Лекція № 5. «Вимірювання якості та складу матеріалів »

План

1. Прилади для вимірювання густини. Будова, принцип роботи.

2. Прилади для вимірювання в'язкості. Будова, принцип роботи.

3. Прилади для вимірювання вмісту вологи в газах та твердих тілах.

1. Густиною ρ називають фізичну величину, що визначається відношенням маси m речовини до об'єму V, який вона займає: р = m/V.

Питомою вагою називають фізичну величину γ, що визначається відношенням ваги G речовини до об'єму V, який вона займає: γ = G/V.

У той час, як густина речовини не залежить від її розміщення (географічної широти) на земній поверхні, питома вага змінюється залежно від цього параметра. Тож ρ та γ пов'язані між собою співвідношенням γ = ρ∙g.

Густина характеризує якість та однорідність речовини і є доволі поширеним параметром, а автоматичні густиноміри - досить важливим елементом у комплексній автоматизації багатьох процесів у хімічній, нафтохімічній та нафтопереробній галузях. У цих галузях багато процесів потребують неперервного контролю густини. Нерідко густину виробничих рідин вимірюють з метою визначення концентрації розчиненої речовини.

Для вимірювання густини наразі застосовують різні густиноміри, зокрема вагові, поплавкові, гідроаеростатичні, гідрогазодинамічні, радіоізотопні, акустичні, вібраційні.

Вагові густиноміри Ці механічні густиноміри реалізують пікнометричний метод вимірювання густини, який полягає у безперервному зважуванні постійного об'єму аналізованої речовини в технологічній посудині чи трубопроводі. Чутливим елементом густиноміра для вимірювання густини в потоці є U-подібна трубка 2 (рис. 1), яка тягою 5 з'єднана з важелем 6. Кінці трубки 2 за допомогою сильфонів 3 з'єднані з нерухомими патрубками 4 подачі та відведення контрольованої рідини. Зміна густини аналізованої рідини зумовлює змінювання ваги заповненої рідиною трубки 2. Ця зміна через важіль 6 передається електросиловому чи пневмосиловому перетворювачу 8, побудованому за принципом компенсації сил. Вихідний сигнал перетворювача пропорційний зміні вимірюваної густини рідини. Противага 7 потрібна для встановлення нижньої границі вимірювання. Для автоматичного коригування вихідного сигналу залежно від зміни температури аналізованої рідини (термокомпенсація) до складу густиномірів входить пристрій 1, який неперервно вимірює її температуру (густина рідини лінійно залежить від її температури), що дозволяє формувати та вводити відповідну поправку до показань густиноміра.

Рисунок 1 - Схема вагового густиноміра:

1 - пристрій для введення температурної поправки; 2 - U-подібна трубка; 3 - сильфони; 4 - нерухомі патрубки; 5 - тяга; 6 - важіль; 7 - противага; 8 - пневмосиловий перетворювач.

Діапазон вимірювання таких приладів 50...300 кг/м³ можна встановлювати в будь-якій частині інтервалу 500...2500 кг/м³. Максимальна температура контрольованої рідини становить 100 °С, класи точності - 1 і 1,5.

Поплавкові густиноміри. Поплавкові густиноміри реалізують ареометричний метод вимірювання густини. Принцип дії цих механічних густиномірів полягає у безперервному вимірюванні виштовхувальної (піднімальної) сили F_А, яка діє на поплавок, частково чи повністю занурений в аналізовану рідину.

Схему густиноміра з частково заглибленим поплавком показано на рис. 2. Через посудину постійного рівня 1 безперервно прокачується аналізована рідина, що видаляється через переливну трубку 3. Зі зміною густини аналізованої рідини змінюється ступінь заглиблення поплавка 2, потовщена нижня частина якого постійно перебуває в аналізованій рідині. Рівновага сил G та F_А, тобто ваги поплавка та виштовхувальної (архімедової) сили внаслідок змінення густини контрольованої рідини, досягається зміною глибини занурення l вимірювальної тонкої частини поплавка 3 - стрижня 4. Переміщення поплавка перетворюється в електричний сигнал диференціально-трансформаторним перетворювачем 5.

Рисунок 2 - Схема поплавкового густиноміра з ДТП і частково зануреним поплавком:

1 - посудина з постійним рівнем; 2 - поплавок; З - переливна трубка; 4 - стрижень; 5 – ДТП.

Застосувавши пневматичний перетворювач, наприклад пневмосиловий, можна виконати це вимірювання з отриманням пневматичного вихідного сигналу.

Для запобігання впливу динамічної складової потоку контрольованої рідини на вагу поплавка використовують диференціальний поплавок, який складається з двох жорстко з'єднаних однакових поплавків 1 і та 2 (рис. 3).

Умови обтікання їх рідиною такі, що вага поплавка 1 буде зменшуватись на величину гідродинамічного напору потоку аналізованої рідини, а поплавка 2 - збільшуватись на таку саму величину. Тому загальна вага поплавків 2G не буде залежати від швидкості потоку аналізованої рідини у камерах густиноміра. Пневмосиловий перетворювач 3 формує вихідний сигнал р_вих = f(ρ).

Рисунок 3 - Схема поплавкового густиноміра із зануреним диференціальним поплавком: 1,2- поплавки; 3 - пневмосиловий перетворювач; 4 - система важелів.

Гідро - та аеростатичні густиноміри. Принцип дії таких густиномірів ґрунтується на залежності гідростатичного тиску р стовпа аналізованої рідини чи газу від густини:

р = ρgН.

Якщо висоту стовпа H зафіксувати, то за тиском р можна визначати густину ρ.

Варіанти гідростатичних густиномірів рідини показано на рис. 4.

Рисунок 4 - Гідростатичні (пневмометричні) густиноміри зі сталим (а) та змінним (б) рівнями контрольованої рідини:

1,2- пневмометричні трубки; 3,4 - пневмодроселі; 5 - регулятор витрати; 6 – дифманометр.

Конструкція з однією пневматичною трубкою (рис. 4, а) потребує постійного рівня аналізованої рідини в проточній посудині. Густиномір з двома пневматичними трубками (рис. 4, б), різниця глибин занурень яких ΔН фіксована, нечутливий до зміни (у певних межах) рівня аналізованої рідини.

Газ або повітря (якщо окиснювальна дія кисню не впливає на параметри контрольованої рідини) від регулятора витрати 5 через пневматичні дроселі 3 та 4 подається у пневмометричні трубки 1 і 2. Через відкриті нижні кінці трубок газ барботує крізь контрольовану рідину. Тиск газу в трубках і і 2 визначається гідростатичним тиском стовпів рідини, висота яких Н₁ і Н₂ відповідно. Перепад тисків у трубках вимірюється дифманометром /і з електричним або пневматичним вихідними сигналами.

Схему поширеного аеростатичного густиноміра газів показано на рис. 5. У ньому аналізований газ і повітря прокачуються за постійних тисків через вставлені одна в одну вертикальні трубки різного діаметра (1 та 2), внутрішні порожнини яких утворюють стовпи аналізованого газу та повітря однакової висоти.

Рисунок 5 - Схема аеростатичного густиноміра газів:

1,2 - вертикальні трубки; 3 - дзвоновий дифманометр; 4 - дзвін; 5 – перетворювач.

Різницю гідростатичних тисків цих стовпів вимірюють за допомогою високочутливого дзвонового дифманометра 3, який реалізує принцип зрів новаження через зміну виштовхувальної сили. За допомогою перетворювача 5 переміщення дзвона 4 перетворюється в уніфікований електро- чи пневмосигнал.