Способ измерения объема закрытых и открытых пор пеноматериалов и устройство для его осуществления

Использование: в контрольно-измерительной технике и может найти применение в криогенной технике при отработке технологии изготовления и контроля качества нанесения криогенной тепловой изоляции из жестких ячеистых пеноматериалов, в частности жестких пенополиуретанов. Сущность: способ предусматривает взвешивание образца материала в воздухе, измерение его объема, помещение его в герметичную измерительную камеру, имеющую возможность соединения с атмосферой, и ее вакуумирование. Измеряют изменение веса образца после вакуумирования, а объем закрытых пор определяют по формуле:

объем открытых пор определяют по формуле:

где

V_з - объем закрытых пор, см³;

ΔG_обр - изменение веса образца после вакуумирования, г;

ρ_воз - плотность воздуха, г/см³;

G_обр - вес образца в воздухе, г;

ρ_кар - плотность материала каркаса, г/см³;

V_o - объем открытых пор, см³;

V - объем образца, см³.

Устройство для осуществления способа включает герметичную измерительную камеру для анализируемого образца, имеющую возможность соединения с атмосферой. Герметичная измерительная камера соединена с вакуумным насосом и в ней установлена вертикальная стойка с подставкой, на которой расположены датчик перемещений и корпус масляного демпфера. При этом на верхнем конце стойки установлен блок вертикальных перемещений, на котором через регулятор жесткости закреплен верхний конец пружины, а на нижнем конце пружины может быть подвешен образец и закреплены масляный демпфер и чувствительный элемент датчика перемещений. Использование предложенного способа и устройства позволяет повысить точность и упростить процесс измерения объема закрытых и открытых пор в образцах пеноматериалов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение в криогенной технике при отработке технологии изготовления и контроля качества нанесения криогенной тепловой изоляции из жестких ячеистых пеноматериалов, в частности жестких пенополиуретанов. В связи с возможностью криоподсоса в открытопористом (газопроницаемом) ячеистом пеноматериале, объем закрытых пор является одной из основных характеристик качества криогенной теплоизоляции.

Известен способ определения пористости тел (патент РФ №2045034, МПК⁴ G 01 N 15/08), который включает насыщение исследуемого образца смачивающей жидкостью с последующим измерением количества жидкости, содержащейся в порах исследуемого образца, а также в использовании вспомогательного образца, у которого геометрия и материал одинаковы с исследуемым образцом, помещение его в тонкую эластичную герметичную оболочку, кроме того, в камеру с исследуемым образцом помещают такую же эластичную оболочку, камеры заполняют равными объемами рабочей жидкости, нагружают образцы с помощью не смешивающейся с рабочей жидкостью с цветом, отличным от цвета рабочей жидкости, подаваемую через капилляры, подсоединенные к одному источнику давления, и по разности рабочей жидкости в капиллярах определяют искомую величину пористости.

Недостатком данного способа является невозможность измерения объема закрытых пор пеноматериалов.

Известно устройство для определения пористости тел, реализующее способ определения пористости тел (патент РФ №2045034, МПК⁴ G 01 N 15/08), которое включает в себя две одинаковые по объему камеры, подсоединенные через капилляры к источнику давления, в первой камере помещают исследуемый образец и тонкую эластичную оболочку, во второй камере располагают вспомогательный образец, у которого геометрия и материал одинаковы с исследуемым образцом, помещенный в тонкую эластичную герметичную оболочку.

Недостатком данного устройства является невозможность определения объема закрытых пор пеноматериалов.

Известен также способ раздельного измерения емкости (объема) открытых пор и каверн (закрытых пор) пористо-кавернозных пород (а.с. СССР №1469321, МПК⁴ G 01 N 15/08), который включает взвешивание образца материала в воздухе, измерение его объема, помещение его в герметичную камеру, имеющую возможность соединения с атмосферой, высушивание образцов материала и его кусочка, не содержащего каверн, насыщение их жидкостью, взвешивание насыщенного образца и его кусочка в жидкости, расчет коэффициентов емкости открытых пор и каверн, при этом кусочки породы, не содержащие каверн, получают путем дробления образца пористо-кавернозной породы с последующей сортировкой и отбором фракции кусочков размером, соизмеримым с размером каверн, а осушку общей поверхности жидкостенасыщенных кусочков от избытка жидкости производят центрифугированием. Это техническое решение принято за прототип.

Недостатком данного способа является сложность процесса измерения и низкая точность определения объема открытых и закрытых пор в ячеистых пеноматериалах. Это связано с тем, что жесткие ячеистые пеноматериалы состоят из каркаса, состоящего также из микропор образующего ячейки различного размера, соединенные с атмосферой - открытые поры и несоединенные с атмосферой - закрытые поры. Насыщение жидкостью (керосином) пеноматериалов такого типа, особенно на полимерной основе, вызывает существенные трудности, связанные с нарушением целостности перегородок микропор. Извлечение жидкости из микропор путем центрифугирования приводит к искажению и разрушению перегородок пор, что снижает точность измерения. Кроме того, дробление образцов пеноматериалов приводит к изменению формы и соответственно измеряемого объема.

Известно устройство для измерения пористости материала, реализующее способ измерения пористости (патент РФ №2172942, МПК⁷ G 01 N 15/08), которое включает герметичную измерительную камеру с помещенным в нее образцом материала, имеющую возможность соединения с атмосферой, заполняющую жидкость, датчики объема, давления и температуры, систему создания давления. Это устройство принято за прототип.

Недостатками прототипа является сложность процесса измерения и низкая точность определения объема открытых и закрытых пор.

Задачей изобретения является повышение точности измерения объема закрытых и открытых пор в пеноматериалах, а также упрощение процесса измерения.

Технический результат достигается за счет того, что в способе измерения объема закрытых и открытых пор пеноматериалов, включающем взвешивание образца материала в воздухе, измерение его объема, помещение его в герметичную измерительную камеру, имеющую возможность соединения с атмосферой, из герметичной измерительной камеры откачивают воздух, измеряют изменение веса образца после вакууммирования, а объем закрытых пор определяют по формуле:

объем открытых пор определяют по формуле:

где V_з - объем закрытых пор, см³;

ΔG_обр - изменение веса образца после вакууммирования, г;

ρ_воз - плотность воздуха, г/см³;

G_обр - вес образца в воздухе, г;

ρ_кар - плотность материала каркаса, г/см³;

V_о - объем открытых пор, см³;

V - объем образца, см³.

Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве для осуществления способа измерения объема закрытых и открытых пор пеноматериалов, включающее герметичную измерительную камеру с помещенным в нее образцом, имеющую возможность соединения с атмосферой, герметичная измерительная камера соединена с вакуумным насосом и в ней установлена вертикальная стойка с подставкой, на которой расположены датчик перемещений и корпус масляного демпфера, при этом на верхнем конце стойки установлен блок вертикальных перемещений, на котором через регулятор жесткости закреплен верхний конец пружины, а на нижнем конце пружины подвешен образец и закреплены масляный демпфер и чувствительный элемент датчика перемещений.

Сущность данного способа заключается в следующем. Объем образца пеноматериала, полученного путем вспенивания исходной смолы, например полиуретана, состоит из объема закрытых пор, объема открытых пор и объема каркаса, состоящего из исходной смолы. На подвешенный в воздухе образец действует выталкивающая сила, равная суммарному объему закрытых пор и каркаса, умноженному на плотность воздуха. После вакууммирования камеры на образец перестает действовать выталкивающая сила воздуха и образец станет тяжелее на ее величину. Следовательно, измерив изменение веса образца после вакууммирования ΔG_обр и поделив его на плотность воздуха при температуре эксперимента - ρ_воз, получим сумму объемов закрытых пор и каркаса. Объем каркаса определяется как отношение веса образца в воздухе к известной плотности отвержденной исходной смолы, из которой получен пеноматериал. Следовательно, объем закрытых пор определяют по формуле:

где V_з - объем закрытых пор, см³;

ΔG_обр - изменение веса образца после вакууммирования, г;

ρ_воз - плотность воздуха, г/см³;

G_обр - вес образца в воздухе, г;

ρ_кар - плотность материала каркаса, г/см³.

Открытые поры занимают объем, равный объему образца, за вычетом объема закрытых пор и каркаса и определяются по следующей формуле:

где V_о - объем открытых пор, см³;

V - объем образца, см³;

ΔG_обр - изменение веса образца после вакууммирования, г;

ρ_воз - плотность воздуха, г/см³.

Предложенное устройство для осуществления способа измерения объема закрытых и открытых пор пеноматериалов изображено на фиг.1, где

1 - герметичная измерительная камера;

2 - вентиль;

3 - вертикальная стойка;

4 - подставка;

5 - блок вертикальных перемещений;

6 - регулятор блока вертикальных перемещений;

7 - регулятор жесткости;

8 - пружина;

9 - датчик перемещений;

10 - чувствительный элемент датчика перемещений;

11 - корпус масляного демпфера;

12 - масляный демпфер;

13 - узел крепления образца;

14 - образец;

15 - вакуумный вентиль;

16 - вакуумный насос;

17 - регистрирующий прибор.

Устройство для осуществления предложенного способа содержит герметичную измерительную камеру 1, сообщающуюся с атмосферой при помощи вентиля 2, в которой размещена вертикальная стойка 3, на которой установлены подставка 4, блок вертикальных перемещений 5 с регулятором 6, пружина 8 с регулятором жесткости 7. На подставке 4 размещены датчик перемещений 9 с чувствительным элементом 10, подключенный к регистрирующему прибору 17 и установленный на нижнем конце пружины 8, и корпус масляного демпфера 11. На нижнем конце пружины 8 закреплен масляный демпфер 12 и чувствительный элемент датчика перемещений 10, а через узел крепления 13 подвешен исследуемый образец 14. Масляный демпфер 12 служит для более быстрого успокоения колебаний пружины 8 и соответственно чувствительного элемента датчика перемещений 10. Герметичная измерительная камера 1 через вакуумный вентиль 15 соединена с вакуумным насосом 16.

Предлагаемый способ реализуется при помощи представленного выше устройства следующим образом.

До начала испытания измеряют геометрические размеры образца 14, рассчитывают объем и взвешивают его в воздухе на аналитических весах с точностью до 0,1 мг. Снимают крышку герметичной измерительной камеры 1, имеющую возможность соединения с атмосферой через вентиль 2, и помещают туда образец 14, подвесив его на узел крепления 13. При помощи регулятора жесткости пружины 7 в зависимости от веса образца устанавливают чувствительный элемент датчика перемещений 10 в рабочей зоне датчика перемещений 9. При помощи регулятора блока вертикальных перемещений 6 устанавливают чувствительный элемент датчика перемещений 10 в положение нулевого отсчета по регистрирующему прибору 17, к которому подключен датчик перемещений 9. Если для компенсации веса данного образца пришлось изменить жесткость пружины 8, то проводят градуировку ее жесткости. Для этого в ожидаемом диапазоне изменения веса образца, при помощи нескольких аттестованных микрогирь, помещаемых по очереди на образец, определяют новый коэффициент градуировки пружины 8.

При помощи регулятора блока вертикальных перемещений 6 устанавливают чувствительный элемент датчика перемещений 10 и соответственно показание на регистрирующем приборе 17 в исходное (нулевое) положение. После этого закрывают крышку герметичной измерительной камеры 1 и включают вакуумный насос 16. Открывают вакуумный вентиль 15 и откачивают герметичную измерительную камеру 1 до момента регистрации установившегося показания нового значения веса образца 14 на регистрирующем приборе 17. Закрыв вакуумный вентиль 15, открывают вентиль 2 и заполняют герметичную измерительную камеру 1 воздухом до атмосферного давления. Регистрируют по показанию регистрирующего прибора 17 новое значение веса образца 14 в воздухе. Данные операции повторяют не менее трех раз. Для каждого эксперимента определяют, используя коэффициент градуировки пружины 8 и разность показаний веса образца по регистрирующему прибору 17 до и после вакууммирования герметичной измерительной камеры 1 (изменение веса образца после вакууммирования ΔG_обр в граммах). По формуле (1) определяют объем закрытых пор V_з в см³, а по формуле (2) объем открытых пор V_о в см³.

Использование предложенного способа и устройства позволяет по сравнению с прототипом повысить точность и упростить процесс измерения объема закрытых и открытых пор в образцах пеноматериалов.

1. Способ измерения объема закрытых и открытых пор пеноматериалов, включающий взвешивание образца материала в воздухе, измерение его объема, помещение его в герметичную измерительную камеру, имеющую возможность соединения с атмосферой, отличающийся тем, что из герметичной измерительной камеры откачивают воздух, измеряют изменение веса образца после вакуумирования, а объем закрытых пор определяют по формуле

объем открытых пор определяют по формуле

где V_з - объем закрытых пор, см³;

ΔG_обр - изменение веса образца после вакуумирования, г;

ρ_воз - плотность воздуха, г/см³;

G_обр - вес образца в воздухе, г;

ρ_кар - плотность материала каркаса, г/см³;

V_o - объем открытых пор, см³;

V - объем образца, см³.

2. Устройство для осуществления способа измерения объема закрытых и открытых пор пеноматериалов, включающее герметичную измерительную камеру с помещенным в нее образцом, имеющую возможность соединения с атмосферой, отличающееся тем, что герметичная измерительная камера соединена с вакуумным насосом и в ней установлена вертикальная стойка с подставкой, на которой расположены датчик перемещений и корпус масляного демпфера, при этом на верхнем конце стойки установлен блок вертикальных перемещений, на котором через регулятор жесткости закреплен верхний конец пружины, а на нижнем конце пружины подвешен образец и закреплены масляный демпфер и чувствительный элемент датчика перемещений.