RU2305828C1 - Способ определения параметров пористости материалов - Google Patents
Способ определения параметров пористости материалов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2305828C1 RU2305828C1 RU2006112376/28A RU2006112376A RU2305828C1 RU 2305828 C1 RU2305828 C1 RU 2305828C1 RU 2006112376/28 A RU2006112376/28 A RU 2006112376/28A RU 2006112376 A RU2006112376 A RU 2006112376A RU 2305828 C1 RU2305828 C1 RU 2305828C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring chamber
- pressure
- gas
- coefficient
- time
- Prior art date
Links
Landscapes
- Sampling And Sample Adjustment (AREA)
Abstract
Измерительную камеру герметично соединяют с контролируемым материалом. После откачивания воздуха из измерительной камеры увеличивают ее объем, осуществляя разрежение газа до давления, обеспечивающего возможность молекулярного течения газа через поры контролируемого материала. Измеряют этот объем измерительной камеры, фиксируют время начала процесса течения газа через материал, остаточное давление газа и температуру в камере в этот период. С учетом данных параметров определяют коэффициенты фильтрации, проницаемости, диффузии, растворимости и пористости в соответствии с предлагаемыми расчетными соотношениями. Способ характеризуется повышением точности определения. 1 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при оценке качества пористых материалов, например керамики, металлокерамики.
Известен способ определения параметров пористости материалов (Патент РФ № 2186365, кл. G01N 15/08, 2002 г.).
Согласно этому способу ячейку, состоящую из двух камер (рабочей и измерительной), разделенных испытуемым образцом, вакуумируют. Рабочую камеру соединяют с атмосферой. Подают газ в рабочую камеру. Регистрируют изменение давления, температуру, приращение давления в измерительной камере за определенный промежуток времени. Сравнивают каждое приращение давления с предыдущим и фиксируют время, когда они окажутся равны, измеряют величину давления в измерительной камере за фиксированное время и определяют коэффициенты фильтрации (Кф), проницаемости (К0), диффузии (D) и растворимости (Кг).
Недостатком данного способа является то, что способ не позволяет определить параметры пористости для труднопроницаемых материалов. Кроме того, известный способ не позволяет определить коэффициент пористости материалов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ определения параметров пористости материалов (Патент РФ № 2235308, кл. G01N 15/08, 2004 г.).
Согласно этому способу образец помещают в ячейку, разделяя ее на рабочую и измерительную камеры. Камеры вакуумируют. Рабочую камеру соединяют с атмосферой. Регистрируют изменение давления, температуру и приращение давления за определенный промежуток времени в измерительной камере. Осуществляют выравнивание каждого последующего приращения давления с предыдущим. Фиксируют время, при котором величина последующего приращения давления окажется равной предыдущему, измеряют величину давления в измерительной камере за фиксированное время. Измеряют температуру в рабочей камере, осуществляют выравнивание ее с температурой в измерительной камере и поддерживают их равными друг другу в течение всего процесса. Коэффициенты фильтрации (Кф), проницаемости (К0), диффузии (D), растворимости (константа Генри - Кг) и пористости (П) определяют из соотношений:
здесь Vn - номинальный объем измерительной камеры;
Ра - атмосферное давление;
F - площадь образца, разделяющего камеры;
ν - коэффициент кинематической вязкости;
μ - коэффициент динамической вязкости;
Рc, tc - давление и время в измерительной камере при равенстве предыдущего и последующего приращений давления;
Рn, tn - текущее значение давления и времени, tn>tc;
l - толщина исследуемого образца.
Недостатком данного способа является то, что способ обладает не высокой точностью измерений, так как процесс фильтрации происходит только вдоль одной оси, т.е. рассматривается одномерная модель течения газа через материал.
Задачей, решаемой изобретением, является повышение точности способа путем обеспечения возможности исследования трехмерной модели течения газа через пористый материал.
Это достигается тем, что в способе, заключающемся в том, что из герметично соединенной с материалом измерительной камеры откачивают воздух, регистрируют температуру и измеряют величину давления в измерительной камере. Увеличивают объем измерительной камеры, осуществляя тем самым разрежение газа до давления, обеспечивающего возможность молекулярного течения через поры контролируемого материала. Измеряют объем измерительной камеры. Фиксируют остаточное давление газа и время начала процесса течения газа через материал, а коэффициенты фильтрации (Кф), проницаемости (К0), диффузии (D), растворимости (константа Генри - Кг) и пористости (П) определяют из соотношений:
- коэффициент растворимости:
- коэффициент фильтрации:
- коэффициент пористости:
- коэффициент газопроницаемости
- коэффициент диффузии:
где Vи - объем газа, протекающего в единицу времени tи при давлении Ри в измерительную камеру;
F - площадь контролируемого изделия, ограниченная измерительной камерой;
μ - коэффициент динамической вязкости;
Рc, tc - давление и время в измерительной камере, соответствующие переходу от кнудсеновского к ламинарному режиму течения газа;
Ри, tи - текущее значение давления и времени, tи>tc;
Pa - атмосферное давление;
ν - коэффициент кинематической вязкости;
l - длина контролируемого материала;
b - ширина материала, ограниченная измерительной камерой;
d - толщина материала, ограниченная измерительной камерой.
Введение измерения давления, соответствующего разрежению газа до величины давления, обеспечивающего молекулярное течение газа через поры материала, измерения в этот момент объема измерительной камеры и осуществление начала контроля с момента окончания процесса разрежения обеспечивает возможность исследования трехмерной модели течения газа через материал, что подтверждается следующим.
Основными уравнениями, характеризующими процесс, являются:
- уравнение Дарси:
- уравнения Фика для стационарного потока:
- уравнения Фика для нестационарного потока:
- уравнение Лейбензона для изометрической фильтрации:
- добавочное уравнение:
где ρ - плотность газа, q - поток газа в единицу времени, Кф - коэффициент фильтрации, l - линейный размер в направлении фильтрации, Р - давление газа, ΔР - перепад давления в материале (потери напора), D - коэффициент диффузии, ▽Р - модуль градиента давления в исследуемом материале, ▽ρ - модуль градиента концентрации в исследуемом материале, К0 - коэффициент проницаемости, П - коэффициент пористости, μ - коэффициент динамической вязкости, t - время, Ра - атмосферное давление, Vи - объем газа, П - коэффициент пористости, μ - коэффициент динамической вязкости, R0 - газовая постоянная, Т - температура газа, F - площадь контролируемого изделия, ограниченная измерительной камерой, Ри - текущее значение давления газа.
Для трехмерного случая (движение газа через пористый материал длиной l, шириной b и толщиной d) уравнения (2)-(4) примут вид:
- уравнения Фика для стационарного потока:
- уравнения Фика для нестационарного потока:
- уравнение Лейбензона:
где x, y, z - координаты.
Решения уравнения (7) ρ(x, y, z, t) должно удовлетворять следующим граничным и начальным условиям:
0<x<d, 0<y<b, 0<z<l, t>0,
ρ(x, y, z, 0)= ρ(x, y, z), 0<x<d, 0<y<b, 0<z<l,
Решением уравнения (7), удовлетворяющим граничным и начальным условиям (9), является функция:
В качестве НУ возьмем функцию:
где k=0, 1, 2, 3..., m=0, 1, 2, 3...,
ρa - плотность газа при атмосферном давлении.
Тогда
где n=1, 2, 3...,
Таким образом, решением уравнения (7) является следующая функция, описывающая плотность ρ(x, y, z, t), удовлетворяющая граничным и начальным условиям (9):
Введем новую переменную ρ1(x, y, z, t), равную
удовлетворяющую следующим граничным и начальным условиям:
Тогда
Введем следующее преобразование координат:
вызванное течением газа (воздуха) из окружающей среды через контролируемый материал в камеру с разреженным газом.
В этом случае вместо (16) получаем
где индексы при ρ и х, y, z опущены.
Уравнение Фика для стационарного потока имеет вид:
Выражение (19) подставляем в левую часть добавочного уравнения (5), после чего получаем:
Или
Интегрируя уравнение (21) в пределах от 0 до t, получаем:
Тогда
где ρа=КГ·Ра.
На линейном участке вместо Ри подставим Ри-Рс, которое возможно при tи-tc соответственно.
Таким образом
где
где Ри, tи - текущее значение давления и времени, tи>tc.
Рассмотрим различные варианты соотношений l, d, b.
Полагая в равенстве (23) d=∞, b=∞, получаем выражение для одномерного случая, т.е.
то
Полагая, что в (23) b=∞, получаем результат при двумерном случае:
Если в выражении (28) d=b, то оно примет вид:
Рассмотрим случай, когда газовый поток протекает в цилиндрическом пространстве.
В этом случае d=b=2r.
Тогда вместо выражения (23) получаем:
Таким образом, имеем следующие возможные выражения для времени tc:
- для трехмерной модели
Для вывода параметров пористости рассмотрим уравнение Лейбензона (8).
Полагая, что в уравнении (8) Р2=Ф(х, y, t), вместо уравнения (8) получаем:
Решение уравнения (38) удовлетворяет следующим граничным и начальным условиям:
Ф(х, 0, z, t)=Ф(х, b, z, t)=0,
Ф(0, y, z, t)=Ф(d, y, z, t)=0
Ф(х, y, z, 0)=f(х, y, z), 0<z<l, 0<y<b, 0<x<d.
Вместо уравнения (38) рассмотрим следующее уравнение:
Решением уравнения (40), удовлетворяющим условиям (41), является функция:
По аналогии с (11) в качестве начального условия возьмем функцию:
Тогда
где n=1, 2, 3...
Следовательно:
Введем обозначения:
обусловленное движением воздуха (газа) от границы твердого пористого тела до вакуумированной полости.
Учитывая, что Ф(x, y, z, t)=P2(x, y, z, t), вместо выражения (45) с учетом (46), имеем:
Граничные условия (41) выглядят так:
Для определения давления на входе полости с разреженным газом согласно уравнению Лейбензона предварительно найдем массу газа (воздуха), прошедшую в полость с разреженным газом за время t проведения эксперимента.
Тогда давление на входе полости с разреженным газом равно:
Если d=∞, b=∞, получаем одномерный случай:
При выходе на линейный участок в уравнении (52) заменяем Ри на Ри-Рс, т.е.
Для трехмерного случая
при tи>tс
где
Рассмотрим связи между параметрами.
Из сравнения левых частей уравнения (26) и (55) получаем:
где
Сравнивая уравнение Дарси с уравнением Фика для стационарного потока, получаем:
Отсюда,
Из уравнения (26) находим коэффициент диффузии:
Тогда коэффициент проницаемости:
Найденное значение К0 подставляем в (56), получаем коэффициент пористости:
Известно, что
где ν - коэффициент кинематической вязкости, тогда коэффициент фильтрации:
Из равенства (59) имеем коэффициент растворимости газа:
Таким образом, для трехмерной модели истечения газа по порам материала получаем следующие зависимости:
- коэффициент растворимости:
- коэффициент фильтрации:
- коэффициент пористости:
- коэффициент газопроницаемости
- коэффициент диффузии:
Таким образом, в предлагаемом способе обеспечена возможность исследования трехмерной модели истечения газа через пористые материалы, что позволяет повысить точность способа по сравнению с прототипом на 30-35%.
На чертеже представлена схема устройства для реализации данного способа.
Устройство содержит измерительный стакан 1, в котором расположен шток 2, на одном конце которого закреплен поршень 3, снабженный резиновой прокладкой для герметизации системы, а другой выход штока 2 соединен с пневмоцилиндром большего объема (условно не показан). Устройство герметично соединено с контролируемым материалом 4, образуя измерительную камеру 5. Герметичность соединения обеспечивается за счет деформации прокладок из вакуумной резины 6 под действием усилия Q и манжеты 7. В стенках стакана 1 установлены датчики давления 8, времени 9 и температуры 10. Выходы датчиков давления 8 и времени 9 соединены с входом ЭВМ 11 через электронное согласующее устройство 12. Выход датчика температуры 10 соединен с входом ЭВМ 11. Шток пневмоцилиндра посредством датчика перемещения 13 штока поршня через преобразователь 14 соединен с ЭВМ 11. Измерительная камера 5 посредством электропневмоклапана 15 соединена с насосом (условно не показан). Электропневмоклапан 15 соединен с ЭВМ 11.
Способ осуществляется следующим образом.
Измерительный стакан 1 устанавливается на контролируемый материал 4. Шток 2 с поршнем 3 находятся в крайнем нижнем положении. ЭВМ 11 подает сигнал на открытие электропневмоклапана 15, воздух откачивается из измерительной камеры 5 насосом. После окончания откачивания воздуха ЭВМ 11 закрывает электропневмоклапан 15 и отключает насос, датчик температуры 10 измеряет температуру в измерительной камере 5 и подает информацию на ЭВМ 11. Датчик давления 8 фиксирует остаточное давление газа в измерительной камере 5 и подает информацию о величине давления газа в камере 5 на ЭВМ 11. Если остаточное давление газа больше давления, обеспечивающего молекулярное течение газа через поры, ЭВМ 11 подает команду на перемещение штока 2, которое измеряется датчиком перемещения 13 штока поршня. Поршень 3 поднимается вверх, создавая разрежение воздуха в измерительной камере 5. Как только давление газа в измерительной камере 5 достигнет значения давления, обеспечивающего молекулярное течение газа через материал, датчик давления 8 подаст сигнал на ЭВМ 11, которая отключит перемещение штока 2 пневмоцилиндра. Информация о величине перемещения штока 2 с поршнем 3 с датчика перемещения 13 штока поршня подается на преобразователь 14, который преобразует линейное перемещение поршня 3 в величину объема образовавшейся измерительной камеры 5. Преобразователь 14 подает информацию об объеме измерительной камеры 5 на ЭВМ 11. Датчик давления 8 зафиксирует величину остаточного (начального) давления, датчик температуры 10 зафиксирует значение температуры в измерительной камере 5. Датчик времени 9 начнет отсчет времени процесса течения газа через контролируемый материал 4 в измерительную камеру 5. Давление в измерительной камере 5 будет повышаться за счет течения газа через поры контролируемого материала. Изменение давления с течением времени будет отслеживаться датчиком давления 8 и датчиком времени 9, данные с которых передаются на электронное согласующее устройство 12. Электронное согласующее устройство 12 будет фиксировать каждое последующее приращение давления, соответствующее определенному промежутку времени. Полученный сигнал подается на ЭВМ 11 для сравнения последующего приращения давления в измерительной камере 5 с предыдущим. ЭВМ 11 по специальной программе строит графическую зависимость изменения давления в измерительной камере 5 с течением времени. По графику определяются численные значения давления Рс, Ри, времени tс и tи (фиксированные промежутки времени), где tи>tc, Pи>Рс.
Данные о площади F материала, ограниченной измерительной камерой, атмосферном давлении Ра, газовой постоянной R0, коэффициенте кинематической вязкости ν, коэффициенте динамической вязкости μ, длине l, толщине d и ширине b материала введены в ЭВМ 11 заранее. Поэтому ЭВМ 11 осуществляет определение коэффициента фильтрации из формулы:
коэффициента проницаемости из формулы:
коэффициента диффузии из формулы:
коэффициента растворимости (константа Генри) из формулы:
коэффициент пористости из формулы:
Claims (1)
- Способ определения параметров пористости материалов, при котором из герметично соединенной с материалом измерительной камеры откачивают воздух, регистрируют температуру и измеряют величину давления в измерительной камере, отличающийся тем, что после откачивания воздуха увеличивают объем измерительной камеры, осуществляя тем самым разрежение газа до давления, обеспечивающего возможность молекулярного течения газа через поры контролируемого материала, измеряют этот объем измерительной камеры, фиксируют время начала процесса течения газа через материал, остаточное давление газа и температуру в камере в этот период, а коэффициенты фильтрации (Кф), проницаемости (К0), диффузии (D), растворимости (константа Генри - Кг) и пористости (П) определяют из соотношений:коэффициент растворимости:коэффициент фильтрации:коэффициент пористости:коэффициент газопроницаемости:коэффициент диффузии:где Vи - объем газа, протекающего в единицу времени tи при давлении Ри в измерительную камеру;F - площадь контролируемого изделия, ограниченная измерительной камерой;μ - коэффициент динамической вязкости;Pc, tc - давление и время в измерительной камере, соответствующие переходу от кнудсеновского к ламинарному режиму течения газа;Ри, tи - текущее значение давления и времени, tи>tс;Pa - атмосферное давление;ν - коэффициент кинематической вязкости;l - длина контролируемого материала;b - ширина материала, ограниченная измерительной камерой;d - толщина материала, ограниченная измерительной камерой.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006112376/28A RU2305828C1 (ru) | 2006-04-13 | 2006-04-13 | Способ определения параметров пористости материалов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006112376/28A RU2305828C1 (ru) | 2006-04-13 | 2006-04-13 | Способ определения параметров пористости материалов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2305828C1 true RU2305828C1 (ru) | 2007-09-10 |
Family
ID=38598254
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006112376/28A RU2305828C1 (ru) | 2006-04-13 | 2006-04-13 | Способ определения параметров пористости материалов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2305828C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2560751C2 (ru) * | 2013-07-11 | 2015-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева" | Устройство измерения параметров пористости материалов |
RU2615037C1 (ru) * | 2015-12-01 | 2017-04-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева" | Устройство измерения параметров пористости материалов |
-
2006
- 2006-04-13 RU RU2006112376/28A patent/RU2305828C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2560751C2 (ru) * | 2013-07-11 | 2015-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева" | Устройство измерения параметров пористости материалов |
RU2615037C1 (ru) * | 2015-12-01 | 2017-04-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева" | Устройство измерения параметров пористости материалов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2620871C2 (ru) | Быстрое обнаружение течей в жесткой/мягкой упаковке без добавления проверочного газа | |
JPH0269636A (ja) | 浸透圧計を用いて溶媒中に溶解した物質の含有物の測定方法とその装置 | |
US8413488B2 (en) | Measuring procedure and measuring device for measuring physical quantities of non-compressible media | |
US8447537B2 (en) | Methods and apparatus for determining the permeability and diffusivity of a porous solid | |
US8136388B2 (en) | Determination of pore structure characteristics of filtration cartridges as a function of cartridge length | |
RU2012136121A (ru) | Измерение параметров, связанных с прохождением текучих сред в пористом материале | |
DK2936145T3 (en) | Unit and method for testing a sample, in particular for the purpose of distinguishing gas in a sample | |
CN101458109A (zh) | 一种恒压式气体流量计变容室波纹管体积变化的测量装置 | |
EP0258399A1 (en) | Apparatus for measuring entrained gas phase content | |
RU2305828C1 (ru) | Способ определения параметров пористости материалов | |
US8272252B2 (en) | Pore structure characterization of filtration cartridges at specific locations along cartridge length | |
RU2560751C2 (ru) | Устройство измерения параметров пористости материалов | |
RU2275617C2 (ru) | Способ определения параметров пористости материалов | |
RU2434223C1 (ru) | Способ измерения проницаемости материалов | |
IT9020033A1 (it) | Procedimento ed apparecchiatura per misurare quantita' di gas disperse in un liquido | |
RU2186365C2 (ru) | Способ определения параметров пористости материалов | |
RU2615037C1 (ru) | Устройство измерения параметров пористости материалов | |
RU2247358C1 (ru) | Способ определения проницаемости и пористости материалов | |
CN109916467A (zh) | 一种容积测定系统及方法 | |
CN111811401A (zh) | 容积测量装置及其使用方法 | |
GB2098337A (en) | Method and apparatus for determining the viscosity of a sample fluid relative to that of a reference fluid | |
KR100679992B1 (ko) | 분말시료의 밀도측정방법 및 장치 | |
RU2244915C1 (ru) | Способ определения активной пористости материалов | |
RU2670210C1 (ru) | Лабораторный анализатор плотности газов | |
SU623139A1 (ru) | Способ определени проницаемости и фильтрационной потенциалопроводности пористых материалов |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080414 |