Лекция 20

Основные методы измерения плот­ности жидкостей:

1. Дилатометрические:

измерения объема, длины и массы

2. Ареометрические:

меры погружения поплавка; меры силы, выталкивающей пог­руженный поплавок; разности сил, действующих на дат­чик;

угла поворота (или момент сил) несимметричного поплавка

3. Пикнометрические; массы мерного объема

4. Пьезометрические:

давления на чувствительный эле­мент;

давления жидкости или газа в питательных трубках; меры уровня в сообщающихся сосудах

5. Капельные: падающей капли

6. Вибрационные и акустические: частоты резонанса объема исследуе-моего объекта;

частоты резонанса камертона в сре­де исследуемого объекта; скорости распространения ультра­звуковых волн; поглощения ультразвуковых волн

7. Тегшофизические: температуры депрессии

8. Электрофизические: электропроводности; диэлектрической проницаемости; поглощения электромагнитных волн

9. Оптические: коэффициентов рефракции; интенсивности интерференции; коэффициентов поляризации

10. Радиационные:

поглощения ионизирующих излуче­ний (х, 7, а, (3, п, у) ; рассеяний излучений Различают следующие методы измере­ния плотности пара.

Метод Дюма включает в себя взве­шивание мерной колбы с паром (при известных температуре и давлении) и с водой; вводя поправку на тепловое расширение, вычисляют р пара; пог­решность метода 0,1—0,01 %.

Метод Гей-Люссака и Гоф­мана, по которому навеска ИО по­мещается в тонкостенный резервуар малого объема. Резервуар запаивается и помещается в манометрическую труб-. ку, из которой откачивается газ (пары

воды и воздух). Трубка нагревается до температуры немного выше точки кипения ИО; при этом вещество прев­ращается в пар. Давление возрастает, и тонкостенный резервуар разрывается. Пары заполняют все ранее вакуумиро-ванное пространство в манометрической трубке. По давлению и температуре определяют объем, занимаемый паром, а зная массу и объем, вычисляют плот­ность.

Метод В. М а й е р а реализуется с помощью баллона, имеющего горлови­ну с пробкой и трубку для выпуска воздуха, а также измерительный ци­линдр для определения объема воздуха. Баллон помещается в термостат для нагрева до температуры выше точки кипения ИО. Нагретый воздух выходит из баллона через боковую трубку, а по наступлении термодинамического рав­новесия его истечение прекращается. Пробку вынимают из горловины, в бал­лон помещают ИО и вновь закрывают пробкой. ИО превращается в пар, кото­рый вытесняет воздух через выпускную трубку в измерительный цилиндр. Объем воздуха в этом цилиндре почти соответс-вует объему образовавшегося пара. Зная исходную массу ИО и объем пара, вы­числяют его плотность.

Метод адсорбции, который яв­ляется достаточно точным (А ~ 0,05 %) , заключается в том, что баллон известного объема термостатируют, заполняют насы­щенным паром ИО и соединяют с ваку-умированным объемом, в котором рас­положены весы Мак-Бена, в которых на кварцевой спиральной пружине подве­шен адсорбент. Массу пара (полностью поглощенного адсорбентом) измеряют по деформационным смещениям пру­жины.

Метод газовых весов осно­ван на законе Архимеда. В термостати­рованном баллоне на кварцевом коро­мысле уравновешивают пустотелый ша­рик из кварцевого стекла и противовес. Изменение р газа, окружающего шарик, изменяет положение равновесия коро-

мысла весов. Точность измерения 4- 1(Г⁸ г/см³.

Метод истечения газа через отверстие является относительным. Опре­деление неизвестной плотности сводится к измерениям времени протекания через одно и то же отверстие равных объемов двух газов, плотность одного из ко­торых известна; погрешность метода ~0,1 %.

Метод ньезометрии исполь­зуют при измерении газов под высоким давлением с погрешностью ~ 0,2 %. В пьезометре постоянной емкости соз­дают необходимое давление газа ИО (при фиксированной температуре) и затем определяют его массу по объему, который газ занимал при атмосферном давлении.

В цеховых условиях используются следующие методы: поплавковый, гид­ростатический, роторный, ультразвуко­вой.

Рентгеновские методы определения состава и структуры материала.По ап-паратурно-методическим признакам мож­но классифицировать как рентгеноспект-ральный и рентгеноструктурный анализы.

Физическая сущность рентгеноспект-рального анализа состоит в том, что при поглощении первичного рентгеновс­кого излучения в исследуемом образце энергия поглощенного излучения перехо­дит в энергию ионизации вещества. Каж­дый химический элемент имеет спектр излучения, характерный только для не­го, а само излучение называется харак­теристическим, по спектру которого можно определить элементный или атом­ный состав вещества, а по интенсивнос­ти — концентрацию атомов данного эле­мента.

Возбуждение характеристического из­лучения возможно лишь при бомбар­дировании исследуемого образца элект­ронами, ускоряемыми электрическим или магнитным полем высокой напря­женности, либо при облучении его рен­тгеновским излучением. Первый способ носит название прямого (первичного)

возбуждения, второй — флуоресцентного (вторичного) возбуждения.

Для проведения рентгеноспектрально-го анализа применяются флуоресцентные рентгеновские спектрометры, кристалл-дифракционные спектрометры и бескрис­тальные анализаторы.

В флуоресцентных рентгеновских спе­ктрометрах флуоресцентный рентгеновс­кий спектр, содержащий характеристи­ческие линии элементов, входящих в сос­тав исследуемого образца, регистриру­ется с помощью пропорциональных, сцин-тилляционных счетчиков или полупро­водниковых детекторов, обрабатывается с помощью электронно-вычислительных устройств, а результаты анализа выво­дятся на экран дисплея, диаграммную ленту самописца или цифропечатающее устройство.

В кристалл-дифракционных спектро­метрах для регистрации всех характе­ристических линий флуоресценции ис­следуемого образца используется диф­ракция излучения на кристалле, опре­деляемая уравнением Вульфа-Брегга

2d sin0 .= n v,

где d — межплоскостное расстояние для отражающей плоскости кристалла; 0 — угол дифракции; v — длина волны ди­фракционного фотона; п = 1, 2, 3 ... — порядок дифракции.

Поворачивая кристалл в процессе ана­лиза, наменяют угол падения флуорес­центного излучения образца на крис­талл, измеряют интенсивность отражен­ного излучения, находят ,ее максимум, приходящийся на бреговский угол, и таким образом регистрируют все харак­теристические линии флуоресценции об­разца.

В бескристальных анализаторах для проведения флуоресцентного рентгено-спектрального анализа с целью выделе­ния характеристической линии применя­ются селективные рентгеновские фи­льтры (метод дифференциальных фи­льтров) и дифференциальные детекторы (метод энергетической дисперсии, при

котором используется зависимость ам­плитуды импульса на выходе детекто­ра от энергии регистрируемого излуче­ния)

Используя амплитудную дискримина­цию, можно выделить интенсивность из­лучения в заданном интервале энергий спектра образца.

Метод рентгеноструктурного анализа применяется для исследования структу­ры вещества по распределению в прос­транстве и интенсивности рентгеновско­го излучения, рассеянного на анализи­руемом образце.

Методы рентеноструктурного анализа позволяют определить дефекты кристал­лического строения веществ. Сущность рентгеноструктурного анализа объясня­ется явлением дифракции рентгеновско­го излучения, основанной на взаимо­действии первичного рентгеновского излучения с длиной волны порядка 1 • 10" ¹⁰ м с электронами ИО. Дифрак­ционная картина зависит от длины вол­ны рентгеновских лучей и строения ве­щества. В результате дифракции воз­никает вторичное рентгеновское излу­чение с той же длиной волны, направле­ние и интенсивность которых опреде-деляется строением вещества. Дифраги­рованные таким образом рентгеновские лучи интерфирируют между собой.

В направлениях, в которых разность хода лучей равна целому числу длины волн, возникают дифракционные мак­симумы. Эта закономерность описыва­ется уравнением Вульфа — Бреггов.

При известной длине волны каждо­му значению межплоскостного расстоя­ния соответствует определенный угол дифракции, измеряя который, можно определить межплоскостное расстояние между соседними плоскостями элемен­тарной ячейки кристалла анализируемо­го образца. При этом определяется взаимное расстояние разных атомов и определяются межатомные расстояния.

Приборы для флуоресцентного спект­рального анализа вещества разделяют на три основные группы: кристалл-дифрак-

ционные сканирующие сиектометры, поз­воляющие проводить анализ широкой группы элементов; многоканальные спектрометры (квантометры) для одно­временного анализа нескольких элемен­тов в дискретных образцах или на по­токе; анализаторы, позволяющие прово­дить анализ образцов ограниченной груп­пы элементов.

Наиболее высокопроизводительная ап­паратура рентгеноспектрального ана­лиза — квантометры. Их годовая произ­водительность достигает 2 млн. элементо-определений.

Рентгеновские анализаторы применя­ют для выявления рудных элементов в горных породах и рудах, меди в штей­нах и шлаках медеплавильного произ­водства и т.д.

К кристалл-дифракционным скани­рующим спектрометрам относят коротко­волновые флуоресцентные рентгеновс­кие спектрометры, предназначенные для экспрессного количественного анализа различных материалов. - К многоканальным спектрометрам от­носят рентгеновские квантометры. Пред­ставителем многоканальных спектромет­ров является квантометр КРФ-18, пред­назначенный для массовых экспрессных анализов порошковых и монолитных материалов.

Характерная особенность прибора — автоматизация процесса анализа, про­водимая с помощью вычислительного комплекса, который управляет рабочим циклом, контролирует работу прибора, проводит расчет концентраций анализи­руемых элементов по измеренным ин-тенсивностям аналитических линий.

Квантометр позволяет одновременно определять содержание 12 элементов в одном образце в диапазоне от магния до урана. Порог чувствительности по­рядка ю-² - кг⁴.

В качестве ренттеноспектральных ана­лизаторов используются рентгеновские бескристальные скоростные анализаторы с дифференциальными детекторами. Они предназначены для многокомпонентного

экспрессного количественного анализа химического состава различных материа­лов непосредственно в производствен­ных и полевых условиях без отбора проб (опробование керна, контроль соста­ва сырья и материалов при их транспор­тировке и хранении) и образцов руд, горных пород, сплавов и других мате­риалов в лаборатории и в поле.

Рентгеновские приборы для структур­ного анализа можно подразделить на две группы: рентгеновские дифрактсметры и приборы с фотографической регистра­цией интерференционных картин.

Рентгеновские дифрактометры обще­го назначения состоят из источника рент­геновского излучения, рентгеновского гониометрического устройства, точечно­го счетчика квантов со счетно-регистри-рующим устройством, наборов приста­вок к дифрактометру на гониометри­ческом устройстве.

В дифрактометрах общего назначе­ния универсальность измерений опреде­ляется возможностью использовать смен­ные специализированные приставки к: го­ниометру, различные детекторы, а также записывать дифракционную картину не только на самопишущем потенциометре и цифропечатающем устройстве, но и на перфоленте, которую затем можно ввес­ти в ЭВМ. Это позволяет проводить качественный и количественный фазо­вый анализ, исследовать твердые раст­воры, получать полный набор интеграль­ных интенсивностей максимумов от кристаллов, исследовать текстуры. С применением высокотемпературных и низкотемпературных рентгеновских ус­тановок, включающих вакуумный пост, блок поддержания и измерения темпе­ратуры, обеспечивается возможность про­ведения исследований при высоких (до 1500 °С) и низких (до — 173 °С) темпе­ратурах, повышается точность измерения интерференционной картины, сокраща -ется время исследований.

Для определения количественного и качественного анализа фазового состава