Поплавковые плотномеры

Работа поплавковых плотномеров основана на законе Архимеда.

В приборах этого типа, представляющих собой свободно плавающий поплавок определённой формы и постоянной массы, помещаемый в анализируемую жидкость, мерой плотности её является степень погружения поплавка.

Равнодействующая сила, действующая на поплавок, опущенный в жидкость, будет выражаться согласно закону Архимеда, формулой:

R= V∙ - G , где V - объём поплавка; G - вес поплавка;  - плотность жидкости.

Из этой формулы видно, что при постоянном объёме и весе поплавка будет изменяться равнодействующая сила R, действующая на поплавок. Таким образом, поплавок будет всплывать или тонуть от какого-то начального расчётного положения. При увеличении R он будет всплывать, а при уменьшении тонуть.

Погружение или подъём поплавка будет продолжаться до тех пор, пока равнодействующая сила R не станет равна нулю, т. е.

R = V∙ - G = 0

Из этого выражения получаем уравнение равновесия:

V∙ = G.

На использовании этого принципа построен ряд широко применяемых приборов, называемых лабораторными стеклянными ареометрами, которые представляют собой стеклянный баллон, состоящий из двух частей: верхняя часть меньшего диаметра является шкалой прибора, на которой нанесены деления, а нижняя часть заполнена утяжелителем, обычно свинцовой дробью, залитой парафином.

Различают ареометры постоянной массы (наиболее распространены) и постоянного объема.

К ареометрам постоянной массы относятся денсиметры (рис. 1, а), шкалы которых градуируются в единицах плотности, и приборы для определения концентраций растворов (шкалы градуируются в % по объему или по массе), имеющие специальные названия: лактомеры - измеряют жирность молока, спиртомеры - содержание спирта в воде, сахаромеры - содержание сахара в сиропах и т.д.

При определении плотности ареометрами постоянного объема (рис. 1, б) путем изменения массы поплавка достигают его погружения до соответствующей метки. Плотность находят по массе гирь (размещают на тарелке) и ареометра и по объему вытесненной им жидкости. Такие приборы могут быть использованы также для измерения плотности твердых тел.

Рис. 1. Ареометры: а – постоянной массы (денсиметр); б - постоянного объема; 1 – шкала плотности; 2 – балласт (дробь);

3 – связующая масса; 4 – встроенный термометр; 5 – тарелка для гирь;

6 – метка.

Стеклянные ареометры обладают высокой чувствительностью и точностью, однако им присущи серьёзные недостатки, ограничивающие область их применения. Основным недостатком является то, что каждый ареометр может использоваться в довольно узких пределах измерения.

Расширение пределов измерения приборов ведёт к увеличению его габаритов, особенно длины. Так как приборы изготавливаются исключительно из стекла, они очень хрупки и недолговечны. Для обеспечения высокой точности измерения с помощью ареометров отсчёт показаний должен производиться по мениску, что также усложняет процесс измерения.

Как правило, стеклянные ареометры изготавливаются в виде наборов, состоящих из определённого количества приборов (5 – 10 – 20 шт.) и обеспечивающих необходимый диапазон измерения с необходимой степенью точности.

Поплавковые плотномеры изготавливают с плавающим и полностью погруженным поплавком. В приборах первого типа мерой плотности жидкости служит глубина погружения поплавка определенной формы и постоянной массы. В плотномерах второго типа глубина погружения поплавка практически постоянна, а измеряют действующую на поплавок выталкивающую силу, пропорциональную плотности жидкости.

В

Рис. 2. Схема плотномера с плавающим поплавком:

плотномерах первого типа сила тяжести поплавка уравновешивается выталкивающей силой, действующей на поплавок как со стороны исследуемой среды плотностью ρ, так и со стороны среды, находящейся под зеркалом жидкости, плотностью ρ₀ (рис. 2). При равновесии поплавка выталкивающая сила равна силе тяжести поплавка. При этом каждому значению плотности исследуемой среды соответствует определенная глубина погружения поплавка. На рис. 2 приведена принципиальная схема плотномера с плавающим поплавком.

Плотномер состоит из измерительного сосуда 1, в котором плавает металлический поплавок 2. Жидкость в прибор поступает через патрубок 3 и выходит из прибора через патрубок 4. Скорость потока регулируется дросселем 5. Отражательные пластины 6 предохраняют поплавок от завихрений. Изменение плотности жидкости вызывает перемещение поплавка и связанного с ним сердечника 7, который перемещается в катушках дифференциально-трансформаторного датчика. Вторичный прибор (показывающий или регистрирующий) градуируется в единицах плотности.

Температурная компенсация может быть произведена с помощью термометра сопротивления, включенного в измерительную схему вторичного прибора, или второго поплавка, находящегося в эталонной жидкости (дифференциальный метод). Температурные коэффициенты эталонной и исследуемой жидкости должны быть одинаковы.

Погрешность плотномера с плавающим поплавком порядка ±1%.

Основной недостаток плотномеров с плавающим поплавком – громоздкость (значительная высота). Этот недостаток отсутствует у плотномеров с полностью погруженным поплавком, так как у них глубина погружения поплавка практически остается постоянной.

В плотномерах с полностью погруженным поплавком поплавок (буек) полностью погружен в исследуемую среду. Перемещение буйка при изменении выталкивающей силы вызывает усилие, которое компенси­руется сжатием пружины или каким-либо другим способом. По величине компенсирующего усилия можно судить об изменении выталкивающей силы, а следовательно, и о плотности среды. Такие плотномеры можно использовать и для определения концентрации твердой фазы в жидкости.

На рис.3 приведена упрощенная схема плотномера с пол­ностью погруженным поплавком (буйком).

При отсутствии в жид­кости частиц твердой фазы растяжение пружины максимально и равно l. При этом сила тяжести G буйка уравновешивается уси­лием F_п со стороны пружины и выталкивающей силой F_в , т. е. G =F_п + F_в или ρ_бgV_б = Zl + ρ_жgV_б (1)

где ρ_б - плотность материала буйка; g - ускорение свободного падения; V_б - объем буйка; Z - жесткость пружины; l - на­чальная деформация пружины;

ρ _ж - плотность жидкости. Схема плотномера с полностью погруженным поплавком показана на рис. 3.

При появлении в жидкости частиц твердой фазы, равномерно распределенных по всему объему измерительного сосуда, плот­ность среды становится равной ρ, в результате чего равенство (1) принимает вид

ρ_бgV_б = Z (l -∆l) + ρgV_б (2)

где ∆l - перемещение буйка.

П

Рис. 3.

осле вычитания (2) из (1) можно записать

ρ - ρ_ж = Z∆l/(g V_б ). Как видно, зависимость деформации ∆l пружины от приращения

(ρ - ρ_ж) плотности имеет линейный характер, что является весьма важным преимуществом буйковых плотно­меров. К тому же в буйковых плотномерах за счет полного погру­жения поплавка исключается поверхностное натяжение жидкости. Уровень жидкости в камере плотномера поддерживается постоянным.

Существуют разнообразные конструкции плотномеров с погруженным поплавком, различающиеся конструкцией поплавка, уравновешивающего устройства, механизмом передачи показаний на расстояние, методом автоматической температурной компен­сации и др.

Выталкивающая сила, действующая на поплавок, может урав­новешиваться пружиной, дополнительным поплавком, помещен­ным в эталонную жидкость, пневматическим преобразователем и др. Температурная компенсация в поплавковых плотномерах достигается погружением термометра сопротивления в исследуе­мую жидкость или дополнительного поплавка в эталонную жидкость.

На следующем рис. 4 показана схема плотномера с погруженным поплавком, в которой применен пневматический преобразователь.

Рис. 4. Схема плотномера с пневматическим преобразователем:

1-измерительная камера; 2-поплавок; 3-коромысло; 4-ролик; 5-заслонка; 6-сопло; 7-дроссель; 8-мембранная коробка; 9-рычаг; 10-сильфон; 11-противовес; 12-вторичный прибор; 13 и 14-трубы;

Жидкость под действием перепада давления, создаваемого вентилем или другим сужающим устройством, по трубе 13 поступает через кольцевой распределитель в измерительную камеру 1 и по отводным патрубкам через трубу 14 в трубопровод. Такое направление движения жидкости устраняет действие скорости потока на поплавок 2.

Поплавок насажен на конце коромысла 3, которое проходит через уплотненный сильфон 10 и установлено в шарикоподшипниках. Коромысло уравновешивается противовесом 11, отрегулированным так, что поплавок начинает перемещаться вниз в жидкости с наименьшей плотностью (нижний предел измерения прибора). При увеличении плотности жидкости поплавок под действием увеличивающейся выталкивающей силы поднимается, равновесие системы нарушается.

Равновесие восстанавливается вновь при помощи пневматического преобразователя. Для этого через фильтр, редуктор и дроссель 7 в прибор непрерывно поступает воздух, который выходит через зазор между соплом 6 и заслонкой 5, закрепленной на конце коромысла 3.

При поднятии поплавка заслонка опускается, давление воздуха на выходе из сопла и в мембранной коробке 8 повышается, толкатель мембраны через рычаг 9 и ролик 4 перемещает правый конец коромысла вверх и заслонка отводится от сопла.

Давление воздуха на мембрану, пропорциональное действующей на поплавок выталкивающей силе, является мерой плотности жидкости. Нижний предел измерения регулируется перемещением противовеса 11 регулятора; верхний предел и диапазон измерений можно менять изменением размеров поплавка и мембраны или изменением их расстояний от оси поворота коромысла.

Нижний предел измерений прибора составляет 50кг/м^3, , верхний предел практически не ограничен.