Доклад - Анализ плотномеров

Подождите немного. Документ загружается.

Тема – Анализ плотномеров.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ

АРЕОМЕТРЫ ЧАСТИЧНОГО ПОГРУЖЕНИЯ

АРЕОМЕТРЫ ПОЛНОГО ПОГРУЖЕНИЯ

КОРОМЫСЛОВЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

ПРУЖИННЫЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

ФЛОТАЦИОННЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

ПИКНОМЕТРЫ

ДИЛАТОМЕТРЫ И ПЬЕЗОМЕТРЫ

АРЕОПИКНОМЕТРЫ

АДСОРБЦИОННЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ ПЛОТНОМЕРЫ

СТРУЙНЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

ПОПЛАВКОВЫЕ И ПОПЛАВКОВО - ВЕСОВЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

ОБЪЕМНО-ВЕСОВЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

ВИБРАЦИОННЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

РАДИОИЗОТОПНЫЕ И ВИХРЕВЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Плотность является одной из основных физических величин,

характеризующих свойства веществ. Измерение плотности веществ играет

существенную роль при проведении исследовательских работ в различных

отраслях науки и техники, а также при осуществлении контроля за

технологическими процессами и качеством продукции.

Следует отметить большое значение приборов для автоматического

измерения плотности, которые являются весьма важным элементом

комплексной автоматизации производственных процессов во многих отраслях

промышленности (химической, металлургической, нефтяной, пищевой и др.).

Разработке и исследованию новых принципов измерения плотности,

созданию конструкций плотномеров, основанных на этих принципах, освоению

и расширению промышленного производства плотномеров уделяется все

большее внимание. Возрастание роли и значения измерений плотности

обусловлено в значительной мере непрерывным увеличением номенклатуры

технологических процессов и производств, в которых расход веществ,

участвующих в осуществлении процессов, оценивается по массе, причем

массовый расход определяется путем раздельных автоматических измерений

объемного расхода и плотности с последующим автоматическим пере-

множением результатов этих измерений. Весьма велика роль измерения

плотности и в организации системы количественного учета (по массе) веществ

при их приемке, хранении и отпуске, когда масса вещества не может быть

измерена непосредственным взвешиванием на весах и ее приходится определять

по результатам измерении объема и плотности.

Вопросы точного измерения плотности имеют существенное значение при

создании измерительных средств в различных отраслях приборостроения и

метрологии, связанных с анализом свойств и состава веществ. Важное значение

приобретают различные методы измерения плотности веществ в космических

исследованиях, при решении проблемы охраны окружающей среды, при

исследовании плазмы, а также в других новых областях науки и техники.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ

Различные вещества, имеющие при одинаковой температуре равные объемы,

могут обладать различной массой и наоборот, вещества с одинаковой массой

могут занимать различные объемы. Отношение массы вещества к его объему

является физической величиной, которая характеризует свойства данного

вещества и называется плотностью. Таким образом:





где ρ - плотность однородного вещества или средняя плотность неоднородного

вещества; m и V — соответственно масса и объем вещества.

Для неоднородного вещества плотность в точке находится как предел

отношения массы к объему, когда объем стягивается к точке, в которой

определяется плотность:





 0

lim



, где Δm— масса элементарного объема ΔV.

Так как плотность вещества зависит от температуры, то при обозначении (в

индексе) указывают температуру, при которой измерена плотность. Например,

обозначение ρ

соответствует плотности при температуре 20°С.

За единицу плотности принимается плотность такого однородного вещества,

единица объема которого содержит единицу массы.

В соответствии с ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц» и СТ СЭВ

1052-78 «Метрология. Единицы физических величин» единицей плотности в

международной системе (СИ) является килограмм на кубический метр (кг/м

Наряду с единицей СИ допускаются внесистемные единицы плотности: тонна

на кубический метр (т/м

), килограмм на литр (кг/л).

В ряде отраслей науки и техники для характеристики вещества применяют

относительную плотность, которая представляет собой отношение плотности

рассматриваемого вещества к плотности другого (условного) вещества при

определенных физических условиях и, следовательно, является безразмерной

величиной.

В качестве условного вещества для определения плотности жидких и твердых

веществ обычно принимают дистиллированную воду. Относительную плотность

газов выражают по отношению к сухому воздуху, кислороду или водороду,

взятым при тех же условиях, что и рассматриваемый газ, или в нормальном

состоянии.

Относительную плотность можно также рассматривать как отношение массы

данного вещества к массе условного вещества, взятого в том же объеме при

определенных условиях.

Большая группа методов, которые называются поплавково-весовыми,

основана на определении выталкивающей силы, действующей на испытуемое

тело или специальное вспомогательное тело (поплавок); эта сила в соответствии

с законом Архимеда прямо пропорциональна плотности среды, в которую

погружено тело. Сюда относятся методы ареометра, гидростатического

взвешивания, поплавковый, флотационный.

Следующую группу образуют гидростатические методы измерения, которые

базируются на зависимости статического давления столба жидкости или газа по-

стоянной высоты от их плотности.

В отдельную группу можно объединить гидродинамические методы,

связанные с зависимостью от плотности таких физических величин, как

скорость истечения струи жидкости или газа из отверстия, сила удара струи о

преграду, скорость падения тела в жидкости, энергия потока вещества,

динамическое давление и др.

Большое развитие получают новые методы измерений, основанные на

использовании различных физических явлений и величин, которые однозначно

зависят от плотности. Сюда относятся, например, зависимость от плотности

следующих физических величин: ослабления радиоактивного излучения,

которым «просвечивают» вещество; скорости распространения звука в

веществе; частоты и амплитуды вибраций вспомогательного тела,

соприкасающегося с испытуемым веществом; параметров вихрей,

образующихся в потоке жидкости или газа и др.

АРЕОМЕТРЫ ЧАСТИЧНОГО ПОГРУЖЕНИЯ

Простейшим и наиболее распространенным является метод измерения

плотности жидкостей и концентрации растворов при помощи прибора,

называемого ареометром (слово «ареометр» образовано из греческих слов

araios —жидкий и metreo — измеряю). Ареометр частичного погружения

представляет собой вертикальное продолговатое полое тело, соединенное вверху

с узким трубчатым стержнем, который снабжен шкалой.

При погружении в жидкость ареометр согласно закону Архимеда испытывает

действие выталкивающей (подъемной) силы, равной весу вытесненной

ареометром жидкости. По мере погружения ареометра увеличиваются объем и

вес вытесненной им жидкости, т. е. возрастает выталкивающая сила, и в тот

момент, когда эта сила становится равной весу всего ареометра, наступает со-

стояние равновесия.

Глубина погружения, при которой ареометр приходит в равновесное

состояние, зависит от плотности жидкости: чем больше плотность, тем меньше

должна быть глубина погружения ареометра, чтобы вес жидкости, вытесненной

его погруженной частью, стал равен общему весу ареометра; наоборот, чем

меньше плотность жидкости, тем больше глубина погружения ареометра.

Таким образом, числовые значения плотности на шкале ареометра должны

располагаться в возрастающем порядке сверху вниз, т. е. отметки,

соответствующие меньшей плотности, должны находиться в верхней части

шкалы, а отметки, соответствующие большей плотности — в нижней.

Шкала ареометра неравномерна: ее деление, т. е. расстояние между двумя

смежными отметками, постепенно увеличивается снизу вверх — к концу

стержня.

Капиллярные явления приобретают особенное значение при ареометрических

измерениях. Вокруг стержня ареометра, плавающего в жидкости, поверхность

искривляется, и образуется мениск, который оказывает большое влияние на

показания прибора. Так как преобладающее распространение получили

стеклянные ареометры, а большинство жидкостей смачивает стекло, то в этих

случаях образуется вогнутый мениск, который как бы прилипает к стержню

ареометра, увеличивая его эффективную массу, отчего ареометр погружается в

жидкость на большую глубину.

Мениск, представляющий собой некоторое количество жидкости,

поднявшейся вдоль стержня ареометра, удерживается силой поверхностного

натяжения, которая действует на линии соприкосновения жидкости со стерж-

нем.

В жидкости с большей капиллярной постоянной ареометр из-за большого

погружения будет показывать меньшую, чем следует, плотность, так как

значения плотности на шкале ареометра растут сверху вниз. Эта ошибка

увеличивается с уменьшением диаметра стержня.

Различают ареометры постоянного объема (переменной массы) и ареометры

постоянной массы. Ареометр постоянного объема погружается в жидкость

всегда на одну и ту же глубину, в то время как глубина погружения ареометра

постоянной массы различна в зависимости от плотности испытуемой жидкости

Ареометр постоянного объема (Рис.1) состоит из полого про-

долговатого металлического или стеклянного корпуса 3 цилиндри-

ческой формы, переходящего вверху в тонкий короткий стержень,

на конце которого укреплена тарелка (чашка) 5 для накладывания

груза (гирь). Для устойчивости корпус снабжен балластом 1, кото-

рый фиксируется слоем связующего вещества 2. На стержне нане-

сена метка 4, до которой должен погружаться ареометр при опреде-

ленной плотности жидкости и определенной массе гирь. О

плотности исследуемой жидкости судят по массе груза, снятого или

Рис.1 добавленного для того, чтобы ареометр погрузился до метки.

Уравнение равновесия ареометра в жидкости имеет вид (влиянием мениска и

выталкивающей силы непогруженной части стержня пренебрегаем):



Пжг

Vmm 

где m — масса ареометра; m

— масса гирь; V

— объем погруженной части

ареометра (до метки) при температуре t, заранее определенный при помощи

жидкости известной плотности.

Тогда искомая плотность жидкости

жг







Следует заметить, что, несмотря на определенные достоинства, ареометры

постоянного объема еще не получили распространения.

Ареометры постоянной массы по своему назначению делятся на две группы:

1) ареометры для измерения плотности жидкостей (денсиметры), шкалы

которых градуированы в единицах плотности;

2) ареометры для измерения концентрации растворов, шкалы которых

градуированы в процентах по объему или массе.

К денсиметрам относятся:

-денсиметры общего назначения, служащие для измерения плотности

различных жидкостей легче и тяжелее воды (водные растворы кислот, солей,

щелочей и др.);

-нефтеденсиметры (для измерения плотности нефти и нефтепродуктов);

-лактоденсиметры (для измерения плотности молока и сыворотки);

-денсиметры для морской воды;

-урометры (для измерения плотности мочи);

-аккумуляторные денсиметры (для измерения плотности раствора

электролита в кислотных и щелочных аккумуляторах) ;

-денсиметры АК (для жидкостей типа кислот).

Ареометры постоянной массы бывают стеклянные и металлические. В

большинстве случаев применяют стеклянные ареометры, так как они

обеспечивают более высокую точность измерений (стекло обладает наилучшей

смачиваемостью жидкостями), однако в ряде случаев, например при высокой

температуре, они не могут быть использованы и незаменимыми оказываются

металлические ареометры. Так, для измерения плотности расплавленных

металлов применяют ареометры, изготовленные из термоустойчивых

материалов — из стали с эмалевым покрытием, вольфрамового сплава, графита

и др.

По метрологическому назначению (т. е. по назначению в схеме передачи

размера единицы плотности) ареометры постоянной массы делятся на

эталонные, образцовые и рабочие. Их характеристики и соподчинение

определяются поверочной схемой.

Нефтеденсиметры бывают двух типов (оба со встроенным термометром):

типа А (длина 470 мм±30 мм) с ценой деления шкалы

0,0005 кг/м

, пределами измерений плотности от 0,6500—

0,7100 до 1,0100—1,0700 г/см

(набор из 7 приборов) и

температуры от —20 до +45°С (Рис.2); типа Б (длина 280

мм ±20 мм) с ценой деления шкалы 0,001 г/см

пределами измерений плотности от 0,670—0,750 до 0,990

—1,070 г/см

(набор из 5 приборов) и температуры от —20

до +35°С.

Выпускаются ареометры для нефти типов АНТ1, АНТ2 со

встроенным термометром и типа АН без термометра,

градуируемые в кг/м

. Основные параметры и размеры

ареометров АНТ1 и АНТ2 те же что и нефтеденсиметров

соответственно типов А и Б. У ареометров АН (длина 300

мм) пределы измерений от 650-680 до 1040-1070 кг/м

(набор из 14 приборов), цена деления шкалы 0,5 кг/м

Поверка ареометра заключается в сличении его с

Рис.2 другим, более точным (образцовым или эталонным)

ареометром. Оба ареометра погружают в одну и ту же поверочную жидкость, и

показания приборов сравнивают между собой.

Для поверки ареометров применяют жидкости следующих шести групп:

нефтяные смеси, водно-спиртовые растворы, серно-винные растворы, водные

растворы серной кислоты, водные растворы морской соли, растворы Туле

(водные растворы комплексной соли K

HgJ

АРЕОМЕТРЫ ПОЛНОГО ПОГРУЖЕНИЯ

Показания ареометров частичного погружения зависят от поверхностного

натяжения жидкости, которое в свою очередь определяется рядом факторов и,

как правило, является переменной величиной. Исключить влияние

капиллярных явлений позволяют ареометры полного погружения (погружные

ареометры).

Рис.3. Погружной ареометр.

а — в контрольной жидкости; б — в двух жидкостях; в — градуировочная

кривая.

В качестве погружного ареометра можно использовать прибор,

конструктивно выполненный как обычный ареометр частичного погружения;

если испытуемую жидкость наливать в высокий цилиндр поверх другой, более

тяжелой жидкости с известной плотностью, не реагирующей и не

смешивающейся с данной жидкостью. При этом ареометр погружается

полностью и находится частично в нижней (контрольной) жидкости и частично

в испытуемой. Искомую плотность отсчитывают по месту пересечения шкалы

границей раздела жидкостей (Рис.3,6)

Уравнения равновесия ареометра сначала в одной (контрольной) жидкости,

а затем в двух жидкостях запишутся в виде

M = (V—υ

)ρ

, M=[V— (υ

+ υ'

)]ρ

+ (υ

+ υ'

)ρ,

где М, V—масса и объем ареометра; υ

— объем выступающей части стержня

при погружении в контрольную жидкость плотностью ρ

(Рис.3,a); v'

— объем

части стержня, всплывающей (над границей раздела жидкостей) при частичном

погружении ареометра в испытуемую жидкость плотностью ρ<ρ

(Рис.3,б).

Из уравнений равновесия получим соотношение:





/'1





которое используют для построения шкалы ареометра (Рис.3,в).

Описанный прибор обладает особыми преимуществами при измерении

плотности сжиженных газов (контрольной жидкостью служит вода), так как не

требуется коррекция показаний даже при высоком давлении газа над

жидкостью. Диапазон измерений таким прибором весьма широкий: от 0 до

13 600 кг/м

Одна из разновидностей погружного ареометра пред-

ставляет собой поплавок (например, из кварца) с крючком

внизу, на который навешена калиброванная металлическая

цепочка с постоянной массой единицы длины (Рис.4).

Другой конец цепочки свободно лежит на дне цилиндра.

Масса поплавка должна быть такой, чтобы он полностью

погружался и находился внизу цилиндра в равновесном

положении в исходной жидкости, плотность которой равна

нижнему пределу измерений прибора. При возрастании

плотности жидкости поплавок всплывает, оставаясь

Рис.4. погруженным, и поднимает часть цепочки до тех пор, пока ее

увеличивающийся вес не станет равным приросту выталкивающей силы.

Таким образом, положение поплавка, обычно измеряемое катетометром,

служит мерой плотности жидкости.

Для того чтобы ареометр мог охватывать достаточно широкий интервал

плотностей при сравнительно малой длине цепочки, вверху поплавка

предусматривается короткий выступ для надевания кольцеобразных гирь.

Если плотность жидкости велика, то поплавок всплывает на поверхность

жидкости и для его полного погружения на стержень надевают

соответствующую гирю. Тот же эффект достигается применением сменных