Плотномер

Плотномер – измерительный прибор, служащий для измерения плотности газов, жидкостей, твердых веществ. Для выбора соответствующего плотномера рассматриваются основные метрологические, а также эксплуатационные характеристики, к ним относятся: точность, воспроизводимость, пределы измерения, их погрешности и диапазон, температуры действия и давления, определение взаимодействия конструкционных материалов и исследуемых веществ. Стандартной температурой считается 0 °C, такая температура позволяет произвести измерения при помощи плотномера. Относительная плотность разнообразных веществ при этой температуре позволяет составлять таблицы (или номограммы), которые заносятся в справочную литературу и принимаются как основа исследований.

Для жидкостей используются автоматические и ручные плотномеры, которые подразделяются по принципу действия: поплавковые, массовые, гидростатические, радиоизотопные, вибрационные, ультразвуковые.

Поплавковые, или ареометрические, плотномеры разработаны на основе закона Архимеда, по которому масса жидкости, вытесненная плавающим аэрометром, равна его массе, такие приборы имеют погрешность 0,2—2% от диапазона показаний плотности, охватываемого шкалой прибора. Массовые плотномеры созданы на принципе постоянного взвешивания определенных объемов жидкости, погрешность прибора составляет 0,5—1%. Гидростатические плотномеры позволяют измерять давление столба жидкости неизменной высоты, погрешность соответствует 4%. Радиоизотопные плотномеры работают на принципе нахождения ослабления пучка γ-излучения, полученного при его поглощении или рассеянии слоем жидкости. Погрешность этого прибора составляет примерно 2%. Вибрационный плотномер разработан на принципе зависимости резонансной частоты колебаний, которые возбуждаются в жидкости, относительно ее плотности, погрешность прибора составляют (1—2) × 10-4 г/см3. Ультразвуковые плотномеры созданы на основе зависимости скорости звука в среде относительно плотности среды, погрешность этих приборов – в пределах 5%.

Лабораторные плотномеры используются в качестве ручного периодического измерения относительной плотности веществ, в основном это аэрометры, пикнометры и гидростатические весы. Ареометры подразделяются на приборы постоянной массы, которые применяются в большинстве случаев, и постоянного объема. Ареометры постоянной массы состоят из шкалы плотности, балласта или дроби, связующей массы, встроенного термометра. Ареометры постоянного объема имеют: балласт или дробь, связующую массу, тарелку для гирь, метку. Денсиметры являются ареометрами постоянной массы, шкала градуируется в единицах плотности. Также к этому типу плотномеров относятся приборы, определяющие концентрацию растворов, для них шкала градуируется в процентах по объему или по массе. Эти приборы называются лактометрами (они измеряют жирность молока), спиртомерами (определяют содержание спирта в воде), сахарометрами (позволяют определять содержание сахара в сиропах) и т. д. Плотность постоянного объема измеряется при помощи изменения массы поплавка при достижении определенной метки в результате погружения поплавка. Также этот тип ареометра позволяет определить плотность твердых тел.

Плотномеры, используемые для гидростатического взвешивания, разработаны на принципе закона Архимеда и определяют плотность жидкостей и твердых тел. Для измерения плотности жидкости применяется какое-либо тело с определенной массой и объемом (в основном стеклянный поплавок, который взвешивается в этой жидкости). Для измерения плотности твердого тела необходимо произвести его двукратное взвешивание, которое осуществляется сначала в воздухе, это взвешивание позволяет определить массу тела. Далее взвешивание осуществляется в жидкости, плотность которой известна, поэтому для этих целей в основном используется дистиллированная вода. Разница, найденная из результатов обоих взвешиваний, определяет объем твердого тела. Гидростатическое взвешивание на технических, аналитических, образцовых весах дает разную степень точности. Массовые измерения, как правило, осуществляются на быстродействующих весах, но менее точных, к ним относятся весы Мора, весы Вестфаля, также используется их комбинация.

Конструкция гидростатических весов Мора—Вестфаля включает в себя неравноплечное коромысло, шкалу в виде поперечных надрезов для гирь и шкалу для указателя равновесия, неподвижного противовеса, стеклянного поплавка, гирь-рейтеров, сосуда с жидкостью, термометра, двойной чашки для помещения твердых тел, где верхняя сплошная, а нижняя оснащена отверстием и используется для погружения в воду.

Технологические плотномеры являются измерительными приборами автоматического типа, применяются для беспрерывного определения и регулирования плотности веществ, которые находятся в процессе своего производства или переработки. Устанавливаются эти приборы в контрольных точках технологических линий и на аппаратах промышленных установок. Такие типы плотномеров разрабатываются в виде датчиков, вторичных приборов, блоков подготовки пробы и т. д.

Поплавковые плотномеры подразделяются на плавающие и погруженные в жидкость. Плотномер с плавающим поплавком для жидкости состоит из основного сосуда, переливного сосуда, поплавка, сердечника, катушки, из входной трубы, подводящей трубы, отводящей трубы, термометра сопротивления, вторичного прибора, индукционного моста. Плотномер с погруженным поплавком для жидкостей включает в себя камеру, поплавок, уплотнительный сифон, противовес, коромысло, ролик, рычаг, мембранную коробку, заслонку, сопло, вторичный прибор. Эти типы приборов имеют отличительные особенности. Для одного отношение глубины его погружения обратно пропорционально плотности применяемой жидкости, в другом случае плотность прямо пропорциональна массе поплавка. Также поплавковые плотномеры используются для определения плотности газов. Конструкция поплавкового плотномера для газов включает в себя камеру, герметичный и открытые шары, коромысло, устройство для балансировки и регулирования чувствительности коромысла, груз, мембранную коробку, фильтры, постоянный магнит, стрелку прибора. Измерения осуществляются в результате постоянного взвешивания шара с азотом в камере, которая заполняется исследуемым газом. Мера плотности определяется относительно угла наклона коромысла, движение которого, взаимодействуя с магнитом, переходит к стрелке прибора.

Массовые плотномеры разработаны на принципе пропорциональности плотности и массы жидкости постоянному объему. Конструкция массового плотномера: U-образная трубка, тяги, соединительные патрубки, рычаг, противовес, сильфон, трубка для подачи воздуха, заслонка, сопло. Такие плотномеры оснащаются пневматическим преобразователем, жидкость определенного объема, протекающая по трубопроводу, беспрерывно взвешивается. В конструкции предусмотрена U-образная трубка, по которой движется проверяемая жидкость, объединенная с заслонкой рычажной системой. Давление воздуха в сильфоне аппарата, а также плотности жидкости, которые меняются пропорционально, определяются по вторичному прибору.

Массовые плотномеры измеряют плотность суспензий, вязких жидкостей и жидкостей, в состав которых входят твердые включения.

Гидростатические плотномеры основаны на принципе линейной зависимости гидростатического давления относительно высоты уровня и плотности жидкости. Измерение столба жидкости происходит непосредственно при косвенном способе – производится продувание воздуха сквозь жидкость. Давление такого воздуха пропорционально столбу жидкости. В данном случае применяется пьезометрический плотномер.

Конструкторское решение пьезометрического плотномера: сосуд с исследуемой жидкостью, сосуд со сравнительной жидкостью, фильтр, измерительный блок с манометром, дифманометр, вторичный прибор. Дифференциальный метод продувания позволяет исключить воздействие колебаний температуры и уровня жидкости, в этом случае продувание воздуха осуществляется одновременно через исследуемую и сравнительную жидкости, которые непременно должны быть одной температуры, т. е. термостатированные. Измерение разницы давлений осуществляется при помощи дифманометра. В конструкции дифманометра предусмотрено наличие пневмопреобразователя, создающего передачу соответствующего сигнала на вторичный прибор.

Гидростатический плотномер, измеряющий плотность газов, работает на принципе сравнения давления столба исследуемого газа и эталонного, имеющих равную высоту. Такой плотномер состоит из трубки, дифманометра и термостата. Дифманометр фиксирует перепад давлений, который пропорционален плотности проверяемого газа.

Радиоизотопные плотномеры основаны на изменении интенсивности ионизирующих излучений в результате их прохождения сквозь рассматриваемую среду. Состоит радиоизотопный плотномер из основного источника излучения и дополнительного источника излучения, сосуда с жидкостью, основного приемника излучения и дополнительного приемника излучения, электронного усилителя, основного электронного преобразователя и дополнительного электронного преобразователя, компенсирующего клина, реверсивного электродвигателя, индуктивного передатчика, вторичного прибора. Плотность среды находится в функциональной зависимости от характера излучений, их ослабления. В таких плотномерах главным образом используется γ-излучение. Исследования основываются на прохождении излучения от источника сквозь пласт жидкости в сосуде, затем происходит попадание в приемник излучения. Плотность измеряется, и в электронном усилителе происходит усиление сигнала приемника, отправляемого в электронный преобразователь. В преобразователь также направляется сигнал, который создается излучением дополнительного радиоизотопного источника, получаемый при прохождении сквозь поглощающий металлический клин и дополнительный приемник. Формирование сигнала, функционально объединенного с разностью поступающих сигналов, также выполняет функцию управления реверсивным электродвигателем, который, в свою очередь, двигает клин для получения равновесия входных сигналов от основного и дополнительного источников излучения, происходит в преобразователе. Баланс движения клина соотносит индукционную передачу с вторичным прибором, размер перемещения клина пропорционален трансформации плотности жидкости. Радиоизотопные плотномеры предназначены для бесконтактного контроля и регулирования плотности агрессивных, сильновязких, горячих сред, сгущенного молока, сахарных сиропов, жидкостей, которые находятся под воздействием больших давлений, и т. д. Также плотномеры такого типа применяются для измерения плотности твердых тел, в некоторых случаях даже для измерения плотности газов.

Вибрационные плотномеры оснащаются чувствительным элементом, разработанным в виде металлической трубки, внутренняя часть которой в обязательном порядке подвергается полированию. Чувствительный элемент устанавливается в потоке исследуемого вещества с помощью электронного устройства, предусмотренного в конструкции трубки, в потоке происходит осциллирование трубкой, частота собственных колебаний трубки обусловливается плотностью вещества.

В настоящее время в конструкторское решение технологических плотномеров включаются микропроцессоры и вычислительные блоки, которые способны производить корректирование параметров при видоизменении внешних условий. Нововведения позволяют увеличить конструктивный потенциал, а также метрологические, эксплуатационные характеристики плотномеров.

В связи с тем, что относительная плотность постоянна для всех химически однородных веществ и растворов при стандартной температуре, это позволяет по значениям плотности, полученным при помощи плотномера, определять состояние примесей в веществах и растворах. Плотномеры широко используются для проведения большого спектра анализов, а также способны давать результаты по контролю технологических процессов производства, помогая в составлении автоматического управления этими процессами. Эти приборы получили применение при правильной организации системы количеств учета материала при их приемке, в процессе хранения и при выдаче. Применяются в различных отраслях хозяйствования, для научно-исследовательских целей.