Никитин, Бойко - Методы и средства измерений, испытаний и контроля - 2004

плотностью (концентрацией) измерять и температуру жидкости. Жидкость, заполняющая резервуар термометра (ртуть, толуол), служит также частью балласта ареометра. Резервуар термометра может располагаться как под основным балластом ареометра, так и над ним.

Бумажная полоска с нанесенной на ней термо - метрической шкалой помещается либо внутри корпуса ареометра (у нефтеденсиметров, спиртомеров, сахаромеров и гидрометров), либо в верхней (расширенной) части стержня (у лактоденсиметров и клеемеров, так как они предназначены для непрозрачных жидкостей).

Основные технические характеристики ареометров

Допускаемая погрешность показаний рабочих ареометров не превышает цены деления шкалы. В виде исключения у спиртомеров с ценой деления шкалы 1 % и у гидрометров допускаемая погрешность не превышает половины цены деления, т. е. соответственно ± 0,5 и ± 1 %.

Цена деления шкалы термометра, встроенного в ареометр, как правило, 1 °С. Исключение составляют гидрометры, у которых цена деления термометрической шкалы равна 2 °С. Допускаемая погрешность термометра не превышает 0,5 цены деления шкалы.

Денсиметры общего назначения имеют основные технические характеристики, указанные в таблице 17.1.

Таблица 17.1 – Основные технические характеристики денсиметров

Нефтеденсиметры изготовляют двух типов (оба со встроенным термометром):

1)типа А (длина (470 ± 30) мм) с ценой деления шкалы 0.0005 г/см3, пределами измерений плотности от 0,6500 - 0,7100 до 1,0100-1,0700 г/см3 (набор из семи приборов) и температуры от -20 до +45 °С (рисунок 17.2);

2)типа Б (длина (280 ± 20) мм) с ценой деления шкалы 0,001 г/см3, пределами измерений плотности от 0,670-0,750 до 0.990-1,070 г/см3 (набор из пяти приборов) и температуры от -20 до +35 °С.

Рисунок 17.2 - Нефтеденсиметр типа А

Принцип действия ареометра. Особенности шкалы.

При погружении в жидкость ареометр согласно закону Архимеда испытывает действие выталкивающей силы, равной весу вытесненной ареометром жидкости. По мере погружения ареометра постепенно увеличивается вес жидкости в объеме погруженной части ареометра, т.е. возрастает выталкивающая сила. В тот момент, когда выталкивающая сила становится равной весу всего ареометра, наступает состояние равновесия.

Глубина погружения, при которой ареометр приходит в равновесие и начинает плавать, зависит от плотности жидкости: чем больше плотность, тем меньше должна быть глубина погружения ареометра, чтобы вес жидкости в объеме погруженной части стал равен общему весу ареометра; наоборот, чем меньше плотность жидкости, тем больше глубина погружения ареометра.

Таким образом, числовые значения плотности на шкале ареометра должны располагаться в возрастающем порядке сверху вниз (рисунке 17.1 а), т.е. штрихи, соответствующие меньшей плотности, должны находиться в верхней части шкалы, а штрихи соответствующие большей плотности, - в нижней. То же относится к ареометрам для измерения концентрации растворов, плотность которых прямо пропорциональна концентрации; у этих ареометров (сахаромеров, клеемеров, гидрометров) указанные на шкале значения

концентрации возрастают сверху вниз. Плотность водноспиртовых растворов увеличивается по мере уменьшения крепости раствора, поэтому на шкале спиртомера числа возрастают снизу вверх.

Шкала ареометра неравномерная: деления шкалы, т.е расстояния между двумя смежными штрихами, постепенно увеличиваются снизу вверх, к концу стержня.

Капиллярная постоянная.

Если открытую с обеих сторон цилиндрическую капиллярную трубку радиусом r опустить в сосуд с жидкостью, которая полностью смачивает стенки трубки, то жидкость в трубке поднимется на высоту h, которая определится из формулы (17.1)

где р - плотность жидкости;

g- ускорение свободного падения.

Если жидкость не смачивает стенки трубки, то уровень ее в трубке будет стоять ниже, чем в широком сосуде, на величину, определяемую по формуле

(17.2).

молекулярной природой жидкости, в связи с чем называется капиллярной постоянной. Капиллярная постоянная измеряется в квадратных миллиметрах и численно равна высоте капиллярного поднятия в полностью смачиваемой трубке радиусом 1 мм.

В ареометрии принято называть капиллярной постоянной величину h2r условно обозначаемую буквой а, которая вычисляется по формуле (17.2)

Для получения капиллярной постоянной, выраженной в квадратных миллиметрах, необходимо умножить на 100 значение, найденное по формуле (17.2), где σ выражено в дин/см, р - в г/см3, g - в см/с2.

Капиллярная постоянная с повышением температуры уменьшается; исключение составляют растворы глицерина в воде: при содержании глицерина свыше 60 % капиллярная постоянная растет по мере нагревания раствора.

Рассмотренные выше капиллярные явления приобретают особенное значение при ареометрических измерениях. Вокруг стержня ареометра,

плавающего в жидкости, поверхность искривляется и образуется вогнутый мениск (искривление поверхности в месте прикосновения со стержнем ареометра с жидкостью), так как большинство жидкостей смачивает стекло. Мениск как бы прилипает к стержню ареометра, увеличивая его массу, отчего ареометр погружается в жидкость на большую глубину; здесь и далее объем жидкости между мениском и горизонтальной плоскостью, касательной к нему, условно именуется мениском.

Мениск, представляющий собой некоторое количество жидкости, поднявшейся вдоль стержня ареометра, удерживается силой поверхностного натяжения, которое действует на линии соприкосновения жидкости со стержнем.

В случае полного смачивания стержня ареометра жидкостью сила поверхностного натяжения направлена вдоль стержня и равна произведению поверхностного натяжения σ на длину окружности стержня, т.е. π * d *σ , где d - диаметр стержня. Обозначая массу мениска через m, получаем следующее уравнение равновесия (17.3)

После подстановки значения σ из формулы (17.2) находим выражение для определения массы мениска, т.е. получаем формулу (17.4)

Хотя масса мениска сравнительно с массой ареометра весьма мала, подсчитаем, насколько погрузится ареометр под действием мениска.

Ареометр находится в равновесии в жидкости, когда его вес равен весу вытесненной жидкости; следовательно, вес жидкости в объеме той части стержня, которая погрузилась под действием мениска, ранен весу мениска.

Обозначим через h0 , величину этой части стержня, запишем указанное условие в виде (17.5)

откуда искомая глубина погружения ареометра будет вычисляться по формуле

(17.6)

Как видим, под действием мениска ареометр погружается довольно значительно, так что влиянием мениска нельзя пренебречь.

Формулу (17.6) можно представить и в другом виде, если в нее подставить значение т из уравнения (17.4). Тогда получим формулу (17.7)

Формула (17.7) подтверждает, что в двух жидкостях, имеющих одинаковую плотность, но различную капиллярную постоянную, один и тот же ареометр даст разные показания. Если а1 и а2 - капиллярные постоянные жидкостей и а1 >а2 , то глубина погружения ареометра под действием мениска в первой жидкости будет больше, чем во второй, причем разность глубин

согласно формуле (17.7) составит d4 * (d1 − d2 ).

Таким образом, глубина погружения ареометра прямо пропорциональна капиллярной постоянной жидкости и обратно пропорциональна диаметру стержня ареометра. Отсюда следует, что в жидкости с большей капиллярной постоянной из-за большего погружения ареометр будет показывать меньшую, чем следует, плотность, так как значения плотности на шкале ареометра растут сверху вниз.

Уравнение равновесия ареометра в жидкости.

Рассмотрим силы, действующие на ареометр, плавающий в жидкости, и выведем уравнение равновесия ареометра, устанавливающее зависимость между основными размерами ареометра и плотностью жидкости.

Введем следующие обозначения:

-р - плотность жидкости;

-а - капиллярная постоянная жидкости;

-υ0 - объем всего ареометра;

-υ - объем корпуса ареометра и части стержня до нижнего штриха

шкалы;

-l - расстояние от нижнего штриха шкалы до уровня жидкости;

-s - площадь поперечного сечения стержня;

-L - длина окружности сечения стержня;

-т - масса ареометра;

-D - плотность воздуха;

-g - ускорение свободного падения.

Для равновесия ареометра в жидкости необходимо, чтобы существовало равенство между силами, погружающими ареометр в жидкость, и силами, выталкивающими его из жидкости.

Допустим, что жидкость имеет ту температуру, для которой градуирован ареометр. Силы, погружающие ареометр в жидкость, складываются из веса ареометра Ga = m * g и веса мениска GM = L * a * ρ * g (рисунок 17.3).

Выталкивающая сила равна сумме следующих трех сил: веса жидкости в объеме погруженной части ареометра Pa = (υ + l * s)* ρ * g ; веса воздуха в объеме

непогруженной части стержня Pc = (υ0 −υ −l * s)* D * g ; веса воздуха в объеме

мениска [последний определяется делением массы мениска, на плотность жидкости] Pm = L * a * D * g .

Условие равновесия ареометра можно выразить в виде (17.8)

(m + l a ρ) g = [(σ + l s) ρ + (σ0 −σ −l s) D + L a D] g ,

m −σ0 D + L a (ρ − D)= (σ + l s) (ρ − D),

Принимая во внимание, что разность m −σ0 * D представляет собой массу

ареометра за вычетом массы воздуха в объеме ареометра, т.е. массу ареометра М, определенную взвешиванием в воздухе, получим следующее окончательное уравнение (17.9)

Рисунок 17.3 - Силы, действующие на ареометр

Рисунок 17.4 - Схема к расчету шкалы ареометра

Основы конструирования ареометра

При конструировании ареометра необходимо придать ему такую форму и такие размеры, чтобы обеспечивалось его устойчивое равновесие при плавании в жидкости. Для этого должны быть соблюдены следующие условия:

1) центр тяжести ареометра и точка приложения выталкивающей силы, совпадающая с центром тяжести объема жидкости, вытесненной ареометром, должны лежать на одной вертикальной прямой;

2) центр тяжести ареометра должен находиться ниже точки приложения выталкивающей силы.

Для выполнения первого условия ареометру придают форму, симметричную относительно вертикальной оси. Для соблюдения второго условия нижнюю часть корпуса ареометра заполняют балластом.

У ареометра со шкалой, охватывающей большой интервал плотностей, если его корпус выполнить цилиндрическим (рисунок 17.1 а), центр тяжести будет расположен близко к центру тяжести вытесненной жидкости, т.е. равновесие ареометра будет неустойчивым. Так как в этом случае невозможно опустить центр тяжести ареометра еще ниже, приходится поднять центр тяжести вытесненной жидкости, для чего корпусу придают веретенообразную форму (рисунок 17.1 б).

Пользование рабочими ареометрами

Перед определением плотности жидкости или концентрации раствора необходимо, прежде всего, выбрать тип ареометра и его пределы измерений, руководствуясь при этом данными, указанными в паспорте на испытуемую жидкость, а также требуемой точностью измерения.

При выборе ареометра следует иметь в виду, что в паспорте на жидкость указывается ее плотность (концентрация) при нормальной температуре, в то

время как в большинстве случаев приходится измерения выполнять при иной температуре, и необходимо хотя бы ориентировочно знать плотность (концентрацию) именно при этой температуре, чтобы можно было правильно выбрать пределы измерений прибора.

Испытуемую жидкость наливают в стеклянный цилиндр (ГОСТ 954560), внутренний диаметр которого превышает диаметр корпуса ареометра не менее чем вдвое, а высота несколько превышает длину ареометра. Если жидкость непрозрачна, можно применять металлический цилиндр; при этом после погружения ареометра в жидкость ее уровень должен находиться у верхнего края цилиндра.

Цилиндр перед заполнением жидкостью промывают теплой водой, насухо вытирают чистым полотенцем и споласкивают испытуемой жидкостью.

Для того, чтобы жидкость не вспенивалась при заполнении цилиндра, струю жидкости направляют на стенки цилиндра, а не на дно, или же наливают жидкость по стеклянной палочке. Если пена все же образовалась, ее необходимо удалить фильтровальной бумагой. Для удаления пены маловязкой жидкости часто оказывается достаточным хлопнуть ладонью по верху цилиндра.

При измерении плотности (концентрации) жидкости для анализа ее качества жидкость предварительно выдерживают в помещении до тех пор, пока отклонение температуры жидкости от температуры окружающего воздуха составит не более ± 3 °С.

Непосредственно перед погружением ареометра жидкость в цилиндре тщательно перемешивают стеклянной или металлической мешалкой, длина которой превышает высоту цилиндра. Стеклянная мешалка изготовляется из стеклянного прутка, конец которого загнут в плоскую спираль под прямым углом к прутку. Металлическая мешалка представляет собой круглую или серповидную пластинку, припаянную перпендикулярно к стержню. Мешалку следует 5-7 раз переместить вверх и вниз по всей высоте столба жидкости, не вынимая из жидкости, чтобы в нее не попадал воздух. Если в жидкости все же появились пузырьки воздуха, то к измерению можно приступать лишь после того, как они удалены.

Затем, взявшись двумя пальцами за верхний конец стержня, чистый сухой ареометр медленно и осторожно погружают (вертикально) в жидкость так, чтобы он не задевал стенок цилиндра. После того как ареометр погрузится в жидкость настолько, что штрих шкалы, соответствующий ожидаемой плотности (концентрации), окажется на 3-5 мм выше уровня жидкости, ареометр перестают держать и дают ему возможность свободно опуститься под действием собственного веса; это необходимо для образования правильного мениска. Если ареометр отпустить преждевременно, то он начнет быстро погружаться в жидкость, может удариться о дно цилиндра и разбиться. Кроме того, вследствие глубокого погружения, вызванного движением ареометра по инерции, жидкость смочит стержень намного выше штриха, соответствующего ее плотности (концентрации) и показание прибора будет неправильным.

Погруженный в жидкость ареометр должен плавать вертикально и свободно, не соприкасаясь со стенками цилиндра

Ареометр следует выдержать в жидкости 3-4 мин, чтобы уравнялись их температуры. После полного успокоения ареометра снимают отсчет показания по шкале.

17.1.2 Ротаметры. Общие сведения о ротаметрах /32/

Ротаметры относятся к группе расходомеров постоянного перепада давления. Их действие основано на изменении проходного сечения потока и высоты положения чувствительного элемента (поплавка, клапана) в зависимости от расхода протекающей среды. Чувствительный элемент находится в состоянии витания под действием гидродинамического напора и силы тяжести, при этом перепад давления по обе стороны элемента остается постоянным. Ротаметры широко распространены во многих отраслях промышленности благодаря их преимуществам: простоте конструкции, отсутствию трущихся деталей, надежности действия, возможности изготовления деталей из материалов, устойчивых к агрессивным средам, высокой чувствительности, постоянству относительной погрешности на всем диапазоне шкалы, сравнительно широкому диапазону измерений (1:5, 1:6). Ротаметры составляют около 10 % всех расходомеров для напорных потоков. По конструктивному исполнению ротаметры подразделяют на стеклянные с местным отсчетом (РМ) и металлические с электрическим (РЭ) или пневматическим (РП) выходным сигналом.

Основной измерительной частью ротаметров является ротаметрическая пара (поплавок - коническая трубка, поплавок - седло и т. п.). Различают три типа ротаметрических пар (рисунок 17.5).

Ротаметрическая пара первого типа состоит из измерительного конуса и поплавка. Такая конструкция применяется в стеклянных (рисунок 17.5 а) и металлических (рисунок 17.5 б) ротаметрах. Пара второго типа (рисунок 17.5 в) состоит из диафрагмы и поплавка. Такую пару применяют в металлических ротаметрах, например РЭ. Ротаметрическая пара третьего типа (рисунок 17.5 г) имеет поплавок кольцевой формы, размещенный в зазоре между внешним и внутренним конусами. Такие пары применяют в металлических ротаметрах для измерения больших (до 100 м3/ч) расходов жидкости.

Некоторые авторы, классифицируя расходомеры постоянного перепада давления, относят к ротаметрам только приборы с ротаметрической парой первого типа, а приборы с парами второго и третьего типов относят к поплавковым расходомерам. Такое деление представляется искусственным, так как принцип действия приборов один и тот же. В каталогах промышленной продукции все перечисленные модификации расходомеров называют ротаметрами.

В технической литературе, посвященной ротаметрам, приняты следующие основные термины: теоретический нуль ротаметра положение поплавка ротаметра, соответствующее нулевому расходу, Это несколько