Объемный вопрос

23.06.2020

Измерение плотности требует прямых измерений массы и объема вещества. При этом массу измеряют взвешиванием, а измерение объема твердых тел связано с определенными трудностями. В данном материале представлена новая конструкция плотномера, которая лишена недостатков известных плотномеров и может быть использована для точного оперативного определения объема образцов неправильной формы, обладающих как отрицательной, так и положительной плавучестью.

Зная вес и плотность цельной древесины, можно осуществлять учет древесины в кубических метрах плотной массы, что необходимо для определения производительности оборудования и контроля количества отгружаемой потребителю продукции. Также возможно определять и  насыпной объем древесины, что важно при расчетах вместимости складских помещений и транспортных единиц (с учетом коэффициента полнодревесности) при поставках полуфабрикатов или готовой продукции потребителю.

Установление плотности поступившей в  переработку древесины важно и по причине отличия усредненных справочных данных от истинного значения величины плотности, так как плотность дерева зависит от влияния климата и почвы, времени рубки и т. д., а в пределах одного сортимента – от его местоположения по длине ствола.

КАК ПРАВИЛЬНО?
В случае исследования образцов правильной геометрической формы объем находят из измерения линейных размеров. Но правильная форма образцов характерна только для аморфных материалов, к  которым не относится древесина (хотя бы по причине изменения ее влажности, а значит, и размеров, во времени). При определении плотности образцов неправильной формы вычислить объем образца чрез линейные размеры невозможно.

Известны способы измерения плотности, основанные на использовании различных физических явлений и величин, которые однозначно зависят от плотности

Это ослабление радиоактивного излучения, которым просвечивают вещество, скорость распространения звука в веществе и другие. Однако такие способы являются достаточно сложными, они требуют использования дорогой аппаратуры и привлечения квалифицированного персонала.

На практике объем твердых тел неправильной формы (или сыпучего материала) определяют методом вытеснения, то есть путем приращения объема жидкости, вызываемого полным погружением в нее испытуемого тела (вещества). Приборы для этой цели получили название объемомеров.

ВСЕ БЫ ХОРОШО
Главным недостатком известных объемомеров является невозможность их использования для определения плотности образцов, имеющих плотность ниже, чем у дистиллированной воды (или иной жидкости, заливаемой в сосуд объемомера), так как образец, имеющий положительную плавучесть, вытесняет при погружении объем жидкости меньший, чем собственный объем.

Данный аспект в полной мере относится к образцам из цельной или измельченной древесины. Для полного погружения древесных образцов в жидкость объемомера необходимо использовать некий толкатель, попадание которого в жидкость с погруженным образцом искажает результат по измерению объема исследуемого образца.

НОВОЕ РЕШЕНИЕ
Группой исследователей предлагается новая конструкция плотномера (рис. 1), которая лишена недостатков известных плотномеров и может быть использована для точного оперативного определения объема образцов неправильной формы, обладающих как отрицательной, так и положительной плавучестью. При этом прибор может использоваться при исследованиях как цельных образцов, так и измельченных, например щепы или пеллет.

Прибор включает прозрачный цилиндрический вертикальный сосуд (1) с жидкостью (2) и исследуемым образцом (3), разделенный на две равные по объему полости жесткой перегородкой (4) с отверстием (5). Сосуд снабжен двумя герметичными геометрически одинаковыми пробками (6) с фиксаторами (7), вертикальной линейкой (8) и жестко скрепленными с сосудом двумя наружными цилиндрическими пальцами (9), ось которых проходит через центр тяжести сосуда. Цилиндрические пальцы лежат на опорах вращения (10) вертикальных стоек (11) станины (12), снабженной горизонтальным уровнем (13) и регулируемыми по высоте ножками (14).

объемный-вопрос-рис1_600х480.jpg


Одной из важнейших физических характеристик древесины является ее плотность (ρ), которая определяется отношением массы древесного образца к его объему и выражается формулой: ρ = m / V (1*), где m – это масса древесины, а V – объем древесины.

В случае определения плотности образцов с положительной плавучестью образец будет плавать в объеме жидкости нижней полости сосуда, а точнее – будет прижат выталкивающей силой к нижней плоскости жесткой перегородки (рис. 2б).

Установив прибор на горизонтальной поверхности, необходимо добиться горизонтального положения в пространстве его станины с помощью стандартного уровня и регулируемых по высоте ножек. После этого в сосуд, вертикально зафиксированный нижним фиксатором, со снятой, например резьбовой, верхней герметичной пробкой, вливают жидкость в объеме, равном половине емкости сосуда. На жесткую перегородку помещают исследуемый образец (или пробу вещества) и герметизируют сосуд пробкой. Затем поворачивают сосуд в вертикальной плоскости на 180° на цилиндрических пальцах, расположенных на опорах вращения вертикальных стоек, и фиксируют вертикальное положение сосуда с помощью фиксатора перевернутой вниз верхней пробки.

Плотность вещества (ρ) предварительно взвешенного образца с массой m определяется по формуле (1*), где V – показания шкалы линейки
По завершении вращения сосуда жидкость через отверстие в жесткой перегородке перетекает в ту полость сосуда, где и размещен исследуемый образец (или проба вещества). На рис. 2а представлен вид прибора в период проведения исследований с образцом, обладающим отрицательной плавучестью (образец лежит на дне нижней полости сосуда). В этом положении в верхней полости сосуда оказывается объем жидкости, вытесненный образцом (или пробой вещества) из противоположной полости сосуда и, очевидно, равный объему образца (или пробы вещества). Величина этого объема определяется визуально по показаниям шкалы вертикальной линейки, градуированной в единицах объема.
Рис. 2. Устройство в период проведения исследований с образцом, обладающим: а – отрицательной плавучестью; б – положительной плавучестью .jpg

По окончании процесса исследования образца (или пробы вещества) поворотом сосуда на 180° возвращают прибор в исходное положение, снимают пробку, удаляют образец и приступают к очередному исследованию.


Жидкость, используемая в устройстве, может быть непрозрачной или подкрашенной, с целью более точной визуальной фиксации ее уровня по отношению к рискам градуировки линейки. Жидкость подлежит замене в случае ее загрязнения частицами, отделившимися от образца или пробы вещества в период проведения исследований.

ВХОД СВОБОДНЫЙ
При исследовании проб вещества наличие как минимум одного отверстия в жесткой перегородке обеспечит свободное перетекание жидкости из одной полости сосуда в его противоположную полость. При этом диаметр отверстий в перегородке должен быть меньше наименьшей из частиц, составляющих пробу вещества.

Условие прохождения оси цилиндрических пальцев через центр тяжести сосуда должно выполняться для обеспечения надежной работы фиксаторов. Нижняя герметичная пробка является съемной, что позволяет периодически очищать сосуд.

Станина устройства может быть установлена на весах, что позволит осуществлять измерение массы образцов (или пробы вещества) одновременно с определением их объема.

Определение емкости сосуда с установленной перегородкой для каждого отдельного устройства предлагаемой конструкции осуществляется перед началом его первой эксплуатации с помощью мерной емкости. Габариты устройства зависят от размеров исследуемого образца (или пробы вещества).

Предложенный прибор для определения плотности древесины и иных твердых тел, в том числе неправильной формы, является простым в изготовлении и удобным в эксплуатации, обеспечивает возможность исследования образцов или проб вещества как в лабораторных, так и в полевых условиях, при этом влажность образцов не влияет на результаты измерений.

А. Р. Бирман, д. т. н., профессор



Оцените материал:
Читайте также в рубрике
03.09.2020
Наука - производству
11.11.2019
Наука - производству
12.09.2019
Наука - производству
23.08.2019
Наука - производству
11.06.2019
Наука - производству
11.06.2019
Наука - производству
11.02.2019
Наука - производству
30.11.2018
Наука - производству