Описание цифрового измерителя плотности

Введение

 

Плотномеры представляют собой автоматические приборы, обеспечивающие измерение плотности жидких образцов. Принцип действия плотномеров основан на измерении частоты колебаний U-образной измерительной трубки, вызываемых электромагнитным генератором. Под воздействием возбуждающего поля пустая измерительная трубка колеблется с собственной частотой, а при заполнении трубки исследуемым веществом частота колебаний изменяется в зависимости от массы (плотности) исследуемого вещества. Подобно маятнику, чем больше плотность образца, а значит и его масса, заключенная в трубке, тем ниже частота колебаний. Для пересчета частоты колебаний в цифровое значение плотности используются данные предварительной калибровки.

Поскольку плотность сильно зависит от температуры, для исключения этого влияния на результат измерительная трубка термостатируется. Поддержание температуры осуществляется электронным термостатом, встроенным в прибор. Стандартная температура измерения плотности жидкостей составляет 20 °C.

Частота собственных колебаний трубки зависит от её конструктивных особенностей и определяется в процессе калибровки при заполнении её веществом с известной плотностью. Калибровка плотномеров производится по результатам измерения частоты колебания измерительной трубки на двух стандартных веществах – сухой воздух и бидистиллированная дегазированная вода. Результаты калибровки сохраняются в памяти прибора до следующей калибровки. В настоящее время при анализе жидких образцов повсеместно переходят с ручных методов на использование цифровых приборов. Главная причина – более высокая скорость и точность инструментальных методов анализа, а также большая безопасность при работе с токсичными и легковоспламеняющимися образцами.

Anton Paar Компания Anton Paar производит высокоточные лабораторные приборы для самых разнообразных задач и бюджетов от таких, как портативный переносной плотномер DMA 35n, до высококлассных приборов DMA 5000 с разрешением 0,000001 г/см3 для R&D.

Все началось в 1967 Anton Paar выпустил первый цифровой плотномер с осциллирующей U-образной трубкой, что стало поворотным моментом: плотномеры заменили старые гидрометры и пикнометры. Ганс Штабингер и Ганс Леопольд, известные австрийские ученые, разработали принцип и создали прототип, а Ульрих Сантнер, глава компании Anton Paar, наладил производство: так появился первый плотномер DMA.

С тех пор, Anton Paar получил репутацию надежного партнера в промышленных и научных исследованиях. Компания продолжила фокусироваться на разработке новых высокоточных и надежных приборов, что сделало ее мировым лидером в области определения плотности и концентрации. Одновременно с этим произошел быстрый рост продаж и развитие сервисной базы. Революционная инновация 1967 года сделала компанию Anton Paar ведущим производителем цифровых плотномеров. Будьте уверены, вы работаете с лидером рынка.

 

Общая часть

 

Существует бесчисленное количество методов контроля качества. Определение плотности - один из наиболее простых, быстрых и точных. Для него требуется малое количество образца, он не изменяет состав композиции и не требует дополнительных веществ. Определяя плотность вы получаете точные значения концентрации от 0 до 100%, что позволяет быть уверенным в первоклассном качестве продукта.

Плотность – скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму или площади (поверхностная плотность). Более строгое определение плотности требует уточнение формулировки:

– средняя плотность тела - отношение массы тела к его объёму. Для однородного тела она также называется просто плотностью тела;

– плотность вещества - это плотность тел, состоящих из этого вещества;

– плотность тела в точке - это предел отношения массы малой части тела (m), содержащей эту точку, к объёму этой малой части (V), когда этот объём стремится к нулю, или, записывая кратко, . При таком предельном переходе необходимо помнить, что на атомарном уровне любое тело неоднородно, поэтому необходимо остановиться на объёме, соответствующем используемой физической модели;

– исходя из определения плотности, её размерность кг/м³ в системе СИ и в г/см³ в системе СГС.

Для сыпучих и пористых тел различают:

– истинную плотность, определяемую без учёта пустот;

– удельную (кажущуюся) плотность, рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему занимаемому им объёму.

Истинную плотность из кажущейся получают с помощью величины коэффициента пористости - доли объёма пустот в занимаемом объёме.

Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, хотя встречаются вещества, чья плотность ведёт себя иначе, например, вода, бронза и чугун. Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры относительно этого числа.

При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Вода, кремний, германий и некоторые другие вещества являются исключениями из данного правила, т.к. их плотность при переходе в твердую фазу уменьшается.

Для измерения плотности используются:

– пикнометр - прибор для измерения истинной плотности;

– ареометр (денсиметр, плотномер) - измеритель плотности жидкостей;

– бур Качинского и бур Зайдельмана - приборы для измерения плотности почвы;

– вибрационный плотномер - прибор для измерения плотности жидкости и газа под давлением.

 

Специальная часть

Для измерения плотности используются:

– пикнометр – прибор для измерения истинной плотности;

– ареометр (денсиметр, плотномер) – измеритель плотности жидкостей;

– бур Качинского и бур Зайдельмана – приборы для измерения плотности почвы;

– плотность ρ (ро) – это масса единицы объема.

Цифровые измерительные приборы из-за высокой точности измерении и наглядности отсчета имеют ряд существенных преимуществ перед приборами са стрелочным указателем. Одной из тенденций развития цифровой измерительной техники является расширение функциональных возможностей измерительных приборов, когда в одном приборе содержится несколько измерителей различных величин.

В радиолюбительских условиях изготовление узкоспециализированного измерительного прибора с цифровой индикацией, например, только вольтметра или частотомера, вряд ли оправдано. Затраты достаточно велики, а эксплуатационные возможности ограничены. Предпочтение отдают универсальным цифровым измерительным приборам.

Удешевлению изготовления универсальных измерительных приборов, упрощению их схемотехники и настройки, уменьшению габаритных размеров и массы способствует использование интегральных микросхем с повышенной степенью интеграции, номенклатура которых быстро растет.

Многих радиолюбителей интересует изготовление легкого портативного цифрового измерительного прибора с автономным питанием. В третьей главе приведены два примера построения таких приборов, причем один из них с автоматическим переключением пределов измерения.

Цифровой измеритель плотности обладает рядом достоинство:

– управление с помощью одной руки;

– диапазон измерений: 0,001-2,000 г/см3;

– относительная погрешность измерений: ±0,001 г/см3;

– рабочий диапазон температур: 0-40 ˚С (без термостатирования);

– система термокомпенсации;

– показания дисплея в различных шкалах: плотность, удельный вес, градус Брикс, градус Боме, содержание сахара;

– возможен ввод жидкостей с вязкостью до 2000 мПа*с;

– хранение в памяти до 1100 результатов измерений;

– питание от двух батареек типа ААА;

– возможность переноса данных на ПК через ИК-порт (входит в состав прибора) или RS-232C (дополнительно требуется инфракрасный RS конвертер);

– возможность вывода данных на принтер через RS-232C (требуются дополнительные принадлежности).

Плотномеры могут поставляться в различных модификациях:

– стандартная (для образцов с низкой и умеренной вязкостью);

– для высоковязких жидкостей (нефть, мазуты и т.д);

– для применения с автоподатчиком (из комплектации убраны подающий и осушающий насосы).

 

Таблица 1 — Технические характеристики цифрового измерителя плотности

 

Модель	DA-640	DA-645	DA-650
Диапазон измерения, г/см3	0-3
Дискретность, г/см3	±0,0001	±0,00001	±0,00001
Повторяемость, г/см3	0,0001	0,00005	0,00002
Диапазон температур, оС	0-90
Точность поддержания температуры, оС	±0,05		±0,02
Температурная компенсация	+		+
Термостат Пельтье	+		+
Минимальная проба ручная подача, мл
Минимальная проба автоматический ввод пробы, мл
Размеры (ДхГхВ), мм	320х365х250

 

 

Нормативные документы

АСТМ – одна из крупнейших организаций, занимающихся разработкой технических стандартов на материалы, продукцию, системы и услуги. Организация создана около 100 лет назад и первоначально называлась American Society for Testing and Materials (ASTM). В настоящее время полное название организации - ASTM International, что говорит о том, что АСТМ превратилась в крупную международную организацию, членами которой являются промышленные компании из разных стран.

Разработан новый стандарт АСТМ, который устанавливает классы точности для цифровых устройств. Одной из целей разработки ASTM E2877, Guide for Digital Contact Thermometers, была поддержка усилий Агентства по защите окружающей среды США, по замене ртутно-стеклянных термометров в энергетике и других отраслях.

Стандарт дает также рекомендации для производителей по минимальному набору технических документов на цифровые термометры и их маркировке.

Все стандарты в области температурных измерений, перечисленные в приведенном ниже перечне, можно приобрести на сайте АСТМ. [3]

Проектирование

Проектирование – деятельность человека или организации по созданию проекта, то есть прототипа, прообраза предполагаемого или возможного объекта, состояния; комплекта документации, предназначенной для создания определённого объекта, его эксплуатации, ремонта и ликвидации, а также для проверки или воспроизведения промежуточных и конечных решений, на основе которых был разработан данный объект.

Проектирование может включать несколько этапов от подготовки технического задания до испытания опытных образцов. Объектом проектирования является проект материального предмета. Понятие проектирования не включает в себя стадию реализации проекта. Проектирование обладает своей методологией, которая включает структуру деятельности, принципы и нормы деятельности, субъектов, объект и его модели, методы и другие. Этап проектирования предназначен для выработки и детализации модели разрабатываемого устройства.

Перечень необходимых компонент, их названия и назначения определяются в зависимости от выбранного способа построения модели ПП и, в первую очередь, от выбранной методики программирования (например, структурное программирование или объектно-ориентированное). Каждая из этих методик имеет свои способы построения модели ПП.

Результаты проектирования представляются в виде описания компонент проектирования по определенному набору атрибутов.

Введение

 

Плотномеры представляют собой автоматические приборы, обеспечивающие измерение плотности жидких образцов. Принцип действия плотномеров основан на измерении частоты колебаний U-образной измерительной трубки, вызываемых электромагнитным генератором. Под воздействием возбуждающего поля пустая измерительная трубка колеблется с собственной частотой, а при заполнении трубки исследуемым веществом частота колебаний изменяется в зависимости от массы (плотности) исследуемого вещества. Подобно маятнику, чем больше плотность образца, а значит и его масса, заключенная в трубке, тем ниже частота колебаний. Для пересчета частоты колебаний в цифровое значение плотности используются данные предварительной калибровки.

Поскольку плотность сильно зависит от температуры, для исключения этого влияния на результат измерительная трубка термостатируется. Поддержание температуры осуществляется электронным термостатом, встроенным в прибор. Стандартная температура измерения плотности жидкостей составляет 20 °C.

Частота собственных колебаний трубки зависит от её конструктивных особенностей и определяется в процессе калибровки при заполнении её веществом с известной плотностью. Калибровка плотномеров производится по результатам измерения частоты колебания измерительной трубки на двух стандартных веществах – сухой воздух и бидистиллированная дегазированная вода. Результаты калибровки сохраняются в памяти прибора до следующей калибровки. В настоящее время при анализе жидких образцов повсеместно переходят с ручных методов на использование цифровых приборов. Главная причина – более высокая скорость и точность инструментальных методов анализа, а также большая безопасность при работе с токсичными и легковоспламеняющимися образцами.

Anton Paar Компания Anton Paar производит высокоточные лабораторные приборы для самых разнообразных задач и бюджетов от таких, как портативный переносной плотномер DMA 35n, до высококлассных приборов DMA 5000 с разрешением 0,000001 г/см3 для R&D.

Все началось в 1967 Anton Paar выпустил первый цифровой плотномер с осциллирующей U-образной трубкой, что стало поворотным моментом: плотномеры заменили старые гидрометры и пикнометры. Ганс Штабингер и Ганс Леопольд, известные австрийские ученые, разработали принцип и создали прототип, а Ульрих Сантнер, глава компании Anton Paar, наладил производство: так появился первый плотномер DMA.

С тех пор, Anton Paar получил репутацию надежного партнера в промышленных и научных исследованиях. Компания продолжила фокусироваться на разработке новых высокоточных и надежных приборов, что сделало ее мировым лидером в области определения плотности и концентрации. Одновременно с этим произошел быстрый рост продаж и развитие сервисной базы. Революционная инновация 1967 года сделала компанию Anton Paar ведущим производителем цифровых плотномеров. Будьте уверены, вы работаете с лидером рынка.

 

Общая часть

 

Существует бесчисленное количество методов контроля качества. Определение плотности - один из наиболее простых, быстрых и точных. Для него требуется малое количество образца, он не изменяет состав композиции и не требует дополнительных веществ. Определяя плотность вы получаете точные значения концентрации от 0 до 100%, что позволяет быть уверенным в первоклассном качестве продукта.

Плотность – скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму или площади (поверхностная плотность). Более строгое определение плотности требует уточнение формулировки:

– средняя плотность тела - отношение массы тела к его объёму. Для однородного тела она также называется просто плотностью тела;

– плотность вещества - это плотность тел, состоящих из этого вещества;

– плотность тела в точке - это предел отношения массы малой части тела (m), содержащей эту точку, к объёму этой малой части (V), когда этот объём стремится к нулю, или, записывая кратко, . При таком предельном переходе необходимо помнить, что на атомарном уровне любое тело неоднородно, поэтому необходимо остановиться на объёме, соответствующем используемой физической модели;

– исходя из определения плотности, её размерность кг/м³ в системе СИ и в г/см³ в системе СГС.

Для сыпучих и пористых тел различают:

– истинную плотность, определяемую без учёта пустот;

– удельную (кажущуюся) плотность, рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему занимаемому им объёму.

Истинную плотность из кажущейся получают с помощью величины коэффициента пористости - доли объёма пустот в занимаемом объёме.

Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, хотя встречаются вещества, чья плотность ведёт себя иначе, например, вода, бронза и чугун. Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры относительно этого числа.

При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Вода, кремний, германий и некоторые другие вещества являются исключениями из данного правила, т.к. их плотность при переходе в твердую фазу уменьшается.

Для измерения плотности используются:

– пикнометр - прибор для измерения истинной плотности;

– ареометр (денсиметр, плотномер) - измеритель плотности жидкостей;

– бур Качинского и бур Зайдельмана - приборы для измерения плотности почвы;

– вибрационный плотномер - прибор для измерения плотности жидкости и газа под давлением.

 

Описание цифрового измерителя плотности

Плотность – физическая величина, определяемая для однородного вещества его массой в единице объема (величина, обратная удельному объему вещества); плотность неоднородного вещества – соотношение массы и объема, когда последний стягивается к точке, в которой измеряется плотность. Отношение плотностей двух веществ при определенных стандартных физических условиях называют относительной плотностью; для жидких и твердых веществ ее измеряют при температуре t, как правило, по отношению к плотности дистиллированной воды при 4⁰C , для газов - по отношению к плотности сухого воздуха или водорода при нормальных условиях (T= 273,15 К, p = 1,01*10⁵ Па).

Для сыпучих и пористых твердых веществ различают плотности истинную (масса единицы объема плотного материала, не содержащего пор), кажущуюся (масса единицы объема пористого материала из зерен или гранул) и насыпную (масса единицы объема слоя материала). Одной из важных характеристик кристаллических веществ служит рентгеновская плотность (определяют рентгенографически). Она представляет собой отношение массы атомов. находящихся в элементарной ячейке кристалла какого-либо вещества, к ее объему; выражается в обычных единицах плотности.

Плотность веществ обычно уменьшается с ростом температуры (из-за теплового расширения тел) и увеличивается с повышением давления. При переходе из одного агрегатного состояния в другое плотность изменяется скачкообразно. Единицей плотности в Международной системе единиц служит кг/м³ на практике применяют также следующие единицы: г/см³, г/л, т/м³ и так далее.

Диапазон значений плотности разных веществ и материалов (кг/м³) исключительно широк: для жидкостей от 43,2 (водород при -240⁰C) до 13595 (ртуть), газов от 0,0899 (водород) до 9,81 (радон), твердых тел от 240 (пробка) до 22610 (осмий) и так далее.

Совокупность методов измерения относит, плотности жидкостей и твердых тел называемые денсиметрией (от лат. densus-плотный, густой и греческого metreo- измеряю). Некоторые методы денсиметрии применимы также к газам. Иные методы определения их плотности основаны на связи ее с параметрами состояния веществ (например, плотность идеальных газов может быть вычислена по уравнению Клапейрона-Менделеева) и с зависимостью от плотности протекающих в них процессов.

При расчетах используют так называемую среднюю плотность тела, определяемую отношением его массы к объему V, то есть а также другими соотношениями. Выбор, классификация и применение плотномеров. Основные метрологические и эксплуатационные характеристики, определяющие выбор плотномера: точность, воспроизводимость, пределы, диапазоны и погрешности измерений, рабочие температуры и давления, характер и степень воздействия анализируемых веществ на конструкционные материалы. Стандартная температура, при которой посредством плотномера измеряют плотность веществ, равна 20⁰C.

Действие поплавковых, или ареометрических, плотномеров основано на законе Архимеда; погрешность приборов этой группы 0,2-2% от диапазона значений плотности, охватываемого шкалой прибора. Массовые плотномеры основаны на непрерывном взвешивании определенных объемов жидкости (пикнометрические, приборы для гидростатическом взвешивания, автоматические приборы) и имеют погрешность 0,5-1%. С помощью гидростатических плотномеров измеряют давление столба жидкости постоянной высоты; погрешность 2-4%. Действие радиоизотопных плотномеров основано на определении ослабления пучка g-излучения в результате его поглощения или рассеяния слоем жидкости погрешность около 2%. Вибрационные плотномеры основаны на зависимости резонансной частоты колебаний, возбуждаемых в жидкости, от ее плотности погрешность 1*10^-4 г/см³. В ультразвуковых плотномерах используют зависимость скорости звука в среде от ее плотности; погрешность 2-5%. Существуют плотномеры, действие которых основано и на других принципах.

Относительная плотность постоянна для всех химически однородных веществ и растворов при данной температуре. Поэтому по значениям плотности, измеренной посредством плотномеры, можно судить о наличии примесей в веществах и о концентрации растворов. Это позволяет широко применять плотномеры в научных исследованиях и в разных отраслях народного хозяйства как средство для проведения различных анализов, для контроля технологических процессов и автоматизации управления ими, для правильной организации системы количественного учета материалов при их приемке, хранении и выдаче и так далее. В данной статье описаны важнейшие типы лабораторные и технологические плотномеры, используемых в химических и агрохимических лабораториях, химических и смежных отраслях промышленности.

Лабораторные плотномеры предназначены для ручного периодического измерения относительные плотности веществ главным образом ареометрами, пикнометрами и гидростатическими весами.[1]