СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ
METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING DENSITY OF LIQUID

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:
2
1
1
2
p=p·V/V,
1
где V - объем воздуха в емкости до создания разрежения;
2
V - объем воздуха в емкости после создания разрежения;
1
p - давление воздуха в емкости до создания разрежения;
2
p - давление воздуха в емкости после создания разрежения.
п
2
п
2
_
После создания разрежения исследуемая жидкость начинает поступать по трубке из посуды 5 в емкость 1. Воздух в поплавке стремится расшириться, Р >р,V->V, 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:
3
1
1
3
p=p·V/V,
3
где V - объем воздуха в емкости в момент начала погружения поплавка;
3
p - давление воздуха в емкости в момент начала погружения поплавка.
п
Зная зависимость объема поплавка от давления в емкости V=f(p) (полученную на основании экспериментов или расчетным путем), можно вычислить объем поплавка, по объему и массе - плотность поплавка в момент начала погружения:
п
п
ρ=m/V,
п
где V - объем поплавка в момент начала погружения;
п
m - 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.
3
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 смпоплавок 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.
смеси
3
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=847 кг/м.
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.