Способ определения плотности моделированного морского льда и устройство для его реализации

 

Использование: для определения физико-механических характеристик моделированного льда. Сущность: в способе образец льда, не вынимая из жидкости, переносят и помещают вместе с ней в сосуд, после чего принудительно притапливают образец льда в сосуде до полного его погружения в жидкость и в этом состоянии отмечают уровень жидкости в сосуде, затем взвешивают сосуд со всем содержимым и быстро удаляют образец льда из сосуда, после чего производят повторное взвешивание сосуда с оставшейся в нем жидкостью и по разнице результатов взвешиваний сосуда с образцом льда и без него судят о весе выбранного образца льда, затем в сосуд со всем содержимым и с жидкостью, оставшейся после удаления из него образца льда, доливают жидкость до ее ранее отмеченного уровня и по объему доливаемой в сосуд жидкости судят об объеме образца льда, а его плотность рассчитывают по результатам взвешиваний и определения объема образца льда. Устройство включает в себя сосуд, весы, мензурку, сосуд оснащен водопроницаемым съемным контейнером, крышкой-притапливателем, имеющей упорные фланцы, и уровнемером жидкости. Технический результат - повышение достоверности определения плотности и его точности. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерений и касается вопросов моделирования ледяного покрова в ледовых опытовых бассейнах и определения физико-механических характеристик моделированного льда.

Наиболее распространенными способами определения плотности моделированного льда являются способы, основанные на гидростатическом взвешивании образца льда (см. И.А.Степанюк. Технологии испытаний и моделирования морского льда. Санкт-Петербург, Гидрометеоиздат, 2001). Один из известных способов и устройств для определения плотности моделированного льда (см. указанный источник, стр. 54), принятый за прототип, предполагает выполнение следующих операций. Из ледяного покрова вырезают образец льда заданного объема V_Л и производят взвешивание его в жидкости с заранее известной плотностью, меньшей предполагаемой плотности образца льда. Плотность льда определяют по формуле:

где ρ_Л и ρ_Ж - плотность льда и плотность жидкости соответственно;

Р_Ж - вес образца льда в жидкости;

g - ускорение свободного падения.

Устройство для определения плотности моделированного льда включает сосуд и весы.

Основным недостатком известного способа является то, что для проведения перечисленных операций необходимо извлечение образца льда из жидкости, в которой он образовался. Между тем известно, что морской лед, в том числе и моделированный в ледовом опытовом бассейне, содержит определенное количество жидких фракций - рассола, который при извлечении образца льда из воды довольно быстро вытекает из него. Истечение рассола будет происходить как в воздухе, так и в жидкости, плотность которой меньше плотности льда. Взвешивание образцов льда занимает некоторое время, и за этот период вытекает значительная часть содержащегося в образце льда рассола, который становится неучтенным при взвешивании, а для решения практических задач необходимо определять плотность льда вместе с содержащимся в нем рассолом.

Другим недостатком способа, основанного на гидростатическом взвешивании образцов льда, является обязательное наличие жидкости, плотность которой известна и меньше ожидаемой плотности льда. Кроме того, к этой жидкости предъявляется ряд дополнительных требований: она не должна растворять лед, температура кристаллизации жидкости должна быть ниже -20°С, жидкость должна быть марки ЧДА (чистой для анализов), - все это ограничивает возможности применения упомянутых методов.

Указанное устройство не позволяет осуществлять измерения веса и объема выбранного образца льда с учетом истечения рассола из образца, а следовательно, получить достоверные результаты.

Другим существенным недостатком устройства, предполагающего реализацию метода гидростатического взвешивания, является необходимость проектирования и изготовления специальных креплений, обеспечивающих фиксацию образца при его взвешивании и одновременно не нарушающих целостности образца. Решение этой задачи сопряжено со значительными трудностями, поскольку моделированный морской лед является, как правило, мягким и непрочным, и при манипулировании с образцом льда последний легко разрушается. Кроме того, при определении веса образца льда в жидкости необходимо учитывать влияние креплений, которые тоже погружаются в жидкость. При этом к материалу креплений предъявляются определенные требования (см. И.А.Степанюк. Технологии испытаний и моделирования морского льда. Санкт-Петербург. Гидрометеоиздат. 2001): его плотность должна примерно равняться плотности льда. Подбор специального материала с такой плотностью и достаточной прочностью довольно затруднителен.

Задачей изобретения является повышение достоверности результатов определения плотности моделированного морского льда и его точности путем учета содержащегося в измеряемом образце льда рассола.

Для этого в предлагаемом способе определения плотности льда выбранный образец льда, не вынимая из жидкости, переносят и помещают вместе с ней в сосуд, после чего принудительно притапливают образец льда в сосуде до полного его погружения в жидкость и в этом состоянии отмечают уровень жидкости в сосуде, затем взвешивают сосуд со всем содержимым и быстро удаляют образец льда из сосуда, после чего производят повторное взвешивание сосуда с оставшейся в нем жидкостью и по разнице результатов взвешиваний сосуда с образцом льда и без него судят о весе выбранного образца льда, затем в сосуд со всем содержимым и с жидкостью, оставшейся после удаления из него образца льда, доливают жидкость до ее ранее отмеченного уровня и по объему доливаемой в сосуд жидкости судят об объеме образца льда, а его плотность рассчитывают по результатам взвешиваний и определения объема образца льда по соотношению:

где P₁ - вес сосуда с жидкостью и с образцом льда;

Р₂ - вес сосуда с жидкостью после удаления из него образца льда;

V_Л - замеренный объем образца льда;

g - ускорение свободного падения.

Таким образом удается избежать истечения рассола из образца льда при проведении измерений и определить плотность льда с учетом содержащегося в нем рассола.

Для исключения указанных недостатков в состав известного устройства введена мензурка, а сосуд оснащен водопроницаемым съемным контейнером, крышкой-притапливателем, имеющей упорные фланцы, и уровнемером жидкости.

Перенос выбранного образца льда в сосуд вместе с жидкостью, в которой он образовался, не вынимая из нее, для взвешивания дает возможность исключить вытекание из него рассола и тем самым уменьшить погрешность измерения веса и повысить достоверность результата.

Принудительное притапливание образца льда в сосуде до полного погружения его в жидкость с помощью крышки-притапливателя позволяет правильно определить объем выбранного образца льда и существенно снизить площадь свободной поверхности жидкости в сосуде, что способствует снижению погрешности измерений.

Оборудование крышки-притапливателя упорными фланцами позволяет фиксировать ее положение по высоте на одной и той же отметке, что необходимо для снятия уровня жидкости при определении объема образца льда.

Введение в состав устройства водопроницаемого съемного контейнера позволяет осуществлять быстрое извлечение образца после первого взвешивания сосуда со всем содержимым, исключить воздействие на него выталкивающей силы и произвести слив жидкости обратно в сосуд.

Предложенный способ может быть реализован с помощью устройства, разрез которого представлен на чертеже. В устройство входит прозрачный сосуд 1, в который вставлен водопроницаемый съемный контейнер 2. Сверху сосуд 1 закрыт съемной крышкой-притапливателем 3 с упорными фланцами 4, установленной на верхнем торце сосуда 1. На стенке сосуда 1 смонтирован уровнемер жидкости в виде мерной линейки 5. В состав устройства также входят мензурка и весы (на чертеже не показаны).

Предлагаемый способ включает следующие операции. Образец льда 6 вместе с жидкостью, в которой он находится, помещают в сосуд 1 со вставленным в него водопроницаемым контейнером 2. После этого наполненный сосуд 1 закрывают крышкой-притапливателем 3, с помощью которой притапливают образец льда 6 до его полного погружения в жидкость, и по мерной линейке 5 отмечают уровень жидкости в сосуде 1. С помощью лабораторных весов производят взвешивание наполненного сосуда 1 со всем его содержимым. Затем, сняв крышку-притапливатель 3, образец льда 6 удаляют из сосуда 1 с помощью съемного контейнера 2, накрывают опять сосуд 1 крышкой-притапливателем 3 и производят повторное взвешивание сосуда 1 со всем содержимым, но уже без образца льда 6. После чего в сосуд 1 доливают с помощью мензурки жидкость до отмеченного ранее после утапливания образца льда 6 уровня. По объему долитой воды, определяемому по показаниям мензурки, определяют объем образца льда 6.

Плотность льда определяют по формуле:

Формула изобретения

1. Способ определения плотности моделированного морского льда, включающий отбор образца льда, помещение его в сосуд с жидкостью, определение веса и объема образца и по данным измерений вычисление плотности льда по известным соотношениям, отличающийся тем, что выбранный образец льда, не вынимая из жидкости, переносят и помещают вместе с ней в сосуд, после чего принудительно притапливают образец льда в сосуде до полного его погружения в жидкость и в этом состоянии отмечают уровень жидкости в сосуде, затем взвешивают сосуд со всем содержимым и быстро удаляют образец льда из сосуда, после чего производят повторное взвешивание сосуда с оставшейся в нем жидкостью, и по разнице результатов взвешиваний сосуда с образцом льда и без него судят о весе выбранного образца льда, затем в сосуд со всем содержимым и с жидкостью, оставшейся после удаления из него образца льда, доливают жидкость до ее ранее отмеченного уровня и по объему доливаемой в сосуд жидкости судят об объеме образца льда, а его плотность рассчитывают по результатам взвешиваний и определения объема образца льда по соотношению

где P₁ - вес сосуда с жидкостью и с образцом льда;

Р₂ - вес сосуда с жидкостью после удаления из него образца льда;

V_Л - замеренный объем образца льда;

g - ускорение свободного падения.

2. Устройство для определения плотности моделированного морского льда, включающее сосуд и весы, отличающееся тем, что в его состав введена мензурка, а сосуд оснащен водопроницаемым съемным контейнером, крышкой-притапливателем, имеющей упорные фланцы, и уровнемером жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1