Контроль плотности

Вес трубы с жидкостью при  минимальной измеряемой плотности уравновешивается специальными грузами (на схеме не показаны). При увеличении плотности труба опускается, воздействуя на элемент сопло - заслонка; давление на выходе усилителя 5 и в сильфоне 5 растет до момента восстановления исходного положения равновесия трубы.

Минимальный диапазон измерений равен 0,05 г/см³.

 

 

 

Рисунок 4 – Схема весового плотномера:

1 - U-образная труба; 2 - рычаг с заслонкой; 3 - сопло; 4 - мебранный   усилитель пневматического  сигнала; 5 - сильфон обратной связи; 6 - неподвижный патрубок; 7 - гибкий соединительный элемент.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Гидростатические плотномеры

 

Действие гидростатических плотномеров  основано на том, что давление Р в жидкости на глубине Н от поверхности

Р = gНρ, 

где ρ - плотность жидкости;

g - ускорение свободного падения.

Давление столба жидкости неизменной высоты является мерой плотности.

Гидростатические плотномеры делятся  на две группы:

1) непосредственно измеряющие давление столба жидкости;

2) измеряющие давление столба жидкости косвенным путем.

Чтобы исключить влияние колебаний  уровня жидкости, применяют дифференциальный метод, измеряя разность давлений ∆Р двух столбов жидкости разной высоты

∆Р = ghρ

где h - разность высот столбов жидкости.

Дифференциальный плотномер с  непосредственным измерением давления жидкости в вертикальном трубопроводе или резервуаре представляет собой два преобразователя давления, установленных на определенном расстоянии друг от друга (по вертикали) и подключенных к дифманометру.

Обычно диапазон измерений, на который должен быть рассчитан плотномер, невелик, а нижний предел измерений далек от нуля, в то время как нижний предел показаний дифманометра равен нулю. Следовательно, участок, занимаемый шкалой плотности, получается очень коротким, что снижает точность измерений. В целях получения необходимой точности применяют устройства для компенсации «балластного» перепада давления, соответствующего минимальной плотности жидкости в измеряемом интервале, или используют дифманометр с безнулевой шкалой (с «подавленным» нулем).

Значительное распространение  получили гидростатические плотномеры с косвенным измерением давления при непрерывной продувке инертного  газа (или воздуха) через исследуемую  жидкость. Приборы содержат погруженную  в жидкость вертикальную трубку, по которой непрерывно пропускается газ (воздух) так, что он выходит из трубки отдельными пузырьками; давление газа прямо пропорционально плотности жидкости, так как давление столба жидкости, которое должны преодолеть пузырьки газа, пропорционально ее плотности.

Достоинства этих приборов: измерительная  часть прибора не погружается  в жидкость; возможно применение для  вязких, загрязненных, кристаллизующихся и агрессивных жидкостей; показания не зависят от скорости потока жидкости и ее поверхностного натяжения; удобно передавать показания на расстояние.

Если постоянство уровня жидкости не может быть обеспечено, применяют  дифференциальный гидростатический плотномер, схема которого показана на рисунке 5. В резервуар 3 вертикально опущены две трубки 2 и 5, глубина погружения которых различна, причем расстояние h (по вертикали) неизменно. Через обе трубки непрерывно пропускается газ (воздух) с небольшим, но постоянным и одинаковым расходом, который регулируют при помощи вентилей 4. Разность давлений газа в трубках, равная давлению столба жидкости высотой h, пропорциональна плотности жидкости и измеряется дифманометром 1. Как и в рассмотренном плотномере с непосредственным измерением давления, должна быть предусмотрена компенсация балластного перепада давления.

Гидростатические плотномеры обладают сравнительно низкой точностью: погрешность, отнесенная к диапазону показаний по шкале, достигает ± (2-4) %.

Рисунок 5 – Схема дифференциального  плотномера с продувкой газа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Радиоизотопные  плотномеры

 

Радиоизотопные плотномеры относятся к так называемым бесконтактным приборам (чувствительный элемент не вводится в измеряемую среду). Их целесообразно применять для измерения плотности агрессивных или весьма вязких жидкостей, пульп и жидкостей, находящихся под высоким давлением или имеющих высокую температуру, однако лишь в тех случаях, когда другие рассмотренные выше приборы практически неприменимы.

Важным достоинством радиоизотопных приборов является возможность контроля за ходом технологического процесса в труднодоступных местах.

Датчик прибора содержит источник γ-излучения (изотопы цезий-137, стронций-30, кобальт-60 и др.) и приемник излучения, располагаемые по обе стороны трубопровода (резервуара) на линии его диаметра. γ-излучение представляет собой электромагнитные колебания с очень малой длиной волны (до 0,4 А). Интенсивность γ -излучения, прошедшего через измеряемое вещество и зарегистрированного приемником, при прочих равных условиях является экспоненциальной функцией плотности.

В качестве приемника излучения в современных плотномерах используют ионизационную камеру. Для примера на рисунке 6 приведена схема автокомпенсационного радиоизотопного плотномера ПЖР-5 с дифференциальной ионизационной камерой. Лучи от основного источника 1 излучения (цезия-137) проходят через контролируемую жидкость 2 и поступают в основное отделение 3 ионизационной камеры, а лучи от вспомогательного источника 10, пройдя через компенсационный металлический клин 9, попадают во второе отделение 6 камеры.

Разностный сигнал, вызванный изменением плотности жидкости, после усиления в электронном усилителе 4, поступает в реверсивный двигатель 7, который поворачивает клин до момента получения нулевого разностного сигнала и одновременно перемещает сердечник индукционной катушки 8, являющийся датчиком вторичного прибора 5. Шкала 11 прибора линейная.

Диапазон измерений от 0,05 до 1 г/см³ в пределах 0,3-2,5 г/см³. Погрешность составляет ±2% диапазона

Рисунок 6 - Схема радиоизотопного плотномера жидкостей ПЖР-5

Радиоизотопные плотномеры жидкости типа ГЩР-2М поверяют в соответствии с методическими указаниями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Ультразвуковые  плотномеры

 

С помощью ультразвуковых плотномеров  можно измерять плотность любых жидкостей.

Различают две разновидности этих приборов. Первая основана на том, что скорость с распространения продольных звуковых волн в жидкости является функцией ее плотности ρ и определяется из выражения

где β - коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости.

Измеряя скорость распространения ультразвуковых колебаний в жидкости, можно судить о ее плотности.

В плотномерах второй разновидности  использована зависимость так называемого удельного акустического сопротивления R_а=ρс от плотности измеряемой среды. Применяя в качестве источника ультразвуковых колебаний пьезоэлектрический преобразователь, акустически контактирующий с измеряемой средой и возбуждаемый на резонансной частоте, получают выходной сигнал напряжения, являющийся функцией R_а, а следовательно, и плотности.

Погрешность измерений составляет ± (2-5) % диапазона шкалы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Другие плотномеры

 

Вибрационные плотномеры предназначены  для работы с чистыми жидкостями или газами, не дающими отложений  на чувствительном элементе прибора.

Датчик плотномера, погружаемый  в. измеряемую среду, представляет собой тонкостенный цилиндр из полированной стали,, внутри которого расположены крест-накрест две катушки, образующие (совместно с миниатюрным транзисторным усилителем в герметичном исполнении) цепь с обратной связью и сообщающие цилиндру непрерывные колебания. Колебания цилиндра передаются окружающей его среде, причем частота колебаний тем меньше, чем выше плотность среды. Частоту измеряют при помощи частотомера, подключенного к усилителю. Чувствительный элемент плотномера может быть выполнен также в виде пластины, располагаемой внутри контролируемого потока так, что ее плоскости параллельны направлению потока. Пластина насажена на подпружиненную тягу, перпендикулярную к оси трубопровода. С помощью магнита, помещенного на конце тяги, и катушки, питаемой переменным током, тяге сообщаются продольные колебания. На другом конце тяги находится индуктивный датчик перемещений для съема сигнала.

Система представляет собой усилитель  с положительной электромеханической обратной связью, благодаря которой пластина совершает автоколебания. Частота генерируемых системой колебаний практически равна частоте ее свободных колебаний, которая зависит от упругости пластины и плотности жидкости. Существуют также вибрационные плотномеры, в которых чувствительный элемент представляет собой камертон.

Роторные плотномеры служат для  измерения относительной плотности  газа. Они содержат две камеры, расположенные  одна над другой; в одну из них  поступает испытуемый газ, а в другую - контрольный. В каждой камере помещена крыльчатка, и обе они вращаются с высокой скоростью от общего электродвигателя. Против каждой крыльчатки находится измерительный ротор. Оси роторов являются осями шанирно-рычажной системы, связанной с указательной стрелкой. Крыльчатки создают вращающиеся потоки, которые увлекают за собой роторы.

Заключение

 

В итоге можно сделать вывод, что значение приборов для автоматического измерения плотности очень велико.

Приборы для автоматического измерения плотности являются элементом комплексной автоматизации целого ряда производственных процессов во многих отраслях промышленности (химической, металлургической, нефтяной, пищевой и др.).

Плотность - универсальное и наиболее доступное для измерения качественный показатель многих веществ. Ее автоматизированное измерение позволяет контролировать процесс переработки веществ, отслеживать их выпуск, сортировать выпускаемые, контролировать качество принимаемых и отпускаемых продуктов и веществ, вести их массовый учет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

 

1. ГОСТ 21.404-85. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах. - М.: Издательство стандартов, 1985. - 16 с.
2. Брюханов, В.Н. Автоматизация производства: Учебник для сред. проф. учеб. заведений (Серия «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»). / В.Н. Брюханов, А.Г. Схиртладзе,       В.П. Вороненко. – М.: «Высшая школа», 2005. – 367 с. 
3. Гаузнер, С.И. Измерение массы, объема и плотности. / С.И. Гаузнер, С.С. Кивилис, А.П. Осокина, А.Н. Павловский. – М.: Издательство стандартов, 1972. – 617 с.
4. Зеличенок, Г.Г. Автоматизация технологических процессов и учета на предприятиях строительной индустрии: учеб. пособие для вузов. /                  Г.Г. Зеличенок. - М.: «Высш. школа», 1975. - 352 с.
5. Чуриков, А.А. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: метод. указ. / Сост.: А.А. Чуриков, Г.В. Шишкина, Л.Л. Антонова. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. – 40 с.