38. Измерение плотности материалов: методы, конструкции плотномеров.

Плотностью (ρ) вещества называют физическую величину, определяемую отношением массы m вещества к занимаемому им объему V:

p = m / V, [ед. массы] / [ед. объема].

В некоторых случаях используется понятие относительной плотности, определяемое как отношение плотности данного вещества к плотности другого (условного) вещества при определенных физических условиях. Относительную плотность жидкостей выражают отношением ее плотности при нормальной температуре (20 °С) к плотности дистиллированной воды при температуре 4 °С и обозначают ρ₂₀ . Относительную плотность газа выражают отношением его плотности к плотности сухого воздуха, взятых при нормальных условиях (нормальная температура – 293,15 К, нормальное давление –760 мм рт. ст.).

Плотность жидкостей и газов уменьшается с увеличением температуры. Плотность газов увеличивается с увеличением давления, а плотность жидкости практически от давления не зависит. Средства измерений плотности называют плотномерами или денсиметрами.

По принципу действия плотномеры делят на весовые, поплавковые, гидроаэростатические, вибрационные и др.

Весовые (пикнометрические) плотномеры. Принцип действия основан на непрерывном взвешивании постоянного объема анализируемого вещества в некоторой емкости или трубопроводе.

Чувствительным элементом плотномера является U-образная трубка 7, соединенная через тягу 3 с рычагом 4. Концы трубки 7 через сильфоны 2 соединены с неподвижными патрубками 1, через которые подается анализируемая жидкость. Наличие сильфонов 2 позволяет трубке 7 поворачиваться вокруг оси О – О. При увеличении плотности жидкости увеличивается масса трубки с жидкостью, что через рычаг 4 передается к преобразователю 5, выходной сигнал С_Вых которого пропорционален изменению плотности анализируемой жидкости. Противовес 6, укрепленный на рычаге 4, служит для уравновешивания момента сил, создаваемого трубкой 7 с жидкостью при выбранном нижнем пределе измерения плотности. Устройство 8 служит для автоматического введения поправки в зависимости от температуры анализируемой жидкости, которую это устройство непрерывно измеряет. Плотномеры данной конструкции позволяют измерять плотность в интервале 0,5 – 2,5 г/см³ . Максимальная температура анализируемой жидкости 100 °С, классы точности 1 – 1,5.

Поплавковые (ареометрические) плотномеры. Принцип действия основан на непрерывном измерении выталкивающей (подъемной) силы, действующей на поплавок, частично или полностью погруженный в анализируемое вещество.

В поплавковом плотномере жидкостей частично погруженный поплавок 2 размещен в емкости 1. Через емкость непрерывно прокачивается анализируемая жидкость. При изменении плотности жидкости изменяется степень погружения поплавка 2 в емкость. Перемещение поплавка 2 преобразуется в электрический сигнал с помощью дифференциального трансформатора 5. Вес поплавка 2 со стержнем 4 (в воздухе) G_n и выталкивающая сила N, действующая на поплавок, описываются выражениями:

G_n = mg, N = (V + lS)ρg,

где m – масса поплавка и стержня; V – объем поплавка; l – длина участка стержня, погруженного в жидкость; S – площадь поперечного сечения стержня.

Следовательно: .

Плотномеры с частично погруженным поплавком, обладают высокой чувствительностью, что позволяет осуществлять измерение плотности в узком диапазоне (0,005 – 0,01 г/см³) с приведенной погрешностью ± (0,5 – 3) %.

Гидростатические плотномеры. Принцип действия этих механических плотномеров основан на зависимости давления Р столба анализируемой жидкости или газа от плотности этих сред:

P = ρgH,

где H – высота столба жидкости или газа.

Если значение Н принять постоянным, то давление Р однозначно определяется плотностью среды. В аппарате 7 установлены трубки 1 и 2 с различной глубиной погружения. Газ (обычно воздух) от регулятора расхода 5 поступает к пневматическим дросселям 3 и 4, а затем к трубкам 1 и 2. Через открытые торцы трубок газ барботирует через жидкость. Давление газа в трубках 1 и 2 определяется гидростатическим давлением столба жидкостей высотой Н₁ и Н₂. Разность давлений в трубках измеряется дифманометром 6. Этот перепад определяется выражением:

.

Наличие двух трубок позволяет исключить влияние на результат измерений возможных изменений уровня жидкости в аппарате.

Вибрационные плотномеры. Принцип действия основан на зависимости параметров упругих колебаний, сообщаемых камере с анализируемым веществом, от плотности этого вещества. Резонаторы вибрационных плотномеров выполняют в виде трубки, пластины, стержня, струны, камертона и т. д.

Частота собственных колебаний резонатора, заполненного или находящегося в анализируемом веществе, описывается в общем случае выражением

где f₀ – частота колебаний резонатора при начальном значении плотности анализируемого вещества; k – константа, зависящая от конструкции резонатора.

Конструктивно различают проточные и погружные вибрационные плотномеры. В первых анализируемое вещество протекает через внутреннюю полость резонатора, во вторых – резонатор размещается в потоке анализируемого вещества.

Анализируемая жидкость поступает параллельно в трубки 1 и 2 (резонатор), установленные в сильфонах 6 и скрепленные перемычками 8. Сильфоны 6 расположены в опорах 5. Указанные трубки, катушка 3, воспринимающая колебания трубок резонатора, катушка возбуждения 4 и электронный усилитель 10 составляют электромеханический генератор, частота колебаний которого определяется плотностью анализируемой жидкости. Выходной сигнал усилителя 10 в виде частоты вводится в вычислительное устройство 9, к которому подключены платиновые термометры сопротивления 7 и 11, позволяющие вводить температурную коррекцию. Диапазон измерений плотномера 690 – 1050 кг/м³ , температура жидкости 10 – 100 °С; абсолютная погрешность измерения ± 1,5 кг/м³.

Радиоизотопные плотномеры

Применяется для измерения плотности различных сред, в т.ч. вязких кристаллических и твердоподобных. Основано на поглощении излучения. Интенсивность гама излучения при прохождении его через слой вещества толщиной х и плотностью р определяется:

- интенсивность гама излучения после прохождения слоя.

- первоначальная интенсивность.

- коэффициент поглощения излучения

С - удельное содержание i - того компонента в материале

- коэффициент поглощения

Если х и = const, то =р. В качестве излучения

Схема:

1 – Источник гамма излучения.

2 – Приемник

3 – Блок, в который поступает сигнал преобразующих в электрический унифицированный сигнал.

Он усиливается в блоке (4) и величина плотности измеряется вторичными приборами (5) . Данная схема реализуется в промышленности в приборах ПИСР.