Основні поняття про густину речовини і методи її вимірювання

Густина рідини часто є однією із основних характеристик кінцевого

продукту окремих дільниць технологічних процесів, наприклад, соку випарної станції, або готовності кінцевої продукції — спирту, молокопродуктів.

Густина (має розмірність в системі СІ - кг/ м ) і є відношенням одиниці маси речовини m до одиниці її об'єму V:

ρ = m/V. (1)

Густина рідин суттєво залежить від температури і, як правило, зменшується із зростанням останньої:

r2 = r1 [1 - b (t2-t1)], (2)

де ρ1 і ρ2 — значення густини за температур t1 і t2, кг/ м ; β — середнє значення коефіцієнта об'ємного розширення в діапазоні температур t1 і t2, 1/°С.

Тому густину прийнято вимірювати за температури 20˚C. Якщо температура рідини відрізняється від цього значення, то температурна похибка, як правило, компенсується диференціальним методом проведення вимірювань або в результат вимірювань вноситься поправка.

За принципом дії густиноміри поділяються на поплавкові, вагові (пікнометричні), гідростатичні (п’єзометричні), акустичні, ультразвукові, оптичні, радіоізотопні, тощо.

Принцип роботи поплавкових густиномірів грунтується на законі Архімеда,

тобто, на залежності виштовхувальної сили P , що діє на занурений поплавок (буйок), від ваги об’єму Vn розчину, що витискується цим поплавком:

, (3)

де Vn— об'єм поплавка, зануреного у рідину, м ; - густина рідини,кг/м ;

g — прискорення вільного падіння, м/с .

На буйок діє різниця сил Р між вагою G поплавка та Архімедовою cилою :

(4)

де Р і G — відповідно вага поплавка в розчині і на повітрі, кг.

Поплавкові густиноміри бувають з частково та повністю зануреним у рідину датчиком-поплавком.

Густиноміри з частково зануреним у рідину датчиком-поплавком називаються аріометрами, у яких глибина занурення поплавка в розчин обернено пропорційна густині останнього. Діапазон вимірювань: 1000 — 1400 кг/ м . Клас точності — 2,0.

Поплавкові густиноміри з повністю зануреним у рідину поплавком називаються буйковими. На рис.1,а зображена схема буйкового густиноміра з диференціально- трансформаторним перетворювачем (ДТП).

Чутливий елемент 5 (буйок, вагою G) знаходиться в об’єкті вимірювання 4 і занурений у контрольовану рідину. Буйок з'єднаний із осердям 3 ДТП, який має первинну І та вторинну II обмотки. Остання має дві секції з однаковою кількістю витків, але включених зустрічно. Буйок та осердя ДТП підвішені на пружині 2, сила пружності якої F зрівноважує силу ваги буйка в рідині:

Р = F = k ∆ , (5)

де k — коефіцієнт жорсткості пружини, Н/мм; ∆ — деформація
пружини, мм. Залежно від густини розчину змінюється сила Р, що діє на буйок в рідині, і відповідно, змінюється деформація пружини та положення осердя ДТП, а також вихідний сигнал ДТП: U = E1 - Е2, де Е1 і Е2 – величини індукованих електрорушійних сил у секціях вторинної обмотки ДТП. Змінюючи гвинтом 1 положення пружини 2, встановлюють початок діапазону вимірювань, а верхня межа вимірювань залежить від параметрів буйка та

характерис­тики пружини.

Такий датчик можна застосувати у комплекті з будь-яким іншим перетворювачем, наприклад, електро- або пневмо-силовим, магнітним, тощо. Від цього залежить тип вторинного приладу. Як правило клас точності такого густиноміра 1,0 — 2,0.

 

а) б)

Рис.1. Густиноміри: а) буйковий з ДТП та б) – ваговий.

 

При ваговому (пікнометричному) методі (рис.1,б) вимірювання густини використовується функціональна залежність маси рідини від її густини, і він грунтується на безперервному зважуванні постійного об'єму рідини. Первин-ним вимірювальним перетворювачем такого вагового механічного густиноміра є U- подібна трубка 1, через яку протікає вимірювана за густиною рідина і яка зрівноважена при певному номінальному значенні ρ пружиною 4. Сильфони 3 з'єднують рухому і нерухому частини трубки. Відхилення ρ від номінального значення приводить до додаткового розтягування пружини або її стискування і зміщення осердя диференційно - трасформаторного перетворювача 5.

Такі прилади мають високу чутливість і точність і дозволяють вимірювати густину забруднених рідин і таких, що мають грубі домішки.