7.4. Плотномеры

ний является использование измерений не абсолютных, а отно­сительных технологических величин, изменение которых вы­звано влиянием именно технологического процесса и поэтому характеризует (см. гл. 1) качество его ведения. Так, например, ход варочного процесса и момент его окончания можно опреде­лить с помощью применения измерителей дифференциальной электропроводности сульфатных варочных щелоков.

Электропроводность сульфатных варочных щелоков связана с содержанием в них активной щелочи, так как ион гидроксиль-ной группы имеет более высокую проводимость (почти в 4 раза) по сравнению с другими ионами, находящимися в щелоке. По­этому, если измерять электропроводность щелока до и после нейтрализации его углекислым газом СОг (рис. 7-17,а), в ре­зультате которой ионы ОН~ заменяются ионами С0₃, разностная электропроводность будет характеризовать содержание в ще­локе активной щелочи (рис. 7-17,6). Следовательно, такое из­мерительное устройство позволяет наблюдать ход варки и мо­мент ее окончания.

В качестве первичных измерительных преобразователей для определения электропроводности щелоков можно использовать

Технические приборы для автоматического измерения плот­ности составляют существенную часть анализаторов качества технологической продукции и входят в состав автоматизирован­ных систем управления целого ряда процессов целлюлозно-бу­мажного производства.

Плотность веществ — масса единицы объема — в ЦБП и Дру­гих отраслях промышленности измеряется для определения кон­центрации и состава смесей, для контроля качества веществ, для перехода от объемных единиц и количества вещества к мас­совым, для контроля окончания технологических процессов (вы­паривания, промывки, приготовления варочных растворов и т. д.).

Как известно, плотность вещества р (кг/м³) =m/V, где m и V — масса и объем тела соответственно, зависит от температуры, поэтому для жидкостей с нормальной плотностью обычно счи­тают плотность при t=4 °С, а для газов — при t=0 °С. Иногда пользуются понятием относительной плотности р₀тн=р/р.\, где Pn— нормированное значение плотности, для жидкости равное

плотности дистиллированной воды при t=4 °С, для газа — плотности воздуха в нормальных условиях (О °С; 0, 1013 МПа).

С одной стороны, плотность жидкостей и газов, как правило, уменьшается с повышением t в соответствии с зависимостью

где p_ti и р а—плотности при температурах t_t и t₂; Р — среднее значение тем­пературного коэффициента объемного расширения для t₂—1±.

С другой стороны, плотность жидкостей и особенно газов возрастает при увеличении давления Р. Для жидкостей это воз­растание незначительно, и им можно пренебречь (в инженер­ных расчетах считают жидкости несжимаемыми). Для газов в первом приближении принимают, что плотность газов прямо пропорциональна абсолютному давлению при постоянной тем­пературе.

При измерении плотности веществ необходимо учитывать указанные зависимости плотности от температуры и давления, в случае резкого изменения в процессе измерения плотности t или Р вводить соответствующие поправки.

По принципу действия плотномеры, наиболее широко при­меняемые в производственной практике, делятся на группы:

1. весовые, основанные на прямом методе измерения плот­ности, т. е. на взвешивании постоянного объема жидкости или газа;

2. поплавковые, в которых используется зависимость вытал­кивающей, архимедовой силы, действующей на поплавок, от плотности жидкости или газа;

3. пьезометрические, основанные на зависимости давления жидкостей или газов от их плотности;

4) радиоизотопные, использующие ослабление интенсивно- сти гамма-излучения в зависимости от плотности среды, кото- рую оно пересекает.

Весовые плотномеры основаны на взвешивании чув­ствительного элемента, у которого вес G равен

G = gV_Px+G₀,

где Go —■ вес чувствительного элемента без исследуемой жидкости; V — объем исследуемой жидкости с плотностью р*; связан линейно с измеряемой плотностью.

Принципиальное устройство массового плотномера типа ДВУ-ТК представлено на рис. 7-19. Первичным измерительным преобразователем является U-образная трубка 4, соединенная с подводящими трубопроводами сильфонами 8. При изменении плотности жидкости, протекающей по трубе, вес ее изменя­ется согласно зависимости AG = gVAp. Рычажная система пере­дает изменение веса на пневмосиловой компенсационный пре­образователь, состоящий из сопла 2, заслонки 3, пневмоусили­теля 1 и сильфона обратной связи 6, со стандартным выходным сигналом, измеряемым прибором 10.

Для автоматического введения поправки на изменение тем­пературы исследуемой жидкости служит манометрический тер­мометр, термобаллон 9 которого установлен в месте подвода жидкости к прибору, а сильфон с азотом 12 воздействует при отклонении температуры (от £=20 °С) на рычаг обратной связи 7. Для учета изменения температуры окружающей среды ис­пользуется сильфон 11. Устранение произвольных колебаний массоизмерительной системы осуществляется демпфирующим устройством 5.

Рис. 7-19

Диапазон измерения плотности (ДВУ-ТК-101) от 500 до 1200 кг/м³, основная приведенная погрешность ±2 % (^ст до 0,98 МПа, /_шах=1Ю °С).

Поплавковые плотномеры работают с плавающим поплавком и с полностью погруженным поплавком. В первых, называемых ареометрами постоянной массы, мерой измеряемой плотности жидкости служит глубина погружения поплавка опре­деленной формы и массы. Во вторых, ареометрах постоянного объема, глубина погружения поплавка остается постоянной, а изменяется выталкивающая сила, действующая на поплавок и пропорциональная измеряемой плотности.

На рис. 7-20 изображена структурная схема плотномера с плавающим поплавком. Он состоит из измерительного сосуда /, исследуемая жидкость в который поступает через трубопро­вод 3 и дроссель постоянного сечения 2 и выходит через трубо­провод 6. Положение металлического плавающего поплавка 5 зависит от изменения плотности жидкости и преобразования преобразователем 7 в сигнал удобный для передачи на прибор 8.

Для исключения флюктуации поплавка используют пла­стины 4. Компенсация температурной погрешности плотномера

224

8 Заказ № 301

225

может быть предусмотрена коррекцией показаний преобразова­теля или прибора с помощью термозависимых элементов.

8-7

Пьезометрические плотномеры, как показано в гл. 6, основаны на зависимости давления от уровня и плотно­сти: P = #gp. Если H=const и р извест­но, то давление вещества пропорциональ­но плотности: Рвещ = /(р).

2

Во всех пьезометрических гидроста- тических и барботажных плотномерах имеется система стабилизации уровня. Это достигается использованием емко- стей постоянного уровня (рис. 7-21, а) или установкой двух датчиков, измеря- ющих разность давлений, расположен- ных на разном уровне Н₂—Н_х = const i\ ш*. — (рис. 7-21, б, в).

¹ \ 1 I В этих приборах, как правило, для

Рис. 7-20

измерения перепада давления жидкости или газа применяются дифманометры, чаще датчики дифманометров системы ГСП, иногда специализированные (дифманометры для измере­ния давления массы с противодавлением [35]). Если плотность измеряется гидростатическим способом в напорном трубопро­воде, то для исключения влияния на показания дифманометра

; РПИГП

разность давлений воздуха ,в которых пропорциональна р, так как #=const.

Для исключения влияния температуры часто пользуются дифференциально-разностным методом измерения. Измеряют разность сигналов, характеризующих измеряемую и известную плотности вещества, находящегося при одинаковой темпера­туре. Для эталонного вещества термостатирование осуществля­ется в производственных условиях или в активном термостате,

_f

&P=f(p)

_W

uP*f(J>)

5

Рис. 7-21

потерь напора за счет сопротивления трубопровода скорость жидкости должна быть малой. Для этого создают расширение трубопровода (рис. 7-21,6) или выбирают специальные участки трубопроводов с большим диаметром D в виде вертикальных колен с малой скоростью подачи вещества вверх.

Удобными в ряде производств оказываются барботажные плотномеры с двумя пьезометрическими трубками (рис. 7-21, в), где температура поддерживается такой же, как у исследуемой жидкости.

В ЦБП часто пользуются барботажным способом измерения давления вещества с помощью пьезометрических трубок, напри­мер для измерения плотности варочных растворов, потоков массы при промывке и т. д.

Одна из возможных структурных схем такого плотномера (типа ПМ приведена на рис. 7-22).

В этом случае показания дифманометра (типа ДМ-П), изме­ряющего разность давлений воздуха Р_х—Р₂ = АР, продуваемого через пьезометрические трубки,

АР=Р_г - P₂ = [h_Jp₁~(h₂p₂ + h₃p₁)]g = \(h_x—h₂) р_г—Л₂р₂]£,

где pi, р₂ — плотность измеряемой и эталонной жидкостей; h_it h₂> кз — уровни согласно рис. 7-22.

Принимают hi—h₃ = h₂ = H, тогда при pi = p₂ перепад давле­ния AP=gH(pi—р₂)=0. Такой плотномер не зависит в значи­тельной степени от изменения температуры жидкостей.

Радиоизотопные плотномеры в условиях ЦБП оказываются наиболее перспективными, которыми доступно не­прерывное измерение плотности агрессивных жидкостей, сус­пензий, пульп бесконтактным способом в напорных трубопрово­дах, в труднодоступных местах и при тяжелых условиях экс­плуатации.

Как известно [46], для легких веществ⁴ ослабление гамма-из­лучения с энергией от 1,5МэВ зависит от свойств среды, через которую оно проникает, в соответствии с выражением

/ = /₀ехр(-|ЛоК), (7-Н)

где /о, / — интенсивность излучения до и после поглощения; R=tp — произ­ведение толщины среды / на ее плотность р; |Хо — массовый коэффициент ос­лабления среды.

Последний зависит от состава среды и ее характеристик:

^-'ЕШ/*- ⁽⁷'¹⁶⁾

где z/A — отношение атомного номера к атомной массе элемента; т₍ — мас­совая концентрация i-ro элемента; f — функция энергии гамма-квантов; при постоянной энергии гамма-излучения f=const.

Значение z/A для ряда (легких) элементов, кроме водорода, почти постоянно (0,46-н0,50). Поэтому, если в веществе присут­ствует водород с массовой концентрацией тн, что характерно для потоков ЦБП, то

Значение ц,₀ вычисляется по формуле (7-15) для z/A =0,46-=-0,50.

В любом случае радиоизотопные плотномеры требуют инди­видуальной градуировки и поверки по месту установки.

На примере радиоизотопного плотномера ПР-1024, структур­ная схема которого приведена на рис. 7-23, рассмотрим их уст­ройство и особенности применения.

Прибор состоит из четырех отдельных блоков: рабочего ис­точника 1, приемного измерительного устройства 6, электрон­ного блока 8 и вторичного прибора 9.

иначе, для элементов, атомный номер которых не выше 30.

Поток излучения от источника проходит через трубопровод 2 с контролируемой средой. В сцинтилляционном счетчике 4 срав­нивается интенсивность излучения потока от рабочего источника 1 и контрольного источника 5 раздельно во времени. Вращаю­щийся двигателем Mi свинцовый полуцилиндр 3 попеременно перекрывает потоки излучения так, что в течение полупериода регистрируется излучение только от рабочего источника, а во время второго полупериода — только от контрольного источника. Затем импульсы поступают на фотоэлектронный умножитель 7, где усиливаются и передаются на электронный блок 8.

1

Рис. 7-23

От рабочего источника сигнал поступает на конденсатор С2 за счет переключения цепей, связанных синхронно с работой двигателя М_и вращающего свинцовый полуцилиндр. Сигнал от контрольного источника заряжает конденсатор СЗ. Разность на­пряжений на конденсаторах С2 и СЗ с помощью вибропреобра­зователя ВП преобразуется в напряжение переменного тока. Ка-

тодным повторителем КП сигнал усиливается по мощности. Кроме того, КП служит для согласования выходного сопротив­ления блока 8 с входным сопротивлением измерительного при­бора 9.

Сигнал поступает на измерительный прибор 9, автоматиче­ский электронный мост ЭМП-120, реверсивный двигатель М₂ ко­торого вращает движок реохорда R_p, включенного в анодную ,нагрузку фотоэлектронного умножителя, до положения, когда значения напряжений на конденсаторах С2 и СЗ станут рав­ными.

Так как ослабление потока рабочего источника пропорцио­нально плотности среды, то положение движка реохорда и свя­занного с ним указателя отсчетного устройства прибора ОУ ха­рактеризуют плотность вещества.

Прибор может быть использован для измерения плотности вещества в пределах 500—3000 кг/м³ в трубопроводах с устано­вочными диаметрами £>=100н-300 мм. При необходимости дат­чик плотномера может быть настроен на любой поддиапазон в интервале 50—500 кг/м³.

Основная погрешность измерения, приведенная к диапазону измерения плотности при j=(20±5°) °С и относительной влаж­ности не более 98 %, составляет ±2 % • Быстродействие плот­номера не менее 60 с.

Конструктивные модификации исполнения прибора — нор­мальное (ПР-1024) и взрывозащищенное (ПР-1024В). При уста­новке источника и приемника излучений желательно использо­вать вертикальные трубопроводы с проходящим вверх веще­ством для их полного заполнения веществом, отсутствия в среде воздушных включений, исключения засорения и зарастания тру­бопровода. Толщина стенок трубопровода в^ месте установки датчика ПР-1024 должна поддерживаться постоянной. Прибор сконструирован в соответствии с санитарными правилами экс­плуатации радиоизотопной техники и абсолютно безопасен для обслуживающего персонала и окружающих лиц.