Измерение плотностей жидкостей и газов.

Предел отношения массы элемента dM к его объему dV.

Если среда однородна:

Для жидкостей относительная плотность

, при 4 °С

Для газов , при н.у.

Для различных сред плотность зависит от давления и температуры

Приборы – денсиметры (плотномеры). Поучили распространиение:

1. Ареометрические (поплавковые).

2. Весовые.

3. Гидростатические.

4. Радиоизотопные.

5. Вибрационные.

Ареометрические плотномеры.

Плотномеры с плавающим поплавком.

Г – газ, П – поплавок

Выталкивающая сила:

Т.к. , то глубина погружения

Т.к. , тогда

Такие плотномеры выпускаются в качестве лабораторных. Чем тяжелее поплавок, тем выше чувствительность.

Плотномеры с полностью погруженным поплавком.

(1)

с – жесткость пружины

l₀ – начальная длина

- начальная плотность

;

Достоинство – статическая характеристика линейная.

Такие поплавки называются буйками. Используется система следящего статического уравновешивания.

Весовые плотномеры.

Принцип действия основан на непрерывном взвешивании участка трубы постоянного объема, через которую протекает контролируемая жидкость. Они требуют установки на фундаменте, поэтому не очень удобны.

Гидростатические плотномеры.

Принцип действия основан на измерении давления столба жидкости постоянной высоты.

Сосуд с переливом.

- плотность сравнительной жидкости

- плотность измеряемой жидкости.

Выходной сигнал – перепад давления.

При начальном значении плотности, сравнительная плотность берется так, чтобы перепад давления был равен нулю. Т.к. плотность зависит от температуры, то используют термокомпенсацию, т.е. сравнительный сосуд помещают внутри рабочего.

Недостаток – можно измерять только при атмосферном давлении..

Радиоизотопные плотномеры.

Принцип действия основан на измерении степени ослабления проникающей радиации, при прохождении через измеряемую среду. Проникающая радиация – гамма и рентгеновское излучение.

I – интенсивность выходного потока

I₀ – интенсивность входного потока

l – толщина просвечиваемого слоя

- массовый коэффициент ослаюления

Достоинства – ничего не надо вводить в измеряемую среду, т.е. ничего не засоряется, нет потерь – можно проводить измерения чистых жидкостей, пульп, суспензий.

В качестве источников излучения используют:

Co₆₀ – начальная энергия 1,25 МэВ, период полураспада 5,5 лет.

Cs₁₃₇ – начальная энергия 66 МэВ, период полураспада 33 лет, более точен.

В качестве приемников излучения используются сцинтилляционные счетчики, основанные на двойном преобразовании - квантов. Сначала они преобразуются в световую энергию, а затем в электрическую. В качестве сцинтилляционных кристаллов используют антроцен, иодид натрия и др.

СК – сцинтилляционный кристалл

ФЭУ – фотоэлектронный умножитель

И – изотопы

СД – синхронный двигатель

М – модулятор

К – ключи

Работой управляет СД.

Модулятор – свинцовый барабан, который вращается с постоянной скоростью с помощью СД, при этом замыкаются ключи.

Класс точности 0,5 – 1%.

Вибрационные плотномеры.

Обеспечивают высокую точность, не боятся вибраций и трясок, неприхотливы.

Принцип действия основан на измерении частот автоколебаний упругого элемента (резонатора) в зависимости от плотности контактирующей среды.

Резонаторы бывают:

- трубчатые

- пластинные

- оболочковые

Они могут измерять давление как жидкостей, так и газов.

ЧМ – частотомер

Сигнал подается в положительную обратную связь

В - возбудитель, фаза в нем сдвинута на .

П – приемник

Частота колебаний определяется:

- коэффициент, зависящий от условий закрепления концов трубки

Е – модуль упругости

I – момент инерции поперечного сечения трубки

m – масса трубки

- плотность измеряемой среды.

Чтобы построить статическую характеристику нужно знать всего два параметра: и .

Такие плотномеры с одной трубой не выпускаются, т.к возникают реакции. Поэтому используют следующий прибор, в котором эти реакции компенсируются:

Мощность У – 0,5Вт.

В автоколебаниях требуются небольшие мощности.

Абсолютная погрешность 0,5 кг/м³ – очень маленькая.

Измерение вязкости.

Вязкость –величина внутреннего трения, характеризующая сопротивление относительному сдвигу части жидкости или газа.

Эта сила сопротивления:

- динамическая вязкость

- площадь сдвигаемых слоев

- градиент скорости

- скорость сдвига

- расстояние между слоями

Существуют ньютоновские ( не зависит от скорости сдвига) и неньютоновские ( зависит от скорости сдвига) жидкости.

справедливо и для газов: 1 Па с = 10 П

см²/с

Кинематическая вязкость (введена Максвеллом)

м²/с

может быть измерена в Стоксах (см²/с) 1стокс=10^-4м²/с.

В нефтехимической и лакокрасочной промышленности используют условную вязкость:

- время истечения дистиллированной воды

- время истечения жидкости.

Вискозиметры – приборы для измерения вязкости.

1. Капиллярные.

2. Ротационные.

3. Шариковые.

4. Вибрационные.

Капиллярные вискозиметры.

Принцип действия основан на измерении перепада давления на концах капилляра, через который протекает жидкость в ламинарном режиме.

Для ламинарного режима движения жидкости через капилляр справедливо уравнение6

- внутренний радиус капилляра

;

Т.е. мы получаем линейную зависимость, для этого и нужен ламинарный режим (первое условие).

Второе условие Q = const.

ШН – шестеренчатый насос, приводимый в движение двигателем. Он обеспечивает постоянный расход.

Погрешность 1 – 2%.

Ротационные вискозиметры.

Принцип действия основан на измерении момента сопротивления измеряемой среды, оказываемого на вращающееся в ней тело. Этот момент линейно связан с только в ламинарном режиме.

В качестве вращающегося тела (насадки) используют:

- диски

- цилиндры

- крыльчатки

Принципиальная схема:

Я – якорь

Н – насадка

ОВ – обмотка возбуждения

БС – блок сравнения

ИПС – источник стабилизированного напряжения

R_Д – добавочное сопротивление (в цепи питания моста)

Цилиндрическая насадка находится на валу двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Якорь двигателя служит одним из плеч тахометрического моста.

Нагрузочная характеристика:

Т.е. число оборотов постоянно. Это хорошо тем, что у двигателя есть свои потери, которые зависят от скорости вращения, а т.к. она постоянна, то потери тоже постоянны и влияние оказывает только жидкость.