Универсальный прецизионный плотномер жидких сред
UNIVERSAL PRECISION DENSITY METER OF LIQUID MEDIUM

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для измерения плотности любых жидких сред, в том числе и химически активных, в широком диапазоне температур.
Известны различные методы измерения плотности жидкости. Их можно разделить на две основные группы - косвенные и прямые. Косвенные методы определения плотности являются трудоемкими и менее точными, чем прямые (Перышкин А.В. Учебник по физике за 7 класс. Издание: 2-е изд. - М.: Дрофа, 2013 г, § 51 Архимедова сила).
Известны плотномеры - патент на полезную модель RU 43647 U1, включающий тарировочный поплавок, погруженный в жидкость, и жестко закрепленные пружинные весы, где тарировочный поплавок установлен с возможностью взаимодействия с пружиной весов через равноплечий рычаг.
Недостатком этого устройства является его громоздкость и низкая точность при измерениях.
Известен плотномер - патент ER 1161667 (A1) - 2001-12-12, который включает весоизмерительное устройство и вертикальные ползуны для перемещения измерительного устройства и погружения его в исследуемую жидкость, содержащуюся в сосуде.
К недостаткам этого плотномера можно также отнести громоздкость и сложность конструкции, сложность процесса замера, недостаточно высокую точность измерения.
Известны гидростатические плотномеры DenDi, у которых на тензометрической балке измеряют массу твердого тела в воздухе, а затем в жидкости, плотность которой необходимо найти. Определив массу твердого тела в разных средах, данный плотномер при помощи алгоритма определяет плотность исследуемой жидкости.
Электронный плотномер DenDi компании-производителя LEMIS Baltic является по технической сущности наиболее близким прототипом предлагаемого устройства.
(http://chemtest.com.ua/laboratornyj_plotnomer_dendi)
Принцип действия DenDi основан на измерении выталкивающей силы жидкости. Чувствительный элемент измеряет выталкивающую силу полностью погруженного в исследуемую жидкость поплавка плотномера, направленную снизу вверх. Полученная информация преобразуется в цифровую форму и обрабатывается микропроцессором. Результаты измерений выводятся на жидкокристаллический цифровой дисплей в виде значений плотности.
Недостатком плотномера DenDi компании-производителя LEMIS Baltic является то, что для проведения измерений плотности жидкости используется косвенный метод, который является менее точным, требуется большое количество исследуемой жидкости, а также требуются специальные приспособления, дорогостоящие микропроцессоры и необходимость регулярного проведения тарировки прибора.
3
3
3
3
Техническим результатом предлагаемого универсального прецизионного плотномера жидких сред является возможность прямого измерения плотности любой жидкости (жидкой среды) прямым способом непосредственно в г /см на высокоточных весах с меньшей затратой времени, с большей точностью, при малом количестве исследуемой жидкости (не более 15…20 см) и в широком диапазоне температур путем быстрой и легкой замены сосудов с исследуемой жидкостью, нагретой до заданной температуры. Точность измерения плотности жидкости находится в прямой зависимости от класса используемых при измерении весов (аналитических, технических, фармацевтических и др.), от класса точности калиброванного шарика объемом один кубический сантиметр и может находиться в пределах от 0,01 г/см до 0,00001 г/см. Причем необходимость проведения каких-либо тарировок отсутствует независимо от типа исследуемой жидкости (жидкой среды), так как применяемые для измерений заведомо сертифицированные (поверенные) весы показывают истинное (реальное) значение выталкивающей силы любой жидкости (жидкой среды) непосредственно в граммах (ньютонах), а объем вытесненной жидкости постоянен и равен объему калиброванного шарика в один кубический сантиметр.
Конкретные преимущества и полезность предлагаемого плотномера видны также в том, что у учебных, научно-исследовательских и технологических лабораторий предприятий всех отраслей, отпадает необходимость в приобретении многообразия плотномеров (ариометров, лактометров и т.д.) для различных типов жидкостей. Достаточно иметь в лаборатории аналитические, технические электронные или другие точные весы и калиброванный шарик, предложенный Осиповым Н.Е.
3
Технический результат достигается тем, что предлагаемый плотномер, рис. 1, включает высокоточные весы 1, легкий прозрачный (пластиковый, стеклянный) сосуд 2 диаметром 20…25 мм и высотой 35…40 мм, наполненный исследуемой жидкостью в объеме 15…20 см и установленный на чаше весов 3, а в исследуемую жидкость на тонкой нити без касания стенок и дна сосуда полностью погружен калиброванный шарик 4 объемом один кубический сантиметр, изготовленный из сплошного коррозиестойкого материала с удельным весом более чем удельный вес исследуемой жидкой среды.
Схема сил, действующих на чашу весов и на калиброванный шарик, дана на рис. 1, откуда видно, что действующие на шарик и на чашу весов силы описываются следующим уравнением:
где G - вес калиброванного шарика;
Н
Р - сила натяжения нити;
Ж
G - вес сосуда и исследуемой жидкости;
А
Р - сила Архимеда;
вес
Р - реакция чаши весов;
А
R - реакция силы Архимеда.
Ж
вес
Учитывая, что при замерах величины Ра включается режим для весов «без учета веса тары» и G=R (весы обнуляются), уравнение запишется следующим образом:
А
Н
А
А
А
или R=P+P-G, где R=P;
Н
А
А
или Р=G+R-P.
Принцип работы предлагаемого устройства и процесс измерения плотности исследуемой жидкости происходит следующим образом:
1. В зависимости от заданной (необходимой) точности измерения плотности жидкости выбираются сертифицированные весы (аналитические, технические электронные и т.д. с точностью измерения от 0.01 г до 0.00001 г), рис. 2.
3
2. Легкий пластиковый (стеклянный) сосуд диаметром 20…25 мм и высотой 35…40 мм, наполненный исследуемой жидкостью объемом 15…20 см, устанавливается на чащу весов и показания весов обнуляются (положение без учета веса тары), рис. 2.
3
3. Калиброванный шарик, объем которого равен одному см и закрепленный на тонкой нити, полностью погружается в жидкость без возможности соприкосновения его со стенками и дном сосуда, рис. 3.
3
3
4. После стабилизации показаний весов (1…2 сек) производится их запись, которая фиксирует величину реакции выталкивающей силы Архимеда в граммах и, соответственно, определяется прямым методом без каких-либо промежуточных расчетов плотность исследуемой жидкости в г/см, так как сила Архимеда равна весу вытесненной шариком жидкости в объеме, равном один см, рис. 3.