7.2.3. Гидростатические плотномеры

Гидростатические плотномеры получили широкое распространение в пищевой промышленности, что объясняется их сравнительной простотой и отсутствием подвижных частей в измерительных преобразователях, помещаемых в анализируемую среду. Принцип их действия основан на измерении давления р (в Па) столба однородной анализируемой жидкости определенной высоты, пропорционального плотности анализируемой жидкости:

, (7.2)

где — плотность жидкости, кг/м³; g— ускорение свободного пиления, м/с²; Н—высота столба жидкости, м.

При неизменной высоте столба жидкости Н давление р является мерой ее плотности.

Гидростатические плотномеры подразделяются на приборы с чувствительными элементами в виде мембран или сильфонов и приборы с продувкой воздухом, называемые пневмометрическими (иногда эти приборы называют барботажными).

В приборах первой группы давление столба жидкости измеряется непосредственно, например, с помощью манометров. В приборах второй группы давление столба жидкости измеряется косвенным путем, например продувкой через нее газа (чаше всего воздуха) или продавливанием через нее жидкости (чаще всего воды).

Простейшим плотномером может служить манометр, подключаемый к емкости, в которой находится анализируемая жидкость. Однако при этом, как следует из уравнения (7.2), уровень жидкости в емкости должен оставаться постоянным.

В гидростатическом сильфонном плотномере с унифицированным электросиловым преобразователем ГСП (рис. 7.3) изменение плотности измеряемой жидкости, протекающей через камеру 12, в которой на различной высоте расположены измерительные сильфоны 1 и 4, вызывает изменение гидростатического давления столба жидкости постоянной высоты, равной расстоянию между измерительными сильфонами. Это давление, соответствующее плотности измеряемой жидкости, на измерительных сильфонах преобразуется в пропорциональное усилие, которое с помощью коромысла 2, связывающего измерительные сильфоны, а также рычагов 5 и 7 передается рычагу 8 электросилового преобразователя 9. Рычаг 5 выводится из измерительной камеры с помощью мембраны вывода 6. пружина 10 служит для настройки прибора.

Вспомогательный сильфон 3 предназначен для температурной компенсации, которая осуществляется следующим образом. Внутренние полости измерительных сильфонов 1 и 4 и вспомогательного сильфона 3 соединяются трубками 11 и заливаются эталонной жидкостью,

п лотность которой равна начальному значению предела измерения прибора. При изменении температуры измеряемой среды, протекающей через, прибор, изменение объема жидкости, залитой в измерительные сильфоны, компенсируется изменением объема жидкости во вспомогательном сильфоне. Подобные приборы предназначены для измерения плотности жидкостей в пределах от 500 до 2500 кг/м³ и имеют класс точности 1,5 и 2,5.

Рис. 7.3. Функциональная схема сильфонного гидростатического плотномера В мембранном гидростатическом плотномере для измерения плотности суспензий вместо сильфонов используются две вялые мембраны, замкнутые объемы которых соединяются между собой и заполняются эталонной жидкостью. В качестве преобразователей в этих приборах используются соответствующие преобразователи ГСП. имеющие на выходе унифицированный электрический или пневматический сигнал. Такие приборы предназначены для измерения плотности в диапазоне 1000—1250 кг/м³, имеют класс точности 2,5 и хорошо зарекомендовали себя в свеклосахарном производстве при измерении плотности известкового молока, которое поступает на очистку диффузионного сока.

Гидростатические пневматические плотномеры с продувкой воздухом основаны на принципе, суть которого ясна из схемы на рис 7.4. Через трубку, погруженную открытым концом в анализируемую жидкость на постоянную глубину Н, продувается (барботирует) воздух. К трубке подключается измерительный прибор — чувствительный манометр, давление в котором прямо пропорционально плотности контролируемой жидкости согласно формулы (7.2).

С целью повышения точности измерений пневмометрические измерители плотности комплектуются устройствами для минимизации влияния колебаний уровня, давления и расхода питающего воздуха, а также автоматической температурной компенсации.

В о всех пневмометрических плотномерах, питаемых воздухом, используются специальные блоки питания для очистки и фильтрации воздуха, забираемого из окружающей среды; регулирования режима его истечения при пуске прибора (при выходе воздуха из нижнего конца трубки должно образовываться и отрываться 3—4 пузырька в секунду); поддержания необходимого давления, а также для наблюдения за подачей воздуха к импульсным трубкам в процессе эксплуатации плотномеров.

Рис. 7.4. Схема пневмометрического Рис. 7.5. Функциональная схема

измерения плотности пневмометрического плотномера

Пневмометрические плотномеры с успехом могут быть использованы для измерения плотности солевых и других растворов в диапазоне 1100—1200 кг/м³ с точностью до 1—2 кг/м³.

Плотномер (рис.7.5) представляет собой два сосуда 1 и 5, в которые опущены три барботажные трубки 2, 4, 6. Через эти трубки продувается под небольшим давлением, достаточным для преодоления сопротивления столба жидкости, сжатый чистый воздух. Между трубками 2 и 4 включен чувствительный дифманометр 7. Воздух к барботажным трубкам подводится от специального источника питания через дроссели 3, с помощью которых регулируется его подача.

Через сосуд 1 непрерывно протекает анализируемая жидкость, а в сосуд 5 заливается эталонная жидкость. Сжатый воздух поступает в трубки 2 и 4, опущенные на определенную глубину в анализируемую и эталонную жидкости. Давление р₁ в трубке 2 определяется гидростатическим сопротивлением столба анализируемой жидкости высотой h₁, т. е.

p₁= gh₁ (7.3)

где — плотность анализируемой жидкости, кг/м ; h₁ — глубина погружения трубки, м.

Воздух, поступивший в трубку 4, пройдет эталонную жидкость, залитую в сосуд 5, и поступит в трубку 6, опущенную на глубину h₂ в анализируемую жидкость. Таким образом, давление в трубке 4 определяется суммой гидравлических сопротивлений столба эталонной жидкости высотой и столба анализируемой жидкости высотой , т. е.

(7.4)

где =const — плотность эталонной жидкости, кг/м³.

Следовательно, перепад давления в трубках 2 и 4, который измеряется с помощью дифманометра 7,

, (7.5)

где .

Таким образом, если уровень эталонной жидкости в сосуде 5 постоянен, то перепад давления пропорционален плотности анализируемой жидкости, находящейся в сосуде 1, и не зависит от уровня анализируемой жидкости.

Автоматическая компенсация температурной погрешности измерении обеспечивается при равенстве температур и температурных коэффициентов расширения анализируемой и эталонной жидкостей. Для выполнения первого из этих требований сосуд 5 с эталонной жидкостью помещают внутрь сосуда 1, где его омывает анализируемая жидкость и эталонная жидкость принимает температуру анализируемой жидкости.

Существует много конструкции и типов гидростатических плотномеров с продувкой через анализируемую жидкость воздуха или газов, различающихся по числу пневмотрубок, опускаемых в анализируемую среду, способам стабилизации питающего давления воздуха или газа, методам компенсации изменения температуры, диапазону измерения, точности и другим показателям.