скорости в поперечном сечении капилляра образца 2.We introduce the notation:
Where the average value of the axial component of the velocity in the cross section of the capillary of sample 2.
В результате уравнения 6 и 7 преобразуются к виду:
Два последних уравнения совместно с (1) представляют собой систему, к которой применим преобразование Лапласа.As a result, equations 6 and 7 are converted to the form:
The last two equations together with (1) are a system to which the Laplace transform is applicable.
Из уравнения (1) будем иметь:
Последнее уравнение представляет собой обыкновенное линейное неоднородное дифференциальное уравнение, решением которого будет уравнение вида:
где J0 - функция Бесселя, f(х,s) - неизвестная функция.From equation (1) we will have:
The last equation is an ordinary linear inhomogeneous differential equation, the solution of which is an equation of the form:
where J 0 is the Bessel function, f (x, s) is an unknown function.
Применим преобразование Лапласа к уравнениям 9 и 10. Получим:
Исключим из (13) производную
Будем иметь:
Определим неизвестную f(x,S)
Поставив полученное выражение в (15), будем иметь
А из уравнения 14
Примем
Г2(S)=z(S)•y(S).We apply the Laplace transform to
We exclude the derivative from (13)
Will have:
Define the unknown f (x, S)
Putting the resulting expression in (15), we have
And from equation 14
Will accept
Γ 2 (S) = z (S) • y (S).
С учетом этого из уравнений (17) и (18) получим следующее соотношение между давлением в емкости 4 и в емкости 3:
Так как давление в емкости 4 является гармоническим незатухающим, то согласно теории управления возможна замена S на iω.
С учетом этого будем иметь:
Произведение F•L=П - активная пористость образца. Отсюда
Если пористое тело 2 имеет множество ориентированных вдоль оси Х цилиндрических капилляров различного диаметра, то R - эквивалентный диаметр капилляров.With this in mind, from equations (17) and (18) we obtain the following relationship between the pressure in the tank 4 and in the tank 3:
Since the pressure in the vessel 4 is harmonic undamped, according to control theory, it is possible to replace S with iω.
With this in mind, we will have:
The product F • L = P is the active porosity of the sample. From here
If the porous body 2 has a plurality of cylindrical capillaries oriented along the X axis of various diameters, then R is the equivalent diameter of the capillaries.
Реальные открытые поры материалов в большинстве своем очень далеки от идеальных, вытянутых вдоль оси Х капилляров различного диаметра. Тем не менее, при фильтрации газа через реальную пористую среду, как и через идеальную, будут наблюдаться трубки тока, которые можно привести с рассмотренной нами физической модели (вытянутым вдоль оси Х цилиндрическим капиллярам различного диаметра) через коэффициент извилистости αизв. Необходимо также учитывать входные и выходные потери газа на входе и выходе из пористого тела. Если эти потери учитывать традиционным методом через уравнения Вейсбаха, то это приведет к нелинейности уравнений. Чтобы избежать этого, применим также широко известный способ учета входных и выходных сопротивлений, заключающийся в искусственном увеличении длины входных и выходных участков пористого тела в направлении фильтрации. С учетом этого длина L в уравнении 24 будет равна
L = LмαизвΔLвх+ΔLвых = βLм, (25)
где Lм - толщина исследуемого материала;
αизв- коэффициент, учитывающий извилистость пор;
ΔLвх - искусственное удлинение участка пористого тела для того, чтобы учесть потери на входе;
ΔLвых - искусственное удлинение участка пористого тела для того, чтобы учесть потери на выходе;
β - суммарный коэффициент удлинения, учитывающий извилистость пор и потери на входных и выходных участках.For the most part, real open pores of materials are very far from ideal capillaries of various diameters elongated along the X axis. Nevertheless, when filtering gas through a real porous medium, as well as through an ideal one, current tubes will be observed that can be brought from the physical model that we examined (cylindrical capillaries of different diameters extended along the X axis) through the tortuosity coefficient α cf. It is also necessary to take into account the input and output gas losses at the inlet and outlet of the porous body. If these losses are taken into account by the traditional method through the Weisbach equations, then this will lead to nonlinearity of the equations. To avoid this, we also apply the well-known method of accounting for input and output resistances, which consists in artificially increasing the length of the input and output sections of the porous body in the filtration direction. With this in mind, the length L in equation 24 will be equal to
L = L m α keV Rin + ΔL ΔL O = βL m, (25)
where L m is the thickness of the test material;
α conv - coefficient taking into account tortuosity of pores;
ΔL I - artificial lengthening of the porous body in order to take into account input losses;
ΔL O - artificial lengthening portion of the porous body in order to allow for loss at the outlet;
β is the total elongation coefficient, taking into account the tortuosity of the pores and losses at the input and output sections.
Таким образом расчетное уравнение (24) содержит три неизвестные величины: активную пористость П, эквивалентный радиус пор R и коэффициент β, учитывающий извилистость пор и потери давления на входе и выходе. Thus, the calculated equation (24) contains three unknown quantities: the active porosity P, the equivalent pore radius R and the coefficient β, taking into account the tortuosity of the pores and pressure losses at the inlet and outlet.
Вследствие этого при определении П, β и R необходимо совместно решить три уравнения 24 при различных ω и Аа/An.As a result of this, in determining П, β, and R, it is necessary to solve three equations 24 together for different ω and A a / A n .
Так как потери давления на входе и выходе образца согласно уравнениям Вейсбаха пропорциональны квадрату скорости фильтрации газа в порах образца, а скорость фильтрации для одних и тех же образцов пропорциональна перепаду давления на образце и обратно пропорциональна толщине образца Lм, в трех уравнениях 24 отношение амплитуд Аа/An должны соответствовать тем значениям ω и Lм, при которых отношение перепада давления на образце к толщине образца постоянно (ΔP/Lм = const, или при постоянной ΔP = const).Since the pressure loss at the inlet and outlet of the sample according to the Weisbach equations is proportional to the square of the gas filtration rate in the pores of the sample, and the filtration rate for the same samples is proportional to the pressure drop across the sample and inversely proportional to the sample thickness L m , in three equations 24 the amplitude ratio A a / A n must correspond to those values of ω and L m at which the ratio of the pressure drop across the sample to the thickness of the sample is constant (ΔP / L m = const, or at a constant ΔP = const).
На фиг.2 представлены характерные осциллограммы измерения Аа/An и ΔP/Lм в зависимости от частоты ω при Lм=const.Figure 2 presents the characteristic oscillograms of the measurement of A a / A n and ΔP / L m depending on the frequency ω at L m = const.
Характер изменения ΔP/Lм позволяет, как это видно из графика, найти три значения частоты ω*, ω**, ω***, при которых ΔP/Lм = const. Извилистость кривой ΔP/Lм = f(ω) объясняется наличием функций Бесселя и эллиптических синусов и косинусов в уравнении 24. Поэтому при любых материалах и любых Lм всегда можно найти три значения частоты ω, при которых ΔP/Lм = const и ΔP = const.. Так как Lм в процессе измерения остается неизменной, то для упрощения находим три значения частоты ω при ΔP = Aa-An =const.
На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации предлагаемого способа.The nature of the change ΔP / L m allows, as can be seen from the graph, to find three values of the frequency ω * , ω ** , ω *** , at which ΔP / L m = const. The tortuosity of the curve ΔP / L m = f (ω) is explained by the presence of Bessel functions and elliptic sines and cosines in equation 24. Therefore, for any materials and any L m , you can always find three values of the frequency ω at which ΔP / L m = const and ΔP = const .. Since L m remains unchanged during the measurement, for simplicity we find three values of the frequency ω at ΔP = A a -A n = const.
In FIG. 1 shows a diagram of a device for implementing the proposed method.
Устройство состоит из цилиндрической, выполненной из газонепроницаемого материала обечайки 1, в которую плотно установлен цилиндрический пористый образец 2 таким образом, что длина образца 2 равна длине обечайки 1. Один открытый конец обечайки 1 соединен, например, с помощью резьбового соединения и уплотнителя (условно не показаны) с калиброванной емкостью 3, а другой с емкостью 4, являющейся генератором гармонических колебаний. Для возбуждения колебаний в емкость 4 вмонтирован, например, сильфон 5. В стенках емкостей 4 и 3 установлены датчики 6 и 7, выходы которых соединены с входом ЭВМ 9 через электронное согласующее устройство 8. The device consists of a cylindrical shell made of gas-tight material 1, in which a cylindrical porous sample 2 is tightly mounted so that the length of the sample 2 is equal to the length of the shell 1. One open end of the shell 1 is connected, for example, by means of a threaded joint and a seal (conditionally not shown) with calibrated capacity 3, and the other with capacity 4, which is a generator of harmonic oscillations. To excite oscillations, for example, a
Claims (1)
;
где
Г(iω) = [z(iω)•y(iω)]1/2;
ω*, ω**, ω***-
соответственно три значения частоты, при которых обеспечивается одинаковое значение где Аа - амплитуда колебаний давления в замкнутом пространстве перед образцом;
Аn - амплитуда колебаний давления в замкнутом пространстве после образца;
ΔP - перепад давлений на образце;
LM - толщина исследуемого материала;
соответственно отношение амплитуд в замкнутом пространстве после образца и до образца при ω*, ω**, ω***;
L = βLм, где β - коэффициент, учитывающий извилистость пор и потери давления на входе и выходе из образца;
R - эквивалентный радиус пор;
П - значение активной пористости;
ρ0 - плотность газа в установившемся состоянии;
i - комплексное число;
К - коэффициент адиабаты;
ν - коэффициент кинематической вязкости;
J0, J2 - функции Бесселя;
ch(iω), sh(iω)- эллиптические синус и косинус;
V - газовый объем пространства после образца;
а0 - скорость звука.A method for determining the active porosity of materials, including laminar gas filtration through a sample enclosed in a shell made of gas-tight material from a closed space in front of the sample into a closed space after it by creating harmonic gas pressure oscillations of a certain frequency and amplitude in a closed space in front of the sample and measuring the amplitude of gas pressure fluctuations in closed space after the sample, characterized in that the harmonic oscillations of the gas pressure in the closed space the sample is carried out with a varying frequency, the change in the amplitude of the gas pressure in the confined space in front of the sample and after the sample is measured, the amplitude difference is calculated and three frequency values are determined from the condition of equal amplitude difference, determining the active porosity of the materials, the equivalent pore radius and the coefficient taking into account the tortuosity of the pores and pressure loss at the entrance to the sample and exit from it as a result of a joint decision on the computer of three equations:
;
Where
Γ (iω) = [z (iω) • y (iω)] 1/2 ;
ω * , ω ** , ω *** -
accordingly, three frequency values at which the same value is provided where A a is the amplitude of pressure fluctuations in a confined space in front of the sample;
And n is the amplitude of pressure fluctuations in a confined space after the sample;
ΔP is the pressure drop across the sample;
L M is the thickness of the test material;
accordingly, the ratio of amplitudes in a confined space after the sample and to the sample for ω * , ω ** , ω *** ;
L = βL m , where β is a coefficient taking into account the tortuosity of pores and pressure loss at the inlet and outlet of the sample;
R is the equivalent pore radius;
P is the value of active porosity;
ρ 0 is the steady state gas density;
i is a complex number;
K is the adiabatic coefficient;
ν is the kinematic viscosity coefficient;
J 0 , J 2 - Bessel functions;
ch (iω), sh (iω) - elliptic sine and cosine;
V is the gas volume of space after the sample;
and 0 is the speed of sound.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99120607A RU2180743C2 (en) | 1999-10-01 | 1999-10-01 | Process determining active porosity of materials |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99120607A RU2180743C2 (en) | 1999-10-01 | 1999-10-01 | Process determining active porosity of materials |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU99120607A RU99120607A (en) | 2001-08-10 |
RU2180743C2 true RU2180743C2 (en) | 2002-03-20 |
Family
ID=20225344
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99120607A RU2180743C2 (en) | 1999-10-01 | 1999-10-01 | Process determining active porosity of materials |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2180743C2 (en) |
-
1999
- 1999-10-01 RU RU99120607A patent/RU2180743C2/en active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bergh et al. | Theoretical and experimental results for the dynamic response of pressure measuring systems | |
Tu et al. | Fully developed periodic turbulent pipe flow. Part 1. Main experimental results and comparison with predictions | |
Tison | Experimental data and theoretical modeling of gas flows through metal capillary leaks | |
US6971259B2 (en) | Fluid density measurement in pipes using acoustic pressures | |
Tough et al. | Vibrating wire viscometer | |
EP0077285A2 (en) | Long wavelength acoustic flowmeter | |
JPS62291543A (en) | Method of measuring foaming point or maximum pore of thin-film or filter material | |
Pozrikidis | Stokes flow through a permeable tube | |
CN100434875C (en) | Ultrasonic flowmeter and its theory and technique | |
CN104729972A (en) | Carbonatite gas and water relative permeability determination method and device | |
CN102252722B (en) | Three-differential-pressure gas liquid two-phase fluid flow metering device | |
KR890010396A (en) | Turbine Blade Cross Section Determination Method and Apparatus | |
RU2180743C2 (en) | Process determining active porosity of materials | |
US6196058B1 (en) | On-line viscosity measurement system | |
RU2244915C1 (en) | Method of determining active porosity of materials | |
Weller et al. | Diffusion of gases in porous solids. I. Theoretical background and experimental method | |
CN110456005B (en) | Method, device and system for measuring carbon dioxide flux by flowmeter-free dynamic box method | |
JP2816992B2 (en) | Acoustic density meter | |
RU2772068C1 (en) | Method for mass flow measurement | |
JP3252187B2 (en) | Flowmeter | |
RU2718140C1 (en) | Method for measuring mass of one of components of a two-component substance with temperature correction and device for its implementation | |
RU2156960C2 (en) | Process of measurement of mass, flow rate and volume of gas while it is released from closed vessel and gear for its implementation | |
SU974248A1 (en) | Device for determination continuity of liquid flow | |
SU625149A1 (en) | Fluid parameter determining method | |
SU1610404A1 (en) | Device for measuring viscosity of liquid media in flow |