Измерение плотности жидкостей и газов

Общие сведения об измерении плотности

Плотностью р вещества называют физическую величину, опреде-

ляемую отношением массы т вещества к занимаемому им объему V:

Плотность тела не зависит от его местонахождения на поверхности

земли и является физической константой вещества. Плотность из-

меряется в таких единицах, как кг/м3, г/см3. В некоторых случаях

используется понятие относительная плотность, определяемая как

отношение плотности данного вещества к плотности другого вещества

при определенных физических условиях. Относительную плотность

жидкого вещества принято выражать отношением его плотности,

взятой при нормальной температуре (20 °С), к плотности дистилли-

рованной воды при температуре 4 °С. Обозначается такая плотность ρ₄²⁰.

Относительную плотность газа принято выражать отношением

его плотности к плотности сухого воздуха, взятых при нормальных

условиях (температура 20 °С и давление 760 мм рт. ст.). Плотность

жидкостей и газов уменьшается с увеличением температуры. Плот-

ность газов увеличивается с увеличением давления, плотность жид-

кости от давления практически не зависит.

Основные виды плотномеров

Средства измерения плотности называются плотномерами (ден-

ситометрами). По принципу действия выделяют весовые, поплавко-

вые, гидроаэростатические, вибрационные, акустические, радиоизо-

топные и некоторые другие плотномеры.

Принцип действия в е с о в ы х плотномеров состоит в непрерывном

взвешивании постоянного объема анализируемого вещества в неко-

торой емкости или трубопроводе. Таким образом, плотность опреде-

ляется через удельный вес. Весовые плотномеры применяют обычно

для измерения плотности суспензий, а также вязких и содержащих

твердые включения жидкостей. Они позволяют измерять плотность в

интервале 0,5...2,5 г/см3 с выделением поддиапазона 0,05...0,3 г/см3

в любой части основного интервала. Классы точности 1... 1,5.

П о п л а в к о в ы е плотномеры изготавливаются двух типов: с

частично погруженным поплавком и с полностью погруженным по-

плавком. В плотномерах с частично погруженным поплавком мерой

плотности жидкости служит глубина погружения поплавка. В плот-

номерах с полностью погруженным поплавком глубина погружения

поплавка (буйка) остается постоянной, а изменяется действующая на

него выталкивающая сила, пропорциональная плотности жидкости.

Плотномеры первого типа измеряют плотность от 0,005 до 0,01 г/см3

с погрешностью 1,5... 3 % от диапазона измерения, а второго типа — от

0,5 до 1,2 г/см3 с поддиапазоном 0,05... 0,2 г/см3 в любой части основ-

ного интервала; их класс точности 1.

Принцип действия г и д р о - и а э р о с т а т и ч е с к и х плотно-

меров основан на зависимости давления Р столба анализируемой

жидкости или газа от плотности ρ этих сред:

где g — ускорение свободного падения; Н— высота столба жидкости

или газа.

Р а д и о и з о т о п н ы е плотномеры позволяют измерять плотность

агрессивных, сильновязких, горячих и находящихся под большим

давлением жидкостей бесконтактным способом. Их действие осно-

вано на ослаблении радиоактивного излучения с повышением плот-

ности измеряемой жидкости.

Вибрационные плотномеры

Вибрационные плотномеры на сегодняшний день являются наи-

более востребованными на объектах трубопроводного транспорта.

Принцип действия вибрационных плотномеров основан на зависи-

мости частоты колебаний, сообщаемых камере с анализируемым

веществом или телу, размещенному в нем, от плотности этого веще-

ства. Камера с анализируемым веществом или тело, размещенное в

нем, называется резонатором. Частота собственных колебаний ƒ ре-

зонатора, заполненного анализируемым веществом с плотностью ρ

или находящегося в нем, описывается выражением

где /о — частота колебаний резонатора при начальном значении плот-

ности анализируемого вещества; к — константа, зависящая от кон-

струкции резонатора.

Конструктивно различают пр о т оч н ы е и п о г р у ж н ы е виб-

рационные плотномеры. В первом случае анализируемое вещество

протекает через внутреннюю полость резонатора, во втором — резо-

натор размещается в потоке анализируемого вещества. Проточные

плотномеры являются более распространенными.

При измерении плотности в трубопроводе необходимо учитывать

влияние давления и температуры потока. Для этого обычно исполь-

зуются два резонатора: измерительный и компенсирующий. На рис.

8.3, а показан датчик плотномера, представляющий собой корпус 1

из нержавеющей стали, внутри которого расположены два тонкостен-

ных ферромагнитных цилиндра: измерительный 2 и компенсирую-

щий 3. Через измерительный цилиндр протекает жидкость, плотность

которой измеряется, а компенсирующий цилиндр заполнен образцо-

вой жидкостью (керосином). Давление измеряемой среды передается

в компенсирующий цилиндр 3 через сильфон 4, благодаря чему дав-

ление в цилиндрах 2 и 3 одинаково, и погрешность измерения плот-

ности от разности давлений в цилиндрах практически отсутствует.

Для введения температурной коррекции в компенсирующем цилин-

дре 3 установлен терморезистор 5. При измерении плотности (рис.

8.3, б) оба цилиндра 2 и 3 колеблются с собственной частотой, воз-

буждаемой электромагнитными катушками 7. Собственная частота

компенсирующего цилиндра на 80... 100 Гц больше, чем максималь-

ная частота (при наименьшей плотности перекачиваемого продукта)

измерительного цилиндра. Колебания цилиндров 2 и 3 возбуждают

в измерительных катушках 6 электромагнитные колебания с частотой

fmwfk соответственно, которые через фазосдвигающие устройства 7

поступают на усилители-ограничители 8. Узел вычитания 10 из ча-

стоты колебаний fk компенсирующего цилиндра вычитает частоту

колебаний ƒ_m измерительного цилиндра. При этом компенсируется

погрешность измерения плотности нефти, возникающая из-за на-

личия в трубопроводе, а значит, и в датчике довольно значительного

давления.

Плотность керосина, находящегося в компенсирующем цилинд-

ре 3, сильно зависит от температуры. Для уменьшения температурной

погрешности в датчике предусмотрена схема компенсации, состоящая

из терморезистора 5 и усилителя постоянного тока 9. Терморезистор

включен в чувствительное плечо мостовой схемы, выходное напря-

жение которой усиливается усилителем 9 и поступает в устройство

температурной компенсации 11, куда также поступает разностная

частота ∆f=ƒk-fm. Далее сигнал разностной частоты ∆ƒ_t скорректи-

рованной по температуре, подается на схему линеаризации 12 и далее

на устройство индикации 13.

Вибрационные плотномеры позволяют измерять плотность в

диапазоне от 750 до 930 кг/м3 с основной погрешностью не более

0,5 % в потоках с давлением до 6,4 МПа.

Измерение вязкости