1.1 Измерение плотности

Плотность вещества - одна из основных характеристик, численно равная отношению массы М к его объему: р = M/V. Единицей плотности является кг/м³. Иногда пользуются понятием относительной плотности вещества, которая определяется отношением его массы к массе чистой воды при температуре +4°С, взятой в том же объеме. Относительная плотность - величина безразмерная. Так как вода и нефтепродукты имеют неодинаковые коэффициенты расширения, то при определении плотности необходимо t указывать температуры воды и нефтепродукта, при которых проводилось определение.

Плотность нефти и нефтепродуктов определяют при температуре +20°С и относят к плотности воды при температуре +4°С, принятой за единицу. Эта плотность обозначается через ρ₄²⁰.

Удельный вес - это физическая величина, равная отношению веса вещества к его объему: у - G/V.

.

Рисунок 6 – Схема весового плотномера ДУВ-ТК-101

Плотность и удельный вес связаны между собой таким же отношением, как масса и вес, т.е. у = pg, где g - ускорение свободного падения.

Плотность жидкостей или газов измеряют с помощью плотномеров, которые по принципу действия подразделяются на следующие группы: поплавковые, весовые, пьезометрические, вибрационные и радиоактивные.

К поплавковым плотномерам относят ареометры, глубина погружения поплавка которых в исследуемую жидкость обратно пропорциональна ее плотности. По числу делений выступающей части ареометра из исследуемой жидкости определяют значение плотности. Такие ареометры применяют при определении плотности бурового раствора.

Принцип действия весовых плотномеров основан на том, что при неизменном объеме масса жидкости прямо пропорциональна ее плотности. Следовательно, для измерения плотности достаточно непрерывно взвешивать определенный объем жидкости, протекающей по трубопроводу.

Схема весового плотномера типа ДУВ-ТК-101 изображена на рис.6. Чувствительным элементом прибора является U — образная трубка 4, соединенная с подводящими неподвижными патрубками при помощи сильфонов 8. С изменением плотности жидкости, протекающей по трубке, вес ее меняется, и заслонка 3 приближается или отходит от сопла 2. Соответственно изменению плотности жидкости изменяется и давление воздуха на выходе пневмоусилителя 1. Это давление фиксируется вторичным прибором 10, шкала которого градуирована в единицах плотности.

Для автоматического введения поправки на изменение плотности при изменении температуры в конструкции прибора предусмотрен манометрический термометр, состоящий из термобаллона 9, капиллярных соединительных трубок и сильфона, заполненных сжатым азотом.

Рисунок 7 – Схема плотномера ПЖС-П:

а — схема устройства; б — общий вид и схема подключения: 1 — рычаг; 2 — пру­жина корректирующая: 3 — сухарик: 4 — винт коррекции; 5 — пневмоусилитель: 6 — сопло и заслонка; 7 — рычаг обратной свя­зи; 8 — сильфон обратной связи; 9 — угло­вой рычаг: 10 — мембрана; 11, 14 — изме­рительные сильфоны; 12 — сильфон ком­пенсационный; 13 — коромысло.

при которой тарируется прибор, термосистема воздействует через рычаг обратной связи 7 и сильфон 6 на трубку 4, внося тем самым поправку. Для устранения влияния окружающей температуры предусмотрен компенсационный сильфон 11, а для устранения произвольных колебаний - демпфирующее устройство 5.

Изменение показаний вторичного прибора от 0 до 100% соответствует приращению плотности Δρ = 100 кг/м³. Максимальное рабочее давление 1,6 МПа, рабочая температура -5, +110°С. Погрешность датчика по выходному пневматическому сигналу ±1% от диапазона шкалы.

Принцип действия пьезометрических плотномеров основан па том, что давление жидкости на глубине Н от поверхности равно весу столба жидкости. При неизменных глубине Н и площади F чувствительного элемента с изменением плотности ρ будет пропорционально изменяться давление Р.

P = FHρg. (1)

На рис. 7 а, приведена схема одного из пьезометрических плотномеров - сильфонного с унифицированным пневмопреобразователем (типа ПЖС-П). В измерительной камере на определенном расстоянии друг от друга расположены сильфоны 11 и 14, соединенные подвижным коромыслом 13. При изменении плотности жидкости, протекающей через измерительную камеру, изменяется деформация сильфонов, вследствие чего коромысло поворачивается относительно своей точки опоры. Коромысло 13 при помощи углового рычага 9 соединено с Т-образным рычагом 1 унифицированного пневмопреобразователя. Герметичность вывода рычага из измерительной камеры обеспечивается мембраной 10. Внутренние полости сильфонов 11, 14 и 12, из которых 11 и 14 - измерительные, соединены последовательно с помощью трубки. Сильфон 12 предназначен для компенсации погрешности, вызываемой изменением температуры. Все сильфоны заполнены контролируемой жидкостью, плотность которой минимальна. Датчик типа ПЖС-П позволяет измерять плотность в диапазоне 500-2500 кг/м³. Схема подключения сильфонного плотномера с унифицированным электросиловым преобразователем (ПЖС-Э) к объекту контроля показана на рис. 7,6.

Принцип действия пьезометрического плотномера для измерения плотности бурового раствора типа ГПА-1 (рис. 8.) основан на дифференциальном измерении давления столба жидкости в желобе циркуляционной системы.

Плотномер состоит из дифференциального узла сравнения усилий, пневмопреобразователя с силовой компенсацией и механической системы передачи перемещений и усилий. Измерительные мембраны 1 и 2 связаны через суммирующий рычаг 19. На него действуют силы гидравлического давления, определяемые разностью погружения мембран под уровень жидкости:

ΔP = pgΔHS, ( 2)

где ΔН - разность глубин погружения мембран под уровень жидкости; S -эффективная площадь мембран.

Поскольку g, Δ Н и S - величины постоянные, то ΔР пропорционально измеряемой плотности жидкости. Усилие ΔР уравновешивается силой, возникающей в сильфоне 8 обратной связи, которая передается рычагу 19 через систему рычагов 4, 5, 7. Уравновешивание осуществляется следующим образом. При изменении плотности бурового раствора (например, при ее увеличении) усилие ΔР возрастает и вызывает перемещение толкателей 3, 4 вверх. Одновременно рычаг 5 поворачивается вокруг шарнирной опоры и заслонка 10 приближается к соплу 11. При этом повышается давление на выходе пневмоусилителя 12 и в сильфоне 8 обратной связи. Давление на выходе пневмоусилителя изменяется пропорционально изменению плотности в пределах 20-100 кПа. Для устранения возможной разности площадей мембран предусмотрено изменение соотношения плеч 16 и 19 суммирующего рычага при помощи скользящей опоры 18.

Плотномер имеет две шкалы, отградуированные в пределах 0,8 - 1,8 г/см³ и 1,8—2,8 г/см³. Переключение шкал осуществляется с помощью пневмотумблера 14, сильфона 22 и рычага 15. Для работы в первом диапазоне с помощью пневмотумблера 14 на сильфон 22 подается от пневмосети сжатый воздух. При этом дно сильфона упирается в ограничитель хода 20, в результате чего рычаг 15 перемещается вниз, растягивая пружины 13, 23 и 9. Регулировкой натяжения этих пружин устанавливается нижний предел измерения (20 кПа). Настройка верхнего предела осуществляется перемещением сильфона 8 и тяги 6.

Рисунок 8 – Схема пьезометрического Рисунок 9 – Схема радиоактивного

плотномера' ГПА-1 плотномера.

Для переключения прибора на второй предел измерения тумблер 14 размыкают. При этом сжатый воздух выходит из сильфона 22 и рычаг 15 поднимается вверх до упора винта 27 в ограничитель, вследствие чего натяжение пружин 13, 23 и 9 уменьшается, давление на выходе пневмоусилителя падает и стрелка показывающего прибора занимает положение начала отсчета по второму диапазону измерения. Регулировка начальной точки второго диапазона измерения осуществляется путем перемещения упора 27, расположенного на рычаге 15. Основная погрешность измерения составляет ±1,5% от предела.

Принцип действия радиоактивных плотномеров основан на изменении поглощения γ - излучения радиоактивного источника при прохождении лучей через жидкость в зависимости от изменения плотности этой жидкости. Интенсивность Ι узкого пучка γ - лучей, прошедшего через слой жидкости толщиной х и плотностью ρ, определяется выражением

Ι = I₀ e^μοхρ, (3)

где I₀— начальная интенсивность при хр = 0, μο - коэффициент ослабления γ - лучей.

Преимуществом радиоактивного плотномера является отсутствие непосредственного контакта измерительного прибора с измеряемой cpeдой. Следовательно, этот прибор применять для измерения плотности агрессивных жидкостей, а также, жидкостей, находящихся в сосудах под высоким давлением, и полимеризующихся сред.