книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

так, что поплавок начинает перемещаться вниз в жидкости с наи­ меньшей плотностью (нижний предел измерения прибора). При увеличении плотности жидкости поплавок под действием увели­ чивающейся выталкивающей силы поднимается и равновесие системы нарушается.

Равновесие восстанавливается вновь при помощи пневмати­ ческого преобразователя. Для этого через фильтр, редуктор и

дроссель 7 в прибор непрерывно поступает воздух, который вы­ ходит через зазор между соплом 6 и заслонкой 5, закрепленной на конце коромысла 3. При поднятии поплавка заслонка опус­ кается, давление воздуха на выходе из сопла и в мембранной коробке 8 повышается, толкатель мембраны через рычаг 9 и ро­ лик 4 перемещает правый конец коромысла вверх и заслонка отводится от сопла.

Давление воздуха на мембрану, пропорциональное действую­ щей на поплавок выталкивающей силе, является мерой плотности жидкости. Нижний предел измерений регулируется перемеще­ нием противовеса 11 регулятора; верхний предел и диапазон измерений можно менять изменением размеров поплавка и мем­ браны или изменением их расстояний от оси поворота коромысла. Расход воздуха через прибор устанавливается с помощью дрос­ селя постоянного сечения 7.

330

§ 83* В есовы е плотномеры

Кроме измерения плотности чистых жидкостей, весовые плот­ номеры могут быть использованы для суспензий и жидкостей, содержащих твердые включения.

Исследуемая жидкость (рис. 242) поступает в прибор по трубе 1 и выходит по трубе 2. Входная и выходная трубы при помощи

Л" вторичному

Рис. 242. Схема весового плотномера с пневматическим преобразо­ вателем:

гибких резиновых патрубков или металлических сильфонов 3 соединены с петлеообразной трубой 4. Для чистки петли преду­ смотрено съемное колено 5. Петлеобразная труба укреплена в вилке, которая может свободно поворачиваться на оси скобы 6. Петля тягой 7 соединена с рычагом 8, который поворачивается на оси 9. На правом плече рычага помещены противовес 1Q (урав­ новешивающий систему, когда петля заполнена водой) и тяга 11, связанная с сильфоном обратной связью 12 пневматического преобразователя. Устройство и принцип действия пневматического преобразователя аналогичны показанным на рис. 72.

При плотности больше плотности воды вес петли увеличи­ вается, рычаг 8 поворачивается против часовой стрелки, зазор между соплом и заслонкой уменьшается, давление воздуха в пре-

331

образователе увеличивается, Сильфон растягивается, и Воздей­ ствуя на тягу 11, опускает правый конец рычага до тех пор, пока не восстановится его равновесное положение.

Ход рычага ограничен упорами 17. Пределы измерения регу­

жидкость непрерывно протекает через измерительный сосуд 1, подвешенный на двух эластичных трубках 2 и 3, закрученных в спираль. Спиральные трубки слу­ жат также патрубками, по которым жидкость подводится к сосуду и отводится от него. Изменение плотности жидкости вызывает изменение массы измерительного сосуда, которое благодаря эла­ стичности спиральных трубок преобразуется в пропорциональ­ ное перемещение его. Это перемещение передается на стрелку 4. Плотномер настраивается на требуемые пределы измерения с по­ мощью сменного груза 5.

Показания пружинного весового плотномера не зависят от изменения давления и скорости протекания жидкости. Он может быть применен для измерения плотности летучих жидкостей.

§ 84„ Гидростатические плотномеры

Принцип действия гидростатических плотномеров основан на том, что давление р в жидкости на некоторой глубине Яотповерхности равно весу столба жидкости высотой Я, т. е.

где р — плотность жидкости;

g — ускорение силы тяжести.

Из формулы (233) следует, что давление столба жидкости по­ стоянной высоты Я яв ляется мерой плотности жидкости.

3 3 2

В гидростатических плотномерах давление столба жидкости обычно измеряется косвенно, путем непрерывного продувания через жидкость инертного газа (воздуха), давление которого про­

ключить влияние на точность измерения колебаний уровня исследуемой жидкости.

плотномере с непрерывной продувкой инертного газа (рис. 244) исследуемая жидкость непрерывно протекает через сосуд /, в ко­ тором поддерживается постоянный уровень. Сосуд 2 постоянного уровня заполнен эталонной (сравнительной) жидкостью с извест­ ной плотностью. Инертный газ по трубке 3 проходит через слой исследуемой жидкости постоянной высоты и далее выходит из прибора. Тот же инертный газ по трубке 4 проходит через ^лой эталонной жидкости постоянной высоты, затем по дополнительной трубке 5 через небольшой слой исследуемой жидкости и далее уходит из прибора.

При известных глубинах погружения пьезометрических тру­ бок и известной плотности эталонной жидкости показания диффе­ ренциального манометра 6 являются мерой плотности исследуе­ мой жидкости.

3 3 3

Согласно формуле (234) показания дифманометра будут

Ар = h xр — (Л2р + Л0Ро) g = (hр — Л0ро) ё-

Эталонная жидкость подбирается с плотностью, близкой к плотности исследуемой жидкости. При этом условии и при усло­ вии, что h0 = h, разность давлений Ар = 0; тогда плотность ис­ следуемой жидкости будет минимальной. Разность давлений до­ стигает максимального значения при максимально возможной плотности исследуемой жидкости.

§ 85* Радиоизотопные плотномеры

Измерение плотности основано на определении изменений интенсивности пучка у-лучец после прохождения их через изме­ ряемую среду. Теоретической основой служит уравнение (228).

На рис. 245 показана принципиальная блок-схема радио­ изотопного плотномера жидкости (типа ПЖР-2).

Рис. 245. Принципиальная блок-схема компенсационного радиоизотопного плотномера ПЖР-2:

приемники излучения; 4 и 9 — формирующие блоки; 5 — элек­ тронный усилитель-преобразо­ ватель; 7 — металлический клин;

В технологическом трубопроводе установлен источник радио­ активного излучения 1 (Со60, Cs137) и приемник излучения 3. у-лучи от источника 1 проходят через стенки объекта измерения 2 и через слой жидкости и попадают в приемник излучения 3. Элект­ рический сигнал приемника, являющийся функцией измеряемой плотности, формируется блоком 4 и далее передается на вход электронного усилителя-преобразователя 5, куда поступает также сигнал от дополнительного устройства. Дополнительное устрой­ ство включает в себя радиоизотопный источник излучения 6, металлический клин 7, приемник излучения 8 и формирующий блок 9. Источник и приемник излучения дополнительного устрой-

334

ства такие же, как в первичном преобразователе. Разность сигна­ лов усиливается в электронном усилителе-преобразователе и подается на реверсивный электродвигатель 10, который связан с металлическим клином 7 и сердечником дифференциально-тран­ сформаторного преобразователя 11 вторичного прибора 12.

В зависимости от величины и знака сигнала в электронном усилителе-преобразователе реверсивный двигатель перемещает металлический клин до тех пор, пока разность сигналов не станет равной нулю. Величина перемещения клина, с которым связана

содержащие водорода. Для эксплуатации на водородсодержащих жидкостях должна быть получена тарировочная таблица (или кривая) для каждого конкретного случая.

В другом типе плотномера (ПЖР-3) использован тот же прин­ цип автоматической компенсации, что и в предыдущем, но в ка­ честве приемника применена дифференциальная ионизационная камера. Эта камера ро сравнению со счетчиками работает с боль­ шей эффективностью.

На рис. 246 показана схема плотномера (типа (ПЖР-2Н), в котором компенсационный метод измерения реализован с помо­ щью одного источника 1 и одного приемника излучения 2, что позволяет максимально снизить аппаратурные погрешности. Это достигается тем, что источник излучения помещен на вращаю­

влияние на точность показаний прибора нестабильностей счет­ чиков.

3 3 5

Имеются плотномеры (типа ПЖР-5), в которых в качестве радиоактивного изотопа используется Cs137, а в качестве прием­ ника — дифференциальная ионизационная камера.

Путем применения дифференциального метода измерения с авто­ матической компенсацией разбаланса достигнута высокая чув­ ствительность прибора (1 кг/м3). При выключении прибора источ­ ник излучения перемещается электромагнитом в контейнер в бе­ зопасное положение. Диапазон измерения плотности 50— 1000 кг/м3; основная погрешность прибора не превышает 2%.

Глава X X X I

Вискозиметры

Для многих продуктов вязкость представляет собой величину, определяющую состав и качество продукта (искуственное волокно,

При сдвиге двух слоев жидкости при установившемся те­ чении возникает тангенциальная сила, которая согласно закону

новскими; все остальные жидкости относятся к группе «ненью­ тоновских».

За единицу динамической вязкости в Международной системе единиц принимается вязкость потока жидкости, в которой линей­ ная скорость под воздействием давления сдвига 1 Н/м2 имеет градиент 1 м/с на 1 м расстояния, перпендикулярного к плоскости

3 3 5

На практике часто пользуются кинематической вязкостью, которая представляет собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости р, т. е.

Кинематическая вязкость в Международной системе единиц имеет размерность ма/с.

Для измерения вязкости жидкостей применяются вискози­ метры, основанные на следующих методах: истечения, падающего тела, крутящего момента и вибрационном.

При любом методе измерения вязкости нужно иметь в виду, что вязкость в значительной степени зависит от температуры, и как правило, с увеличением температуры падает. Поэтому темпе­ ратуру, при которой определяется вязкость вещества, необхо­ димо всегда точно знать и поддерживать постоянной во время измерений.

§ 86« Вискозиметры истечения (капиллярные вискозиметры)

Для ламинарного движения ньютоновской жидкости через

k — постоянный числовой коэффициент, зависящий от при­ нятой размерности.

При постоянных значениях /г,/, Q, I коэффициент р = k ±Aр.

Рис. 247. Принципиальная схема

Истечение может происходить из цилиндрической трубки ма­ лого сечения или из плоской щели под действием силы тяжести или внешнего давления.

На рис. 247 показана принципиальная схема автоматического капиллярного вискозиметра, принцип действия которого основан на уравнении Пуазейля.

Вискозиметр состоит из шестеренного насоса 1, приводимого в движение синхронным двигателем. Насос подает строго постоян­ ное количество жидкости в напорную трубку 2, оканчивающуюся капилляром. Напорная трубка соединена с манометром 3, шкала которого градуирована в единицах вязкости. Диаметр d. и длина I капиллярной трубки выбираются в зависимости от желаемых пределов измерения вязкости.

Подавляющее большинство капиллярных вискозиметров — лабораторные приборы. Погрешность капиллярных вискозимет­ ров порядка ±2% ; она определяется в основном точностью под­ держания температуры контролируемой среды и расхода. Пределы измерения капиллярных вискозиметров от 0,001 до 10 Н-с/м2.

§ 87, Вискозиметры с падающим телом

Измерение вязкости методом падающего тела (шарика) осно­ вано на законе Стокса, связывающем скорость падения твердого тела в жидкости с ее вязкостью. В этой зависимости вязкость жидкости определяется формулой

г — радиус шарика;

g — ускорение силы тяжести;

v — скорость равномерного движения шарика;

k — постоянный числовой коэффициент, зависящий от принятой размерности.

Закон Стокса применим при ламинарном движении однород­ ной жидкости относительно строго сферического шарика. Вискозимеры с падающим шариком получили за последнее время до­ вольно широкое распространение. Их применяют для измерения вязкости не только прозрачных, но и непрозрачных жидкостей.

На рис, 248 показана принципиальная схема автоматического вискозиметра дискретного действия. Автоматический подъем ша­ рика 1 в исходное положение производится восходящим потоком исследуемой жидкости, создаваемым шестеренным насосом 2. Одновременно с подъемом шарика шестеренный насос произво­ дит отбор пробы жидкости из резервуара 3 в мерную трубу 4. Шарик, находясь в нерабочем положении у нижней ограничиваю­ щей сетки 5, при включении насоса поднимается вверх и остана­ вливается у верхней ограничивающей сетки 6. В момент касания шарика верхней ограничивающей сетки насос автоматически от­ ключается и шарик падает в неподвижной среде. Измерение вяз­ кости сводится к отсчету времени, в течение которого шарик проходит фиксированный участок пути.

Следовательно, вязкость р = kx, где k — постоянная прибора;

т — время, за которое шарик проходит расстояние I,

338

На мерную трубу 4, выполненную из немагнитного материала, надеты катушки 7 и 8. Катушки имеют первичные и вторичные об­ мотки, соединенные по дифференциально-трансформаторной схеме.

Разработаны также вискозиметры, у которых измерения про­ изводятся в двух одинаковых цилиндрах методом сравнения вре­ мени падения шарика в иследуемой и эталонной жидкостях, с ав­ томатическим измерением движения шарика.

Вискозиметры с падающим шариком в конструктивном отно­ шении совершенствуются по линии повышения точности измере­ ния благодаря применению электромагнитных, оптических и ра­ диоизотопных методов фиксации времени движения шарика

виспытуемой жидкости.

§88. Вискозиметры, основанные на измерении крутящего момента (ротационные вискозиметры)

При вращении тела в вязкой жидкости возникает противо­ действующий момент, обусловленный вязкостным сопротивле­ нием. Если вращение происходит с постоянной скоростью, то этот момент равен крутящему моменту, передаваемому жидкостью,

ипропорционален динамической вязкости:

М= k\i со,