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 ρ (має розмірність в системі СІ - кг/м ³) - 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. Дані про значення густини ρ₂₀ різних речовин, що приводяться в довідниках, отримані в результаті її вимірювання за температури речовини 20°С (t₂₀). Для розрахунку значення густини ρ₁ речовини (рідини) в кг/м ³ для робочої температури t₁, яка відрізняється від температури t₂₀, використовується формула:

ρ₁ = ρ₂₀ [1 - b (t₁ - t₂₀ )], (2)

де β — середнє значення коефіцієнта об’ємного розширення в діапазоні температур від t₂₀ до t₁, 1/°С.

В засобах вимірювання (ЗВ) густини, якщо температура рідини відрізняється

від температури t₂₀, то додаткова температурна похибка ЗВ, 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 F_A (рис. 1,а), що діє на занурений поплавок (буйок), від ваги об’єму V_П розчину, що витискується цим

поплавком: F_A = V_П ּ g ּ ρ, (3)

де V_П — об’єм поплавка, зануреного у рідину, м ³; ρ - густина рідини, кг/м ³;

g — прискорення вільного падіння, м/с ².

На буйок діє різниця сил ∆ F між вагою G поплавка та Архімедовою cилою F_A: ∆F = G - F_A = G - V_П ּ g ּ ρ, (4)

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

а) б)

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

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

Густиноміри з частково зануреним у рідину поплавком називаються аріометрами, у яких глибина занурення поплавка в розчин обернено пропорційна густині останнього. Діапазон вимірювань: 1000 ÷1400 кг/м ³. Клас точності — 2,0.

Поплавкові густиноміри з повністю зануреним у рідину поплавком назива-

ються буйковими.

На рис.1,а зображена схема буйкового густиноміра з диференціально- трансформаторним перетворювачем (ДТП). Чутливий елемент 2 (буйок, вагою G) знаходиться в об’єкті вимірювання 1 і занурений у контрольовану рідину постійного рівня. Буйок з’єднаний стержнем 4 із магнітом’ягким осердям ДТП, який має первинну (зліва) та вторинну обмотки. Вторинна обмотка виконана у вигляді двох секцій з однаковою кількістю витків – верхньої та нижньої, що займають кожна по половині котушки по висоті, але включених зустрічно, і в яких відповідно індукуються ЕРС, величина яких залежить від положення осердя. В нейтральному положенні магнітом’ягке осердя знаходитьсі у симетричному положені по відношенні до обох вторинних обмоток, тому Е₁ - у верхній обмотці дорівнює Е₂ - у нижній. Залежно від густини розчину змінюється сила ∆F, що діє на буйок в рідині, і відповідно, змінюється положення магнітом’ягкого осердя ДТП, що приводить до зміни, як по амплітуді так і по фазі, загального вихідного сигналу U ДТП: U = Е₁ - Е₂. Надалі сигнал опрацьовується фазочутливим детектором.

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

При ваговому (пікнометричному) методі (на рис.1,б показаний схематично густиномір типу ІПФВУ) вимірювання густини використовується функціо-нальна залежність маси рідини від її густини, і він грунтується на безперервному зважуванні постійного об’єму рідини. ПВП вагового механічного густиноміра є рухома трубка 1, через яку протікає вимірювана за густиною рідина і яка зрівноважена при певному номінальному значенні ρ пружиною 4. Сильфон 3 (гнучкий гумовий рукав) з’єднує нерухому та рухому частини трубки 1 і дозволяє останній переміщуватись в опорі 2. Відхилення ρ від номінального значення приводить зміни ваги рухомого відрізка труби 1 та до додаткового розтягування пружини 4 або її стискування і зміщення осердя диференційно-трасформаторного перетворювача 5.

В деяких густиномірах, наприклад, типу ДУВ-ТК, рухома частини труби виконана U - подібною. Прилади, які реалізують пікнометричний метод, мають досить високу чутливість і точність і дозволяють вимірювати густину забруднених рідин і таких, що мають грубі домішки. Клас точності 1,0; 1,5.