ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ ПЛОТНОМЕР

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к гидростатическим устройствам для измерения плотности жидкостей, и может найти применение в различных отраслях промышленности.

Известен гидростатический плотномер [Мордасов М.М. Физические основы измерения плотности и поверхностного натяжения пневматическими методами / М.М. Мордасов, С.В. Мищенко, Д.М. Мордасов. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос.техн. ун-та, 1999. - С.27-28], содержащий колокол, выполненный в виде трубки, погруженный в контролируемую жидкость на заданную глубину, сосуд с постоянным уровнем и манометр, измеряющий давление как функцию плотности жидкости.

Недостатком такого плотномера является невысокая точность и сложность измерения относительной плотности жидкости.

Наиболее близким, принятым за прототип, является устройство для измерения относительной плотности жидкостей [Кивилис С.С. Плотномеры. / С.С. Кивилис. - М.: Энергия, 1980. - 279 с.], выполненное в виде двух U-образных трубок одинакового диаметра, в одну из которых налита контролируемая жидкость плотностью ρ₁, а в другую - жидкость с известной плотностью ρ₂. В трубках одновременно создают некоторую разность давлений и измеряют изменения уровней Н и h в коленах U-образных трубок с контролируемой и известной жидкостью, соответственно. Относительную плотность d по измеренным величинам H и h определяют по формуле

Такое гидростатическое устройство не может быть применено для контроля плотности жидкостей, находящихся в аппаратах.

Технической задачей является обеспечение оперативности контроля жидкостей, находящихся в емкостях без отбора пробы в условиях действующих производств.

Данная техническая задача решается тем, что в известном гидростатическом плотномере, выполненном в виде двух U - образных трубок, первая из которых заполнена жидкостью с известной плотностью, со шкалой, ко второму колену первой трубки присоединено первое колено второй U - образной трубки, а второе колено выполнено в виде колокола, погружаемого в контролируемую жидкость.

На фиг.1 схематически изображен гидростатический плотномер до начала измерения (фиг.1, а) и при измерении (фиг.1, б).

Гидростатический плотномер состоит из измерительной трубки 1 (колокола), к верхней части которой подключена с помощью соединительной трубки 2 U - образная трубка 3, заполненная жидкостью 4 с известной плотностью ρ₂. Уровень жидкости 4 совпадает с рисками 5, которые нанесены на трубки 1 и 3. На правом колене U - образной трубки 3, являющемся уровнемерным стеклом, закреплена шкала 6.

Процесс измерения начинается с погружения плотномера в контролируемую жидкость с плотностью ρ₁ до уровня Н, соответствующего рискам на трубках 1 и 3. На момент погружения состояние газа в общем объеме V₀=V₁+V₂, где V₁ - объем газа в трубке 1, V₂ - объем газа в соединительной трубке 2 до поверхности жидкости трубки 3, будет описываться уравнением Менделеева-Клапейрона

где Р_а - абсолютное давление в окружающем пространстве над поверхностью жидкости, Па; θ - масса газа, кг; R - универсальная газовая постоянная, Дж/кгК; Т - абсолютная температура, К.

После погружения устройства в контролируемую жидкость состояние газа изменится. Уровень жидкости в измерительной трубке 1 примет значение h₁, а в трубке 3 - h₂. В соответствии с этим давление изменится на величину

где g - ускорение свободного падения, м/с².

Из уравнения (2) может быть определено соотношение между уровнями в трубках 1 и 3 в виде

где d - относительная плотность контролируемой жидкости.

Новому состоянию газа будет соответствовать уравнение

где S₁ и S₂ - площади сечения трубок 1 и 3, соответственно, м².

Приравнивая левые части уравнений (1) и (4), после преобразования получим квадратное уравнение

Решение уравнения (5), при условии, что h₂ всегда больше нуля, будет иметь вид

После разложения в степенной ряд Тейлора второго слагаемого и элементарных преобразований получим

Учитывая, что , при условии S₁=S₂ и уравнение (7) запишем в виде

Если ρ₁=ρ₂, то этому состоянию будет соответствовать, как видно из уравнения (8), значение уровня

которое для данной конструкции измерительного устройства является постоянной величиной и может являться нулевой отметкой шкалы. Поэтому относительная плотность жидкости может определяться отклонением Δh₂ уровня h₂ от значения, принятого за ноль шкалы h₂₀

Предложенный гидростатический метод контроля относительной плотности жидкости отличается простотой, обладает хорошей точностью (при Н=1 м погрешность не превышает 0,5%) и оперативностью контроля жидкостей, находящихся в емкостях без отбора пробы в условиях действующих производств. Невысокая стоимость реализующего предложенный метод устройства также является достоинством.