СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения плотности жидкостей в нефтяной, химической, пищевой промышленности и в других областях. Техническим результатом изобретения является возможность измерения плотности при небольших количествах жидкости, а также устранение необходимости выдерживания определенной температуры при измерении плотности.

Известен ареометр, выполненный в виде стеклянной ампулы с грузом и шкалой (ГОСТ 18481-81). Для измерения плотности исследуемую жидкость наливают в сосуд и погружают в нее ареометр, по шкале которого определяют плотность.

Ареометры обладают следующими недостатками:

- для измерения плотности с помощью ареометра требуется подходящая емкость и относительно большое количество жидкости;

- при измерении плотности смачивающих жидкостей дополнительным источником погрешности измерений служит мениск, затрудняющий считывание информации.

Известен способ определения поверхностного натяжения и плотности жидкости (патент РФ №2328722, G01N 13/02, G01N 9/26, 10.07.2008), который включает подачу газа на вход газоподводящей трубки, погруженной на заданную глубину в контролируемую жидкость, и измерение максимального давления в трубке. Дополнительно измеряют количество пузырьков газа, поступивших в жидкость, и по величинам максимального давления в трубке и числу пузырьков газа судят о поверхностном натяжении и плотности контролируемой жидкости.

К недостаткам способа относятся необходимость в датчике давления и сложность вычисления плотности с учетом влияния на показания приборов поверхностного натяжения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения плотности (патент РФ №2091756, G01N 9/26, G01N 7/18, 27.09.1997), в котором в U-образную ячейку помещают в исследуемую жидкость. На одно из колен ячейки подают разрежение, добиваясь равенства в другом колене (измерительном) атмосферному. Затем увеличивают давление в первом колене, поддерживая давление газа в измерительном колене постоянным. Измерительное колено герметично соединено с верхним концом калиброванного капилляра, являющегося манометрической трубкой микроманометра. Изменяя объем газовой фазы в калиброванном капилляре, измеряют перемещение уровня жидкости в измерительном колене. Зная константы прибора, рассчитывают значение плотности.

Недостатком прототипа является громоздкость конструкции.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности измерения плотности в небольших объемах жидкости за счет создания избыточного давления или разрежения в емкости с жидкостью и использования поплавков переменного объема.

Указанная задача решается с помощью изготовления поплавка с эластичными стенками и с воздухом внутри. Поплавок помещается в исследуемую жидкость в герметичной емкости, после чего в емкости плавно повышается (или снижается) давление. При определенном значении давления поплавок начинает тонуть (или всплывать - в случае снижения давления) за счет изменения объема воздуха, который находится внутри поплавка. С изменением плотности жидкости будет меняться давление, при котором поплавок тонет или всплывает.

На фиг.1 изображена последовательность определения плотности жидкости с помощью создания разрежения. На фиг.2 изображена последовательность определения плотности жидкости с помощью создания повышенного давления.

Реализация данного способа может быть следующей:

Вариант 1. В отградуированную герметичную емкость 1 с поршнем 2, трубкой 3 и фильтром 6 помещают поплавок 4, средняя плотность которого больше плотности исследуемой жидкости (при атмосферном давлении поплавок тонет в жидкости), фиг.1а. Конец трубки 3 опускают во вспомогательную емкость 5 с исследуемой жидкостью. Затем с помощью поршня 2 создают разрежение (после этого поршень фиксируют для предотвращения его возвращения в исходное положение).

Согласно закону Бойля-Мариотта при постоянной температуре и массе идеального газа произведение его давления и объема постоянно, p·V=const. При создании разрежения первоначальный объем воздуха (V1) значительно увеличивается, его давление уменьшается:

p₂=p₁·V₁/V₂,

где V₁ - объем воздуха в емкости до создания разрежения;

V₂ - объем воздуха в емкости после создания разрежения;

p₁ - давление воздуха в емкости до создания разрежения;

p₂ - давление воздуха в емкости после создания разрежения.

После создания разрежения исследуемая жидкость начинает поступать по трубке из посуды 5 в емкость 1. Воздух в поплавке стремится расшириться, Р_п ^_>р₂,V_п->V₂, однако его расширение ограничивается стенками поплавка. Сопротивление стенок расширению зависит от материала, формы поплавка, толщины стенки.

Вследствие расширения воздуха объем поплавка увеличивается, его средняя плотность уменьшается, в результате чего поплавок всплывает, фиг.1б. По мере заполнения емкости давление постепенно возвращается к атмосферному, объем поплавка уменьшается, и в определенный момент поплавок начинает тонуть, фиг.1в. Давление емкости в этот момент можно вычислить по уровню жидкости:

p₃=p₁·V₁/V₃,

где V₃ - объем воздуха в емкости в момент начала погружения поплавка;

p₃ - давление воздуха в емкости в момент начала погружения поплавка.

Зная зависимость объема поплавка от давления в емкости V_п=f(p) (полученную на основании экспериментов или расчетным путем), можно вычислить объем поплавка, по объему и массе - плотность поплавка в момент начала погружения:

ρ=m_п/V_п,

где V_п - объем поплавка в момент начала погружения;

m_п - масса поплавка.

Плотность поплавка в момент начала погружения равна плотности жидкости.

На трубке может быть установлен фильтр для определения степени загрязнения жидкости и измерения плотности очищенной жидкости.

Степень загрязнения жидкости определяют следующим образом.

При поступлении загрязненной жидкости на трубке на фильтре осаждаются загрязняющие частицы (например, сажа, частицы износа, пыль в моторном масле), при большом их количестве скорость поступления жидкости уменьшается. Скорость заполнения емкости обратно пропорциональна площади сечения канала, по которому поступает жидкость. Зная время заполнения фиксированного объема емкости чистой жидкостью, и сравнивая его с временем заполнения того же объема загрязненной жидкостью, можно установить факт загрязнения жидкости и оценить степень загрязнения. Если вместо фильтра снаружи трубки поставить магнит, можно оценить степень загрязнения жидкости металлическими частицами.

Вариант 2. В отградуированную герметичную емкость 1 с поршнем 2 и трубкой 3 набирают некоторое количество исследуемой жидкости (также оставляют достаточное количество воздуха - до половины объема емкости) и помещают поплавок 4, средняя плотность которого меньше плотности данной жидкости (при атмосферном давлении поплавок плавает в жидкости), фиг.2а. Затем с помощью поршня 2 создают избыточное давление (после этого поршень фиксируют для предотвращения его возвращения в исходное положение). Исследуемая жидкость начнет вытекать из емкости 1 по трубке 3. Под действием избыточного давления воздух внутри поплавка сжимается, объем поплавка уменьшается, его средняя плотность увеличивается, в результате чего поплавок тонет, фиг.2б. По мере истечения жидкости из емкости давление постепенно возвращается к атмосферному, объем поплавка увеличивается, и в определенный момент поплавок начинает всплывать, фиг.2в. Аналогично варианту 1, по уровню жидкости в момент начала всплытия поплавка можно судить о плотности исследуемой жидкости.

Более простым является вариант определения плотности не расчетным путем, а на основании предварительной градуировки емкости. Проводят несколько экспериментов с жидкостями с известной плотностью, уровни, при которых поплавок начинает тонуть (или всплывать), отмечают на емкости с указанием соответствующей плотности жидкости. При необходимости промежуточные значения плотности получают методом интерполяции.

Изменяя форму поплавка, материал и толщину его стенок, можно добиться желаемого диапазона изменения объема (а следовательно, и плотности) поплавка. Поплавок в виде плоского круга, при разрежении принимающий форму шара, с тонкой стенкой из эластичного материала будет иметь большой диапазон измерения, т.к. происходит значительное изменение его объема. С помощью поплавка, объем которого при изменении давления меняется незначительно, можно определить плотность в меньшем диапазоне, но с большей точностью (для этого уменьшают объем воздуха внутри поплавка, либо увеличивают жесткость корпуса поплавка). Для увеличения плотности поплавка внутрь него можно поместить металлическую дробь или проволоку.

С повышением температуры плотность нефтепродуктов понижается. Поплавок, изготовленный из упругого материала, с воздухом внутри, также увеличивает объем с увеличением температуры (а следовательно, его плотность уменьшается). По закону Шарля при нагревании газа на 1°С его объем увеличивается на 1/273 объема данного газа при 0°С. Изменяя объем воздуха в поплавке и жесткость стенок поплавка, можно добиться того, что поплавок будет менять свою плотность в той же степени, в которой изменяется плотность исследуемой жидкости. Это позволит уйти от необходимости измерения плотности при четко определенной температуре (15°С или 20°С).

Был проведен ряд экспериментов для определения наличия бензина в маслах Nissan SAE 5W40, Toyota SAE 10W40, Лукойл SAE 15W40 по их плотности.

Взяли емкость объемом 22 см с поршнем и с трубкой, поместили в нее плоский поплавок массой 0,0457 г с небольшим количеством воздуха внутри. Эксперимент проводили при комнатной температуре - 22°С.

Полностью опустили поршень. Конец трубки поместили в масло Nissan SAE 5W40 с плотностью 849 кг/м (при 22°С), затем полностью выдвинули поршень, масло начало поступать в емкость. Поплавок увеличился в объеме и стал плавать на поверхности масла. При достижении маслом отметки 19 см³ поплавок начал тонуть (объем поплавка уменьшился, средняя плотность поплавка стала равна плотности масла).

После этого провели аналогичный эксперимент при температуре 40°С. Поплавок также начал тонуть при достижении отметки 19 см.

Затем провели аналогичные эксперименты со смесью масла Nissan SAE 5W40 (97% мас.) и бензина (3% мас.). И при 22°С, и при 40°С поплавок начинал тонуть при достижении маслом отметки 17 см (вместо 19 см, как для чистого масла), что говорит об уменьшении плотности. Это было подтверждено путем измерения плотности смеси при 22°С с помощью ареометра: ρ_смеси=847 кг/м³.

Таким образом, по изменению уровня жидкости определили, что плотность масла в экспериментах со вторым образцом масла стала меньше, что свидетельствует о наличии в масле бензина, причем изменение температуры не повлияло на результаты измерений.