Денсиметри

Денсиметр - це засіб для вимірювання щільності різних речовин. Саме слово «денсиметр» походить від латинського слова densus (densi), що означає «щільний», і грецького metreo, що в перекладі - «вимірюю». Об'єднавши ці два слова, можна дати визначення або дефініцію слова «денсиметром».. Одним із синонімів денсиметра є слово щільномір.Денсиметр може застосовуватися як для твердих, так і для рідких і газоподібних речовин.По методу визначення щільності розрізняють денсиметри : вагові (пікнометричні), поплавкові (ареометричні), гідро- і аеростатичні, гідро- газо(аеро)динамічні, вібраційні.

Вагові (пікнометричні) денсиметри

Принцип дії цих механічних денсиметрів полягає в безперервному зважуванні постійного об’єму аналізованої речовини у певній ємності або трубопроводі, тобто відповідно до виразів (1)-(3)

Рис.1-Схема вагового денсиметра

[math]\rho=\frac{m}{V}[/math] [одиниця маси]/[одиниця об’єму] (1)

Питомою вагою γ речовини називають фізичну величину, обумовлену відношенням ваги G речовини до її об’єму V:

[math]\gamma=\frac{G}{V}[/math] [одиниця сили]/[ одиниця об’єму] (2)

Питома вага і густина зв'язані співвідношенням

[math]\gamma=\rho \cdot g=m \cdot g/V[/math] (3)

де g — місцеве прискорення вільного падіння, густина визначається через питому вагу.

Схема найпоширенішого вагового денсиметра рідин показана на рис.1 Чутливим елементом денсиметра є U-подібна трубка 7, виготовлена з нержавіючої сталі, з'єднана через тягу 3 з важелем 4. Кінці трубки 7 через сильфони 2 з'єднані з нерухомими патрубками 1, через які подається аналізована рідина. Наявність сильфонів 2 дозволяє трубці 7 обертатися навколо осі 0 — 0. При збільшенні густини рідини збільшується маса трубки з рідиною, що через важіль 4 передається до механоелектричного або механопневматичного перетворювача 5, побудованого за принципом компенсації сил, вихідний сигнал Свих якого пропорційний зміні густини аналізованої рідини. Противага 6, яка укріплена на важелі 4, служить для зрівноважування моменту сил, створюваного трубкою 7 з рідиною при обраній нижній межі вимірювання густини. Пристрій 8 служить для автоматичного введення виправлення до сигналу денсиметра залежно від температури аналізованої рідини, яку цей пристрій безупинно вимірює.

Денсиметри даної конструкції дозволяють вимірювати густину в інтервалі 0,5-2,5 г/см³. При цьому може бути встановлений діапазон вимірювання 0,05-0,3г/см³ у будь-якій частині зазначеного інтервалу. Максимальна температура аналізованої рідини 100°С, класи точності 1-1,5.

Поплавкові (ареометричні) денсиметри

Рис.2 – Поплавковий денсиметр

Принцип дії цих механічних денсиметрів побудований на безперервному вимірюванні виштовхувальної (підйомної) сили, яка діє на поплавець, частково або повністю зануреного в аналізовану речовину.

На рис. 2 показана схема поплавкового денсиметра рідин із частково зануреним поплавцем 2, розміщеним у ємності 1. Через цю ємність безупинно прокачується аналізована рідина. За рахунок переливання в ємності підтримується постійний рівень. Аналізована рідина витікає із денсиметра через збірник 3. При зміні густини рідини змінюється ступінь занурення поплавця 2 у ємність. Досягнення положення рівноваги сил N і G_П забезпечується глибиною занурення поплавця, при цьому змінюється довжина l стрижня 4, зануреного в рідину. Переміщення поплавця 2 перетворюється в електричний сигнал за допомогою диференціального трансформатора 5.

Вага поплавця 2 зі стрижнем 4 (у повітрі) G_П і виштовхувальна сила N, діюча на поплавець, описуються виразами

[math]G_{П}=m \cdot g[/math]

[math]N=(V+l \cdot S) \cdot \rho \cdot g[/math]

де m - маса поплавця і стрижня; V - об’єм поплавця; l - довжина ділянки стрижня, зануреного в рідину; S - площа поперечного перерізу стрижня.

При рівності сил G_П і N з виразу (4) з урахуванням дії на стрижень на поверхні поділу фаз сил поверхневого натягу можна визначити величину ходу стрижня l. Як бачимо, довжина l, а отже, і сигнал диференціального трансформатора 5 однозначно пов'язані із густиною рідини. Масу m підбирають залежно від діапазону вимірювання.

Існує багато різних конструкцій денсиметрів із частково зануреним поплавцем. Вони мають високу чутливість, що дозволяє здійснювати вимірювання густини у вузькому діапазоні (усього 0,005—0,01 г/см³ з похибкою ±(1,5-3)% від діапазону вимірювання.

Гідро- і аеростатичні денсиметри

Рис.3 – Схема гідростатичного денсиметра

Принцип дії цих механічних денсиметрів побудовано на залежності тиску Р стовпа аналізованої рідини або газу від густини ρ цих середовищ:

[math]P=\rho \cdot g \cdot H[/math] (5) де Н— висота стовпа рідини або газу.

Якщо значення Н взяти постійним, то тиск Р однозначно визначається густиною середовища.

Принцип дії побудовано на вимірю-ванні гідростатичного тиску методом продувки стисненого газу,показана на рис.3. Такі денсиметри викори-стовуються в хіміко-технологічних процесах для вимірювання густини безпосередньо в техно-логічних апаратах. В апараті 7 установлені трубки 1 і 2 з різною глибиною занурення.

Газ (звичайне повітря) від регулятора витрати 5 надходить до пневматичних дроселів 3 і 4, а потім до трубок 2 і 1. Через відкриті торці трубок газ барботує через рідину. Тиск газу в трубках 1 і 2 визначається гідростатичним тиском стовпа рідин висотою Н₁ і Н₂. Різниця тисків у трубках вимірюється дифманометром 6 із пневматичним або електричним вихідним сигналом. Цей перепад визначається виразом

[math]\Delta P = P_2 - P_1 = (H_1 - H_1) \cdot \rho \cdot g = H \cdot \rho \cdot g[/math] (6)

Наявність двох трубок дозволяє виключити вплив на результат вимірювання можливих змін рівня рідини в апараті.

Одним з найбільш удосконалених і чутливих є аеростатичний денсиметр (рис.4), у якому використовується комбінація механічного і теплового ефектів. Аналізований газ із постійною об'ємною витратою надходить у трубку 2, а в трубку 3

Рис.4 – Аеростатичний денсиметр

При постійному тиску надходить допоміжний газ (звичайне повітря). Газові потоки виводяться через трубку 1. Трубки 1, 2 і 3 розміщені вертикально. При зміні густини аналізованого газу змінюється аеростатичний тиск стовпа газу в трубці 2, а отже, і тиск у точці А. Тому змінюється витрата повітря, яке обвітрює резисторний вимірювальний термоанемометр R_B, у результаті чого змінюється його опір. Опір порівняльного термоанемометра R_пор залишається постійним, тому що потік повітря, яке його обвітрює, практично не змінюється. Зміна опору термоанемометра R_B спричиняє розбаланс U нерівноважного мосту 4. Цей розбаланс описується виразом

[math]U = K \cdot (\rho - \rho _{B} )[/math] (7)

де К — коефіцієнт перетворення денсиметра;

ρ_B - густина повітря.

Денсиметр термостатируєтся при температурі 40 або 45°С, і забезпечує вимірювання густини в межах 0-3 кг/см³ з діапазоном вимірювання, відліченим від значення густини повітря при 20°С, ± (0,01-1,5) кг/м³ і класами точності 2—5 (залежно від діапазону вимірювання).

Гідро- газо(аеро)динамічні денсиметри

Рис.5 - Аеродинамічний денсиметр

Принцип дії цих механічних денсиметрів побудовано на наданні потоку аналізованої речовини додаткової кінетичної енергії і на вимірюванні параметрів, що характеризують ефекти, які виникають при цьому впливі. В основному зазначені денсиметри застосовуються для вимірювання малої за значенням густини газів.

На рис.5 показана спрощена схема газо-динамічного денсиметра. У денсиметрі потоку аналізованого газу, що проходить через камеру 2, надається кінетична енергія турбинкою 3, яка приводиться в обертовий рух синхронним двигуном 1. Потік газу надходить до турбинки 4 і створює на ній за рахунок своєї кінетичної енергії обертовий момент, який виражений формулою

[math]M = k \cdot \omega^2 \cdot \rho[/math] (8)

де k – постійний коефіцієнт;

ω - частота обертання турбинки 3.

Під дією цього моменту турбинка 4 повертається, а виникаючий на ній момент урівноважується моментом, створюваним на осі 8 плоскою пружиною 5. Кут повороту осі 8 і стрілки 6 за шкалою пропорційний густині газу. За допомогою перетворювача 7 кут повороту перетворюється в уніфікований сигнал. Клас точності розглянутого денсиметра 0,5-1,5 (залежно від діапазону вимірювання).

Вібраційні денсиметри

Принцип дії цих механічних денсиметрів побудовано на залежності параметрів пружних коливань (вібрації), які передаються камері з аналізованою речовиною або тілу, розміщеному в ньому, від густини цієї речовини. Звичайно як параметр пружних коливань використовується частота власних коливань резонатора, який перебуває в режимі автоколивань. Резонатори вібраційних денсиметрів виконують у вигляді трубки, пластини, стрижня, струни, камертона і т.д. Частота власних коливань резонатора, який знаходиться в аналізованій речовині, описується в загальному випадку виразом

[math]f = f_0 \cdot \sqrt{1/(1+k \cdot \rho)}[/math] (9)

де f₀ — частота коливань резонатора при початковому значенні густини аналізованої речовини;

k — константа, що залежить від конструкції резонатора.

Конструктивно розрізняють проточні і заглибні вібраційні денсиметри. У перших аналізована речовина проходить через внутрішню порожнину резонатора, у других — резонатор розміщується в потоці аналізованої речовини, діапазон вимірювання даних денсиметрів 690—1050 кг/м³, температура рідини 10—100°С; абсолютна похибка вимірювання ±1,5 кг/м³.

Список використаної літератури

• Фарзане Н.Г. Технологические измерения и приборы: учеб. /Н.Г.Фарзане, Л.В.Илясов, А.Ю.Алим-заде. - М., 1989.- 456 с.

• Мурин Г.А. Теплотехнические измерения: учеб./ Г.А.Мурин. - М., 1979. -424 с.

• http://www.lemis-baltic.ru/?mid=57