Доклад - Анализ плотномеров

Подождите немного. Документ загружается.

цепочек различной массы.

Из уравнения равновесия ареометра легко получить следующее выражение

для искомой плотности:

mHV

mHM



/





Погрешность цепочкового ареометра составляет ±0,2% и менее. В качестве

меры плотности можно принимать и глубину погружения вершины поплавка

относительно верхнего края цилиндра.

Особенно целесообразно применять цепочковые ареометры для измерения

плотности сжиженных газов, так как в этом случае ареометры частичного

погружения дают значительную погрешность: поверхностное натяжение

жидкости изменяется в зависимости от давления; выталкивающая сила,

создаваемая газовой фазой над жидкостью, также зависит от переменного

давления. Очевидно, что для сжиженных газов применяют цилиндр с двойными

стенками и герметичной крышкой. Цепочковый ареометр эффективен и в

других случаях, когда испытуемая жидкость находится в закрытой полости. Для

придания поплавку устойчивости и обеспечения его центрирования применяют

несколько цепочек (обычно от двух до четырех), причем свободные их концы

фиксируются неподвижно.

Для расширения диапазона измерений ареометра необходимо увеличить

массу цепочки, применяя для ее изготовления материал с большой плотностью,

например платину или золото; увеличение диаметра проволоки в этом случае

нецелесообразно, так как цепочка получается громоздкой, массивной и может

потребоваться увеличение объема поплавка, что, однако, вызовет уменьшение

диапазона измерений. Другой путь - подвешивание в середине тонкой цепочки

дополнительного груза.

Нагружение поплавка можно осуществлять и другим способом — при

помощи эластичной винтовой спирали 1 из кварцевой нити, свободно соеди-

ненной с поплавком 2 (Рис.5). Поплавок подбирают так, чтобы его плотность

была несколько меньше минимальной плотности жидкости, т. е. чтобы спираль

испытывала растягивающее напряжение. В этом случае изменение длины

спирали ΔL определяется изменением температуры Δt и плотности

жидкости Δρ:

ΔL = aΔt + bΔρ

Значения а и b устанавливают экспериментально путем измерения

при разных температурах величины ΔL в жидкостях известной

Рис.5 плотности. Тогда можно записать следующее выражение

для искомой

плотности:

LLtta

)()(







где L - длина спирали в испытуемой жидкости плотностью ρ при температуре t;

— то же в контрольной жидкости плотностью ρ

при температуре t

Размеры спирали и поплавка могут быть весьма малыми: объем поплавка —

около 1 см

, диаметр витка спирали 10 мм, начальная длина 40 мм, диаметр

кварцевой нити 0,2 мм. Чувствительность системы 5 см

/г. Эту

чувствительность можно существенно повысить, если, во-первых, увеличить

объем поплавка и, во-вторых, подогнать его плотность так, чтобы она лишь

незначительно отличалась от плотности жидкости. Однако одновременно

соответственно уменьшится диапазон измерений. Изменение длины спирали

фиксируют при помощи катетометра.

КОРОМЫСЛОВЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

При массовых измерениях плотности методом гидростатического

взвешивания, когда существенную роль играют простота и быстрота измерений,

а также в ряде

других случаев (например, при высоких давлениях) вместо весов

общего назначения применяют коромысловые плотномеры различных

разновидностей. Широкое использование для измерения плотности жидкостей

и твердых тел находят коромысловые плотномеры называемые

гидростатическими весами. Эти плотномеры являются простыми по

конструкции и удобными в обслуживании приборами.

Рис.6. Гидростатические весы ВГ-2 для жидкостей и твердых тел.

Существенное их преимущество состоит в том, что для измерения требу-

ется сравнительно небольшое количество вещества. Гидростатическими весами

можно непосредственно измерять плотность жидкостей, вязкость которых при

температуре измерения не превышает примерно 0,001 м

/с, а также твердых тел.

Погрешность измерения ±(0,05-0,1)%.

Гидростатические весы состоят из опорной части, коромысла, поплавка и

набора гирь-рейтеров (Рис.6). В опорной части имеется стойка 20, основание 1,

которой снабжено одной неподвижной и двумя винтовыми 2 ножками для

установки весов на столе в правильное положение по отвесу 3.

Внутри стойки

помещен выдвижной стержень 18, фиксируемый в требуемом положении

рукояткой 19. Стержень несет на себе вилку 15, в которой укреплены опорная

подушка коромысла и неподвижный указатель равновесия в виде зеркальной

шкалы 5 с нулем посередине.

Коромысло 11 представляет собой неравноплечий рычаг, опирающийся

призмой 12 на подушку в вилке. На правом конце коромысла укреплена

грузоприемная призма, к которой подвешена серьга 14 с крючком. К крючку на

константановой проволоке 21 диаметром 0,1 мм и длиной 100 мм подвешен

стеклянный поплавок 22. На левом конце коромысла помещены неподвижный

противовес 9 уравновешивающий в воздухе коромысло с поплавком,

подвижный указатель равновесия — стрелка 6 и резьбовой наконечник 7 с гай-

кой 8 для регулирования равновесного положения коромысла («нулевой» точки

весов).

В правую часть коромысла заделано полотно 13, на котором нанесена

шкала из 10 равных делений. Начало шкалы совпадает с рабочим ребром

опорной призмы коромысла, конец — с рабочим ребром грузоприемной призмы,

к которой подвешена серьга. Промежуточные отметки шкалы образованы

перпендикулярными надрезами, пронумерованными в последовательном

порядке цифрами от 1 до 9; на эти надрезы навешивают гири-рейтеры, которые

снимают с углублений на полке 4, прикрепленной к стойке.

В набор гирь-рейтеров входят пять гирь — две большие и три малые. Масса

каждой большой гири условно принята равной единице, масса остальных гирь

соответственно равна 0,1; 0,01; 0,001.

Плотномер оснащен изолирующим устройством в виде скобы 10 на штоке,

который перемещается в вертикальном направлении внутри стержня 18 при

помощи рукоятки 17 и фиксируется эксцентриком 16.

К прибору прилагаются стеклянный стакан 24 объемом 100 см

для

исследуемой жидкости, термометр 25 в специальной гильзе, прикрепляемой к

верхнему краю стакана, подставка 26 под стакан, пинцет 23 для навешивания

гирь и запас проволоки.

Основные технические характеристики плотномера: пределы измерений 0,2

—2 г/см

; допускаемая погрешность показаний ±0,0005 г/см

; цена деления

условной шкалы указателя равновесия 0,0002—0,0004 г/см

; вариация

показаний — не более 0,5 цены деления шкалы указателя; расстояние между

отметками шкалы 1 MM, объем поплавка (10±0,5) см

, масса 25±1 г; пределы

измерений термометра 0—40°С, его цена деления ГС, предельная погрешность

±0,5°С; масса (с футляром) 5,8 кг.

Гидростатические весы для измерения плотности жидкостей при высоком

давлении до 490 МПа содержат (Рис.7) равноплечее коромысло длиной 150 мм,

нагруженное на одном конце стальным шаром объемом 1,4 см

, а на другом —

дюралюминиевым цилиндром объемом 5,4 см

. Шар и цилиндр могут

перемещаться вдоль коромысла. В цилиндре выполнено углубление (карман), в

которое помещают дополнительные грузы для уравновешивания весов при

измерении плотности.

Рис.7. Гидростатические весы для жидкости под давлением

1 — патрубок; 2 — шар; 3— тепловая изоляция, 4 — коромысло, 5 — цилиндр, 6—вентиль, 7

—отверстие для удаления воздуха и введения шариков в канал, 8 — отросток; 9 —

термопара; 10— грибок; 11 — кварцевое окно 12 — змеевик, 13 — корпус; 14 — лоток.

В центре коромысла предусмотрена агатовая призма. Коромысло помещено в

цилиндрический латунный лоток, на дне которого имеется агатовая опорная

подушка, а в торцовой стенке — неподвижный указатель. Второй (подвижный)

указатель прикреплен к цилиндру.

Весы устанавливают в центральном цилиндрическом канале диаметром 25

мм толстостенного стального цилиндра наружным диаметром 160 мм и длиной

350 мм. Испытуемая жидкость под давлением поступает в канал цилиндра по

патрубку, снабженному чечевичным уплотнением. С другой стороны канал

закрывается уплотняющим грибком. Удаление воздуха из канала при

заполнении его жидкостью происходит через отверстие, закрываемое шариком

при помощи вентиля.

Для визуального наблюдения за положением коромысла в корпусе прибора

предусмотрены два диаметрально противоположных смотровых окна, между

которыми располагаются указатели равновесия коромысла. Через одно окно

производится освещение указателей, через другое— наблюдение за ними при

помощи оптического устройства. Смотровые окна снабжены соответствующим

уплотнением.

На цилиндр надет змеевик для подогревания жидкости, который соединен с

водяным термостатом, автоматически поддерживающим в канале цилиндра

требуемую температуру. Змеевик снаружи защищен тепловой изоляцией. Для

измерения температуры жидкости в канале цилиндра служит термопара,

помещенная внутри отростка грибка.

Принцип действия прибора состоит в следующем. Коромысло весов,

помещенных в лоток с исследуемой жидкостью, находится в равновесии при

атмосферном давлении и заданной температуре. При повышении давления в

приборе равновесие весов нарушается, так как из-за увеличения плотности

жидкости изменяется соотношение выталкивающих сил, действующих на шар и

цилиндр коромысла (выталкивающая сила, приложенная к цилиндру, возрастает

в большей степени, чем сила, приложенная к шару). Для восстановления рав-

новесия коромысла цилиндр нагружают дополнительным грузом, масса

которого и является мерой плотности жидкости под давлением. В качестве

грузов используют металлические шарики, которые вводят в карман цилиндра

через отверстие при помощи вентиля или специального электромагнитного

механизма.

Плотномер для давления до 980 МПа аналогичен вышеописанному, но

отличается тем, что исследуемая жидкость отделена от рабочей жидкости,

передающей давление, а цилиндр и шар подвешены к коромыслу длиной 200 мм

на призмах. Положение равновесия коромысла определяется с помощью

электронного индикатора, к которому подключены две катушки индуктивности;

сердечниками служат стержни, закрепленные снизу коромысла по обе стороны

от опоры.

Искомая плотность ρ

жидкости при давлении Р определяется по выражению:















)(

VVm

где m—масса груза; ρ

—плотность материала груза; V

— объем цилиндра;

— объем шара; ρ — плотность жидкости при атмосферном давлении.

Погрешность измерений не превышает ±0,5 кг/м

при вязкости жидкости не

более 0,5 П. Для жидкостей большей вязкости, вызывающей потерю

чувствительности коромысла весов, цилиндр на конце коромысла заменяют

сильфоном, который заполняют исследуемой жидкостью. Камера сжатия, в

которой уравновешиваются весы под давлением, заполняется маловязкой

жидкостью с известной зависимостью плотности от давления, например

н-гептаном или гексаном . Плотность определяется из соотношения:







где M — масса жидкости в сильфоне; V — объем этой жидкости при

атмосферном давлении и данной температуре; ΔV

— изменение объема при

давлении Р, определяемое расчетным путем.

ПРУЖИННЫЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

При измерении плотности жидкостей, газов и паров широко применяют

пружинные поплавково-весовые плотномеры, которые отличаются простотой

конструкции, высокой чувствительностью и точностью измерений.

Принципиальная схема пружинного плотномера для газов показана на Рис.8.

Чувствительным элементом прибора служит легкий поплавок в виде

тонкостенного кварцевого шара 6, подвешенного к винтовой спиральной

пружине 3 из кварцевой нити или вольфрамовой (молибденовой) проволоки.

Положение шара указывается стрелкой 4 наблюдаемой при помощи

катетометра (микроскопа). Давление газа внутри баллона 5 фиксируется

подключенным к нему жидкостным манометром. В зависимости от плотности

газа, заполняющего баллон, изменяется выталкивающая сила, пружина

деформируется и шар со стрелкой перемещается по вертикали; это перемещение

и служит мерой плотности.

Если исходное положение шара установлено в вакуумированном баллоне, то

в исследуемом газе шар переместится вверх на некоторое расстояние L, пока не

уравновесятся упругая сила пружины и выталкивающая сила, тогда искомая

плотность:





где V — объем шара и пружины; C

— жесткость пружины, являющаяся

функцией температуры.

Для создания плотномера высокой чувствительности не всегда целесообразно

прибегать к высокочувствительным пружинам, так как с ростом их

чувствительности снижается допустимая нагрузка, что приводит к уменьшению

размеров шара и, следовательно, чувствительности прибора. В результате

суммарного эффекта может оказаться, что чувствительность плотномера упадет.

Наиболее удобны в работе кварцевые спирали из нитей толщиной 0,1—0,3 мм с

диаметром витков 18—20 мм и числом витков 32—40. Оптимальной является

жесткость 0,15—0,25 мм/мге. Этим пружинам соответствуют шары объемом 35

—70 см

и массой 0,5—1,3 г. Чувствительность таких плотномеров составляет

10 мм*м

/кг. Погрешность измерений — до ±0,05%.

Рис.8. Пружинный поплавково-весовой плотномер для газов.

1 – крышка; 2 – проволока; 3 – пружина; 4 – стрелка; 5 – стеклянный баллон; 6 – пустотелый

шар; 7 – микроскоп.

Пружинные плотномеры используют также для измерений плотности газов и

паров при высоких температурах (сотни градусов).

Для малого объема газа или пара (примерно 0,5 см

) применяют

высокочувствительные пружинные весы с ленточной пружиной (например, в

виде упругой кварцевой нити), устанавливаемой горизонтально внутри корпуса.

Пружина крепится консольно либо непосредственно в боковой стенке корпуса,

либо в притертой пробке, вставляемая в отверстие этой стенки. На свободном

конце пружины подвешен тонкостенный стеклянный шарик с прикрепленным к

нему зеркальцем, с помощью которого через зрительную трубу отсчитывают

показания по вертикальной шкале.

При весьма высоких и низких температурах, а также при высоких давлениях

хорошие результаты дают тензорезисторные поплавково-весовые плотномеры.

ФЛОТАЦИОННЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

Флотационный метод измерения плотности жидкости состоит в том, что

поплавок, погруженный в жидкость, приводит во взвешенное состояние

(флотационное равновесие), когда он не всплывает и не тонет. Равновесному

состоянию соответствует равенство плотностей поплавка жидкости; определив

плотность поплавка, соответствующую температуре флотационного равновесия,

тем самым находят и плотность жидкости при этой температуре.

Рис.9. Магнитно-поплавковый флотационный плотномер.

1 — соленоид; 2 — катушка Гельмгольца; 3 — потенциометр; 4 — источник питания; 5 —

схема регулирования; 6 — приемная катушка; 7 — термостат; 8 — микроскоп; 9 — поплавок

с магнитом; 10 — кювета с жидкостью.

Перспективным направлением развития магнитно-поплавкового

флотационного метода является применение электронных следящих систем,

обеспечивающих автоматическое поддержание поплавка на требуемой высоте.

Неподвижность поплавка относительно кюветы устраняет влияние вязкости

жидкости и стенок кюветы, а также позволяет использовать очень малый объем

жидкости. В одной из таких схем (Рис.9) миниатюрный цилиндрический попла-

вок 9 массой 0,04 г магнитно подвешен в герметично закрытой прозрачной

кювете 10 и полностью погружен в испытуемую жидкость в количестве 0,2 см

Сигнал от приемной катушки 6 поступает в схему регулирования 5, которая

управляет током соленоида 1 так, что поплавок поддерживается на заданной

высоте, определяемой нанесенной на нем круговой меткой. Эта метка

используется и при градуировке прибора путем измерения силы тока в

соленоиде, когда поплавок подвешен на заданной высоте в жидкости с известной

плотностью.