Средства измерений плотности жидкостей и газов
Измерение плотности осуществляется для целей управления химико-технологическими процессами и выполнения операций учета количества сырья, топлива, реагентов и готовой продукции [3, c.274].
Плотностью вещества называют физическую, определяемую отношением массы вещества к занимаемому величину им объему.
Плотность жидкостей и газов уменьшается с увеличением температуры. Плотность газов увеличивается с увеличением давления, плотность жидкости практически от давления не зависит.
Средства измерений плотности называют плотномерами.
Весовые, или пикнометрические плотномеры.
Принцип действия этих механических плотномеров состоит в непрерывном взвешивании постоянного объема анализируемого вещества в некоторой емкости или трубопроводе, т. е. плотность определяется через удельный вес. Наиболее распространен плотномер жидкостей, схема которого показана на рис. 1, а.
Чувствительным элементом плотномера служит U-образная трубка 7 из нержавеющей стали, соединенная через
Рис. 1. Схемы весовых и поплавковых плотномеров жидкостей
тягу 3 с рычагом 4. Концы трубки 7 через сильфоны 2 соединены с неподвижными патрубками 7, через которые подается анализируемая жидкость. Наличие сильфонов 2 позволяет трубке 7 поворачиваться вокруг оси О — О. При увеличении плотности жидкости увеличивается масса трубки с жидкостью, что через рычаг 4 передается к механоэлектрическому или механопневматическому преобразователю 5, построенному по принципу компенсации сил, выходной сигнал Свых которого пропорционален изменению плотности анализируемой жидкости. Противовес 6, укрепленный на рычаге 4, служит для уравновешивания момента сил, создаваемого трубкой 7 с жидкостью при выбранном нижнем пределе измерения плотности. Устройство 8 служит для автоматического введения поправки к сигналу плотномера в зависимости от температуры анализируемой жидкости, которую это устройство непрерывно измеряет.
Плотномеры данной конструкции позволяют измерять плотность в интервале 0,5—2,5 г/см3. При этом может быть установлен диапазон измерений 0,05—0,3 г/см3 в любой части указанного интервала. Максимальная температура анализируемой жидкости 100 °С, классы точности 1—1,5.
Поплавковые, или ареометрические плотномеры.
Принцип действия этих механических плотномеров основан на непрерывном измерении выталкивающей (подъемной) силы, действующей на поплавок, частично или полностью погруженный в анализируемое вещество.
На рис. 1, б показана схема поплавкового плотномера жидкостей с частично погруженным поплавком 2, который размещен в емкости 1. Через эту емкость непрерывно прокачивается анализируемая жидкость. За счет перелива в емкости поддерживается постоянный уровень. Анализируемая жидкость удаляется из плотномера через сборник 3. При изменении плотности жидкости изменяется степень погружения поплавка 2 в емкость. Достижение положения равновесия сил N и Gn обеспечивается при этом изменением длины / стержня 4, погруженного в жидкость. Перемещение поплавка 2 преобразуется в электрический сигнал с помощью дифференциального трансформатора 5.
Вес поплавка 2 со стержнем 4 (в воздухе) Gn и выталкивающая сила N, действующая на поплавок, описываются выражениями
Gn=mg
N=(V+lS)ρg
где m—масса поплавка и стержня; V—объем поплавка; /—длина участка стержня, погруженного в жидкость; S — площадь поперечного сечения стержня.
При равенстве сил Gn и N с учетом действия на стержень на поверхности раздела фаз сил поверхностного натяжения:
l=(m-Vρ+A)/(Sρ)
где А — постоянная для данной жидкости величина, учитывающая поверхностное натяжение.
Длина /, а следовательно, и сигнал дифференциального трансформатора 5 однозначно связаны с плотностью жидкости. Массу т подбирают в зависимости от диапазона измерений.
Плотномеры с частично погруженным поплавком обладают высокой чувствительностью, что позволяет осуществлять измерение плотности в узком диапазоне (всего 0,005—0,01 г/см3) с погрешностью ±(1,5—3) % от диапазона измерений.
На рис. 1, в показана схема поплавкового плотномера жидкостей с полностью погруженным поплавком 2. Последний размещен в камере 7, через которую прокачивается анализируемая жидкость. Изменение выталкивающей силы, действующей на поплавок, при прочих постоянных условиях пропорционально изменению плотности жидкости. Поплавок укреплен на рычаге 3, герметичность вывода которого из камеры 1 обеспечивается сильфоном 4. Момент на рычаге 3, создаваемый выталкивающей силой при значении плотности, соответствующем нижнему пределу измерений, уравновешивается моментом, создаваемым противовесом 5. Изменение выталкивающей силы преобразуется преобразователем силы б в унифицированный пневматический или электрический сигнал Свых.
Плотномеры данной конструкции позволяют измерять плотность от 0,5 до 1,2 г/см. Диапазон измерений может быть установлен от 0,05 до 0,2 г/см3 в любой части указанного интервала. Температура анализируемой жидкости может составлять —5— +110°С. Класс точности 1.
Гидро - и аэростатические плотномеры.
Принцип действия этих механических плотномеров основан на зависимости давления столба анализируемой жидкости или газа от плотности этих сред:
P=ρgH,
где Н—высота столба жидкости или газа.
На рис. 2, а приведена схема гидростатического плотномера жидкости. Анализируемая жидкость непрерывно прокачивается через камеру 1, в которой на опорной плате 9 размещены измерительные сильфоны 2 и 4. Расстояние между этими сильфонами по высоте составляет Н, поэтому на сильфон 2 действует большее гидростатическое давление, чем на сильфон 4. Указанные сильфоны и сильфон 2 заполнены вспомогательной жидкостью. Сильфон 3 служит для температурной компенсации и по существу представляет собой жидкостный манометрический термометр. Разность усилий на сильфонах 2 и 4, возникающая за счет разности гидростатических давлений на них, создает на измерительном рычаге 8 вращающий момент, который через рычаг 7 передается в преобразователь 5 силы в унифицированный электрический или пневматический сигнал. Мембрана 6 обеспечивает герметичный вывод рычага 7.
Основные технические характеристики: диапазон измерений от 0—0,05 до О—0,5 г/см ; максимальная температура жидкости 200°С; класс точности 1.
Схема гидростатического плотномера, принцип действия которого основан на измерении гидростатического давления путем продувки сжатого газа, показана на рис. 2, б. Такие плотномеры используются в химико-технологических процессах для измерения плотности непосредственно в технологических аппаратах. В аппарате 7 установлены трубки 1 и 2 с различной глубиной погружения. Газ (обычно воздух) от регулятора расхода 5 поступает к пневматическим дросселям 3 и 4, а затем к трубкам 2 и 7. Через открытые торцы трубок газ барботирует через жидкость. Давление газа в трубках 1 и 2 определяется гидростатическим давлением столба
Рис. 2. Схемы гидро - и газостатических плотномеров жидкостей и газов
жидкостей высотой Hi и Н-г. Разность давлений в трубках измеряется дифманометром 6 с пневматическим или электрическим выходным сигналом. Этот перепад определяется выражением:
ΔP=P2-P1=ρgH2-ρgH1=(H2-H1)ρg=Hρg
Наличие двух трубок позволяет исключить влияние на результат измерений возможных изменений уровня жидкости в аппарате.
Схема широко распространенного аэростатического плотномера газов показана на рис. 2, в. В этом плотномере анализируемый газ и воздух прокачиваются при постоянных давлениях соответственно через вертикальные трубки 7 и 2, внутренние полости которых образуют столбы анализируемого газа и воздуха одинаковой высоты. Разность аэростатических давлений этих столбов измеряется с помощью высокочувствительного колокольного дифманометра 3, работающего по принципу уравновешивания за счет изменения выталкивающей силой. Перемещение колокола 4 дифманометра с помощью преобразователя 5 преобразуется в унифицированный электрический или пневматический сигнал.
Плотномер обеспечивает измерение плотности от 0 до 3 кг/м3 с диапазоном измерений от 0,2 до 1 кг/м3 и с погрешностью ±0,01 кг/м3.
Гидро-газо(аэро)динамические плотномеры.
Принцип действия этих механических плотномеров основан на сообщении потоку анализируемого вещества дополнительной кинетической энергии и на измерении параметров, характеризующих эффекты, возникающие при этом воздействии. В основном указанные плотномеры применяются для измерения малой по значению плотности газов.
На рис. 3 показаны упрощенные схемы газодинамических плотномеров газов. В плотномере (рис. 3, а) потоку анализируемого газа, протекающего через камеру 2, сообщается кинетическая энергия турбинкой 3, приводимой во вращательное движение синхронным двигателем 1. Поток газа поступает к турбинке 4 и создает на ней за счет своей кинетической энергии вращающий момент, определяемый формулой
M=kω2ρ или P1-P2= kρ
где k - постоянный коэффициент, ω —частота вращения турбинки 3.
|
Под действием этого момента турбинка 4 поворачивается, а возникающий на ней момент уравновешивается моментом, создаваемым на оси 8 плоской пружины 5. Угол поворота оси 8 и стрелки 6 по шкале пропорционален плотности газа. С помощью преобразователя 7 угол поворота преобразуется в унифицированный сигнал. Класс точности рассматриваемого плотномера 0,5—1,5 (в зависимости от диапазона измерений).
В основу работы плотномеров (рис. 3,6, в) положен эффект истечения газа через диафрагму. В плотномере, представленном на рис. 3, б, анализируемый газ прокачивается с постоянным объемным расходом Q, создаваемым трехступенчатым вентилятором 3, через диафрагму 4 диаметром 0,5—1 мм. Вентилятор приводится во вращательное движение через магнитную муфту 2 синхронным двигателем или пневматической турбинкой /.
Рис. 3.Схемы газодинамических плотномеров газов
Перепад давлений (50—500 Па), возникающий на диафрагме 4, измеряется дифманометром 5 с унифицированным сигналом.
P1-P2=0.5[Q/αεF0]2ρ
Плотномер способен измерять плотность газа в нормальных и рабочих условиях. Класс точности его 1.
Вибрационные плотномеры.
Принцип действия этих механических плотномеров основан на зависимости параметров упругих колебаний (вибрация), сообщаемых камере с анализируемым веществом или телу, размещенному в нем, от плотности этого вещества. Обычно в качестве параметра упругих колебаний используется частота собственных колебаний резонатора, находящегося в режиме автоколебаний. Резонаторы вибрационных плотномеров выполняют в виде трубки, пластины, стержня, струны, камертона и т. д.
Конструктивно различают проточные и погружные вибрационные плотномеры. В первых анализируемое вещество протекает через внутреннюю полость резонатора, во вторых—резонатор размещается в потоке анализируемого вещества.
На рис. 4, а показана схема проточного вибрационного плотномера жидкостей. Анализируемая жидкость поступает параллельно в трубки 1 и 2 (резонатор), установленные в сильфонах 6 и скрепленные перемычками 5. Сильфоны 6 расположены в опорах 5. Указанные трубки, катушка 3, воспринимающая колебания трубок резонатора, катушка возбуждения 4 и электронный усилитель 10 составляют электромеханический генератор, частота колебаний которого определяется плотностью анализируемой жидкости. Выходной сигнал усилителя 10 в виде частоты вводится в вычислительное устройство 9, к. которому подключены платиновые термометры сопротивления 7 и 77, позволяющие корректировать сигнал плотномера в зависимости от значения средней температуры жидкости в нем.
Диапазон измерений данного плотномера 690— 1050 кг/м, температура жидкости 10—100°С; абсолютная погрешность измерения ±1,5 кг/м3.
На рис. 4, б показана схема погружного камертонного вибрационного плотномера газов. Здесь электромеханический генератор
Рис. 4. Схемы вибрационных плотномеров жидкостей и газов
состоит из воспринимающих катушек 2 с магнитом /, катушек возбуждения 6 с. магнитом 7, камертона 4, расположенного в корпусе 3, и электронного усилиЧастота колебаний системы на выходе усилителя 5 сравнивается с частотой кварцевого генератора, а разность частот этих колебаний, определяющих плотность газа, измеряется частотомером. Класс точности плотномера 1. Он может быть использован для измерения плотности газа в рабочих условиях.
