ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ ПЛОТНОМЕР
HYDROSTATIC DENSITY METER

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.
1
2
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 ρ, а в другую - жидкость с известной плотностью ρ. 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).
2
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 ρ. 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.
1
0
1
2
1
2
Процесс измерения начинается с погружения плотномера в контролируемую жидкость с плотностью ρ до уровня Н, соответствующего рискам на трубках 1 и 3. На момент погружения состояние газа в общем объеме V=V+V, где V - объем газа в трубке 1, V - объем газа в соединительной трубке 2 до поверхности жидкости трубки 3, будет описываться уравнением Менделеева-Клапейрона
а
где Р - абсолютное давление в окружающем пространстве над поверхностью жидкости, Па; θ - масса газа, кг; R - универсальная газовая постоянная, Дж/кгК; Т - абсолютная температура, К.
1
2
После погружения устройства в контролируемую жидкость состояние газа изменится. Уровень жидкости в измерительной трубке 1 примет значение h, а в трубке 3 - h. В соответствии с этим давление изменится на величину
2
где g - ускорение свободного падения, м/с.
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
1
2
2
где S и S - площади сечения трубок 1 и 3, соответственно, м.
Приравнивая левые части уравнений (1) и (4), после преобразования получим квадратное уравнение
2
Решение уравнения (5), при условии, что h всегда больше нуля, будет иметь вид
После разложения в степенной ряд Тейлора второго слагаемого и элементарных преобразований получим
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>H</mi><mo>=</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>s</mi><mi>t</mi></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msub><mi>g</mi><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>P</mi><mi>a</mi></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>〈</mo><mrow><mrow><mo>〈</mo><mn>1</mn></mrow></mrow></mrow></mrow>
1
2
Учитывая, что
, при условии S=S и
уравнение (7) запишем в виде
1
2
Если ρ=ρ, то этому состоянию будет соответствовать, как видно из уравнения (8), значение уровня
2
2
20
которое для данной конструкции измерительного устройства является постоянной величиной и может являться нулевой отметкой шкалы. Поэтому относительная плотность жидкости может определяться отклонением Δh уровня h от значения, принятого за ноль шкалы h
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.